模塊化多電平變換器關鍵問題研究綜述

魏晨華 ， 楊 巖 ， 謝 陽 ， 衛(wèi) 超

（1.西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安 710072；2.西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710065）

隨著電力電子技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)多電平電壓源型變換器（voltage source converter，VSC）在可再生能源并網、城市電網供電、電機傳動等工業(yè)領域[1]都發(fā)揮著積極的作用，并在這些年取得了很大進展。但在許多高壓大功率應用領域，傳統(tǒng)的多電平電壓源型變換器拓撲結構已經無法滿足更高的電壓和功率等級的要求。當前，比較常見的電壓型多電平變換器拓撲可以分為中點鉗位型和單元級聯(lián)型兩大類。中點鉗位型隨著電平數(shù)的增加，其所需的電子器件數(shù)量也會急劇增加，從而使得成本快速升高，令其在工程實踐中有一定的限制。相比于鉗位型多電平變換器，級聯(lián)型多電平變換器無需大量的鉗位器件，模塊化結構設計方便系統(tǒng)擴容和引入冗余控制模式，直流電容電壓易于實現(xiàn)軟件均壓控制。然而，由于其沒有公共的直流母線，在遇到需要有功能量處理的場合，其各單元分別需要獨立的直流供電電源，需要多繞組隔離變壓器進行整流，從而使得系統(tǒng)的復雜程度和成本極大的升高。其次，級聯(lián)型結構無法直接運用于高壓直流輸電等場合。

針對上述問題，德國學者Marquardt R.提出了模塊組合多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）的拓撲結構[2]。MMC不僅采用了模塊化的結構設計，同時還擁有公共直流母線，從而可以直接運用于中高壓大功率有功變換場合。MMC通過調整子模塊串聯(lián)個數(shù)來實現(xiàn)電壓和功率等級的靈活變動，可以擴展到任意電平輸出。相對于傳統(tǒng)的多電平變換器，MMC結構有著明顯較小的諧波含量以及電磁干擾。另外，由于能量分散地存放在橋臂各個子模塊當中，系統(tǒng)故障穿越能力得到了提升。

綜合以上論述，MMC型拓撲結構已經成為當前熱點研究對象。本文在對MMC拓撲工作機理進行闡述的基礎上，并對MMC的主電路參數(shù)設計、系統(tǒng)建模、直流電壓控制技術以及脈沖調制技術進行分析和總結。最后，對MMC的應用前景和發(fā)展趨勢做出展望。

1 MMC的拓撲和工作原理及特點

1.1 MMC的拓撲結構

圖1（a）為模塊化多電平換流器拓撲結構示意圖。換流器由多個橋臂組成，每一相的上下兩個橋臂構成一個相單元，每個橋臂由n個模塊和一個電抗器La串聯(lián)而成。每個子模塊包含兩個IGBT和兩個續(xù)流二極管以及一個儲能電容。由圖1（b）可知，當T1開通T2關斷的時候，子模塊電容被接入橋臂，此狀態(tài)稱為投入。當T2開通T1關斷的時候，子模塊電容從橋臂中切除，子模塊輸出電壓為零，此狀態(tài)稱為切除。當T1與T2均關斷的時候，子模塊進入閉鎖狀態(tài)，此狀態(tài)主要出現(xiàn)在子模塊充電或是故障時，在正常工作時不會出現(xiàn)此狀態(tài)。

圖1 MMC基本結構圖Fig.1 Basic structure of MMC

1.2 MMC相對于傳統(tǒng)換流器的技術優(yōu)勢

MMC結構在運用于高壓大功率場合具有明顯的技術優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下方面：

1）高度模塊化的拓撲結構。MMC主電路和控制電路均采用模塊化結構設計，通過調節(jié)子模塊數(shù)量，可靈活調整MMC系統(tǒng)電壓和功率等級，便于系統(tǒng)擴容，且縮短設計周期。

2）易于冗余設計。MMC的結構特點決定了其系統(tǒng)擁有多種開關組合，易于冗余工作設計。

3）可替代性強。MMC的單元模塊采用容量相同的儲能電容和開關器件，當單元模塊遇到故障時，具有很強的可替代性，便于系統(tǒng)更換維護。

4）具有公共直流母線。MMC無需進行直流側濾波，可避免直流側短路引起的浪涌電流及系統(tǒng)機械破壞的風險，不僅提高了系統(tǒng)可靠性，而且降低了系統(tǒng)成本[2]。另外，公共直流母線的存在使得MMC可以工作在背靠背系統(tǒng)中。

5）模塊電容電壓易于均衡。在三相對稱的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)工況下，由于MMC換流器6個橋臂的結構和狀態(tài)相一致，所有橋臂都符合能量自然平衡的規(guī)律。因此，只需控制好橋臂內部的電容電壓平衡，各個橋臂之間無需附加平衡控制，從而使得均壓控制得到了簡化，降低了系統(tǒng)成本。

