一種新型VSC—HVDC輸電方式的研究

摘 要 本文介紹了模塊化多電平換流器（MMC）的拓撲結構和工作原理，并對MMC可以使用的幾種調制策略進行了比較，當MMC用于直流輸電這樣的高壓大功率場合時，需要的電平數很多，而載波移相調制方法（CPS-SPWM）正適用于這類情況。提出了（CPS-SPWM）在MMC中的實現方法，給出了計算（CPS-SPWM）基波和各次諧波幅值的解析表達式。利用PSCAD/EMTDC下搭建的仿真系統對CPS-SPWM的基波和諧波特性進行了仿真。理論計算和仿真結果均表明使用CPS-SPWM策略的MMC在較大的工作范圍內都具有很好的調制波跟蹤能力和較低的諧波水平。

關鍵詞 模塊化多電平換流器 電壓源換流器 高壓直流輸電 調制策略 載波移相調制 諧波 總諧波畸變率

一、模塊化多電平換流器的結構和工作原理

（一）模塊化多電平換流器的結構

模塊化多電平換流器（MMC，即modular multil-evel converter）是由西門子公司首先提出的采用多個子模塊串聯的一種新型拓撲結構。每個子模塊由一個IGBT的半橋和一個直流儲能電容器組成。每個子模塊都是一個兩端器件，它可以同時在兩種電流方向的情況下進行全模塊電壓和零模塊電壓之間切換。相比二電平拓撲，MMC技術具有明顯優勢：由于各子模塊不需要同時導通，降低了橋臂電壓變化率和電流變化率，使得開關器件承受的應力大為下降，同時輸出電壓的各次諧波含有率和總電壓畸變率大大降低，從而可以減小甚至省去大容量的交流濾波器。其次，電抗器可以串聯在上下橋臂間，使得直流側短路時的故障電流上升率可以限制在很低的水平。最后，模塊化的設計也使得容量升級更為容易。

目前工程上適用的VSC-HVDC均采用兩電平電壓源換流器和二極管箝位型三電平電壓源換流器作為換流設備，采用開關管的串聯來滿足電網高電壓和大功率的要求。需要體積龐大和笨重的濾波器等附屬裝置。[1，2]而多電平換流器輸電MMC –HV DC能夠有效地解決問題，但MMC-HVDC本身也存在缺陷，比如需要采用電容電壓平衡策略。

（二）工作原理

每個橋臂由一個電抗器和n個子模塊串聯而成。每個子模塊有工作投入、切除、閉鎖3種開關狀態。這樣可以通過觸發來控制子模塊的輸出電壓。出于子模塊設計和制造的目的，各子模塊參數相同，且6個橋臂電抗值也相等。MMC正常工作有兩個條件：第一，直流電壓的維持，3個相單元中處于投入狀態的子模塊數都相當且不變；第二，三相交流電壓的輸出，就是通過對3個相單元上、下橋臂中處于投入狀態的子模塊數進行分配而實現對換流器輸出電壓的調節。

二、模塊化多電平的控制系統

模塊化多電平調制策略：

VSC-HVDC輸電控制器根據設定的有功、無功功率和直流電壓等指令得到調制波（工頻正弦電壓波）。MMC的調制策略就是如何通過投入、切除子模塊來使MMC輸出的交流電壓逼近調制波。MMC調制策略可以分為以下幾種調制方式：

第一，空間矢量脈寬調制策略SVPWM。文獻提出了一種多電平空間矢量脈寬調制的參考電壓的分解方法，可以將多電平的SVPWM算法問題簡化成二電平的SVPWM算法問題。該算法簡單、快速并且對任何電平數都通用。空間矢量脈寬調制（SVPWM）控制具有數字簡單快速的特點，但涉及電平數較多時，算法復雜度也隨之增加。

第二，最近電平逼近法NLM。文獻提出了用于MMC的最近電平逼近法（NLM），當MMC用于直流輸電這樣的高壓大功率場合時，需要的電平數很多，而最近電平逼近調制正適用于這類情況。使用NLM策略的MMC在較大的工作范圍內都具有很好的調制波跟蹤能力和較低的諧波水平。最近電平逼近調制的原理是使用最近的電平瞬時逼近調制波，適用于電平數很多的場合。隨著電平數的增多，最近電平逼近法更具有優勢。

三、結語

本文介紹了MMC的拓撲結構和工作原理，比較了幾種調制方法，并重點分析了CPS-SPWM這種方法，主要包括其基波和諧波特性的表達式，最終在PSCAD/EMTDC平臺上對CPS-SPWM的兩端MMC直流輸電方式進行了仿真分析，給出了逆變器交流側相電壓、線電壓和A相電壓波形畸變率的波形圖，仿真結果驗證了載波移相調制策略的實用性和有效性。

（作者單位為嘉興恒創電力設計研究院有限公司供配電服務分公司）

[作者簡介：黃濤（1981—），男，浙江嘉興人，本科，助理工程師。]

參考文獻

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