6）具有較低的諧波含量和電磁干擾。由于MMC的等效開關頻率較高，使其具有較低的諧波含量和電磁干擾，電路中僅需很小的濾波電感，有助于簡化主電路器件，降低系統(tǒng)運行成本。

7）故障穿越能力強。由于MMC模塊單元直流儲能量大，當網側發(fā)生故障時，功率單元不會放電，直流母線電壓仍然平穩(wěn)運行，因而具有很強的故障穿越能力。

8）開關損耗小。MMC實際開關頻率較低，故開關損耗小。

9）邏輯器件少。相對于傳統(tǒng)多電平換流器，在相同電平數(shù)情況下，MMC具有邏輯器件較少的特點，在很大程度上降低了系統(tǒng)成本，且有較高的可靠性。

綜合上述優(yōu)點，MMC在高壓直流輸電、中高壓電機傳動、電能質量治理等中高壓大功率領域具有廣泛的應用前景。

2 MMC關鍵技術問題的研究分析

2.1 MMC的主電路建模研究

如圖1所示，由于3個相單元的對稱性，直流電流在3個相單元內均分，即流過每個相單元的電流為Idc/3；又由于上、下橋臂的對稱性，交流相電流在上、下橋臂內均勻分配，即流過每個橋臂的交流電流為相電流的一半。則a相上、下橋臂中的電流為：

穩(wěn)態(tài)條件下，直流電流在換流電抗上造成的電壓降為0，因此換流電抗無法提供直流電壓支撐，換流器的直流電壓Udc是子模塊中的電容來提供的。由此得到：

ap點的電壓為:

聯(lián)立（3）（4）兩式可得：

根據(jù)電路結構的對稱性，總有功功率和無功功率由上、下兩個換流器（MMC拓撲實際上是上、下兩個完全相同的半橋級聯(lián)型換流器構成的）平均分擔。MMC的運行特點決定ap與an點、bp點與bn點、cp點與 cn點分別是3對等電位點。

文獻[3]提出MMC的每一個橋臂都可以等效為一個受控電壓源 Uki（k=a、b、c 分別代表 abc 三相，i=1、2 分別代表上下橋臂）。將上、下橋臂的換流電抗看成并聯(lián)關系。將兩個換流電抗合并成一個電抗值等于原來電抗值一半的電抗后，主電路結構得到了極大的簡化，從而有利于控制系統(tǒng)的設計。但這種等效模型是一種理想的上下橋臂完全對稱的情況，實際電路中，交流電網能量很難平衡，所以這種等效電路模型是用于MMC建模和控制的一種虛擬的理論模型。文獻[4]建立了電磁暫態(tài)數(shù)學模型，分別對MMC交、直流側進行了模型分析，指出直流側電壓的動態(tài)特性與各子模塊電容電壓、橋臂電流以及直流電流等因素相關。此模型的建立對研究MMC子模塊電容均壓起到了重要的指導作用。文獻[5]建立了開關函數(shù)模型，結合瞬時功率分析，又進一步建立了MMC的時域解析模型，最后對建立的模型進行了仿真驗證。文獻[6]對MMC的狀態(tài)空間數(shù)學建模進行了分析，并設計了相應了控制系統(tǒng)。

2.2 MMC的主電路參數(shù)設計

MMC的主電路參數(shù)設計包括橋臂電感和功率單元電容參數(shù)的設計。主電路參數(shù)的合理選擇，直接影響到MMC電路的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)響應特性。文獻[7]借鑒了實際工程中抑制電容電壓波動的電容值設計思路，根據(jù)一個周期內充放電能量關系，推出了滿足試驗能力要求的電容值表達式：

試中k為回路電流比例系數(shù)，ε為電壓紋波率，Pdc為電路傳遞的直流功率，子模塊電容額定直流電壓U01。文獻[8]通過對MMC的內部環(huán)流分析，由環(huán)流峰值反推出了MMC橋臂電感值：

但這種方法忽略了直流分量和高階分量，橋臂電感值的精確度受到影響。

近些年，關于直流電容參數(shù)選取的研究相對較多。文獻[2]通過分析橋臂能量脈動，結合子模塊電壓紋波系數(shù)ε（0＜ε＜0.5），給出了直流電容參數(shù)表達式：

文獻[7]借鑒了實際工程中抑制電容電壓波動的電容值設計思路，根據(jù)充電功率引起子模塊電容電壓脈動，得出子模塊電容電壓時域解析表達式，子模塊電容電壓中除了含有恒定的直流分量外，還包括幅值與電容值成反比的基頻和2倍頻波動量，但忽略了直流電容電壓脈動與MMC系統(tǒng)運行狀態(tài)的關系。

2.3 MMC的調制策略

調制策略作為影響多電平變換器輸出性能的關鍵技術，已經受到了國內外學者的廣泛研究。對于調制算法優(yōu)劣性的判斷標準為變換器輸出電壓形式逼近參考調制電壓的程度，并重點表現(xiàn)在輸出電壓的諧波含量以及總諧波畸變率THD（total harmonic distortion）上。多電平調制技術包括：階梯波調制技術、最近電平逼近（nearest level control，NLC）技術、空間矢量脈寬調制 （space vector pulse width modulation，SVPWM）技術、脈寬調制（pulse width modulation，PWM）技術等。

階梯波調制技術就是通過階梯波的疊加來逼近正弦波，其實質就是對參考電壓量化逼近的過程。但因階梯波實質上是逼近正弦波，因而在電平數(shù)較低時，會帶來大量的諧波分量，相對來說更適用于電平數(shù)較多的系統(tǒng)中。文獻[9]提出的最近電平逼近調制技術實質上屬于階梯波調制的范疇，它是將上、下橋臂調制電壓參考值分別除以單個子模塊電容電壓，然后最近取整作為最終投入的子模塊個數(shù)，并對相應的子模塊觸發(fā)序列脈沖。因其控制周期較短，因而具有較高的實時性。相對來說更適合運用于電平數(shù)較多的系統(tǒng)中。此方法的優(yōu)點是有較好的調制波跟隨性能和較小的諧波含量。不足在于輸出電壓依靠直流總線電壓或移相角來調節(jié)，以至動態(tài)調節(jié)困難，NLC技術還會導致各個模塊輸出功率不均衡，并產生嚴重的環(huán)流問題。文獻[10]對MMC可以使用的幾種調制策略進行了比較，當MMC用于高壓大功率場合時，最近電平逼近技術有著優(yōu)于其他調制策略的特點（如：開關損耗小、諧波含量低、總諧波畸變率低）。

多電平空間矢量脈寬調制技術是從兩電平空間矢量脈寬調制技術的基礎上拓展而來的。由于其電壓空間矢量數(shù)與輸出電平數(shù)呈立方增長關系，所以當SVPWM技術運用于更高電平數(shù)的系統(tǒng)時，控制算法將會變得非常復雜。文獻[11]通過比較SVPWM算法與SPWM算法在電平數(shù)較低的情況下（不超過3電平），證明了SVPWM算法使得直流電壓利用率相對SPWM算法提高了1.15倍；相比于SPWM算法，SVPWM算法更易于數(shù)字電路的實現(xiàn)；SVPWM算法下系統(tǒng)的調制度飽和區(qū)加大，使得系統(tǒng)可靠性提高；SVPWM算法有著比SPWM算法更低的總諧波畸變率和更少的諧波含量。文獻[12]分析一種適用于MMC的多電平空間矢量分解方法。所需要的參考電壓分解為前置矢量和兩電平基本矢量，因而MMC多電平空間矢量可立即轉化為兩電平空間矢量算法，該方法不僅簡化了運算，并且可以擴展到任意電平數(shù)的MMC系統(tǒng)中。由于空間矢量算法具有高冗余度，為空間矢量分解的選擇也帶來了方便。以上的方法雖然會簡化運算，但其運算會過多的占用DSP芯片資源。同時，參考矢量的分解也會帶來一定的諧波，而且過多的矢量分解會帶來過高的開關損耗。

脈寬調制技術主要是由載波層疊 （Carrier Disposition PWM，CD-PWM）脈寬調制技術和載波移相 （Carrier Phaseshifted SPWM，CPS-SPWM）脈寬調制技術組成的。將載波層疊調制技術運用到MMC系統(tǒng)時，由于其具有較高的開關頻率和開關損耗，以及開關頻率不同而導致的較高的諧波含量，因此，CD-PWM方法不適用于MMC系統(tǒng)。文獻[13]通過對比不同載波調制技術下MMC的輸出特性，得出載波移相脈寬調制技術因其各功率單元具有相同的開關頻率，更小的諧波含量，且有利于電容電壓的均衡，更適合運用于MMC系統(tǒng)。文獻[14]采用載波移相脈寬調制技術，在較低的開關頻率下實現(xiàn)了較高的等效開關頻率，因此開關損耗小，諧波含量少。

當電平數(shù)很高時，PWM算法的簡單性、快速性以及盡量占用較少的硬件資源成為主要因素。文獻[6]通過三相輸出電壓參考值得到其中一相上橋臂開關狀態(tài)平均值，根據(jù)伏秒等效原則，得出了開關狀態(tài)函數(shù)，并通過抹去最小脈沖和反轉模塊開關狀態(tài)實現(xiàn)了降低開關頻率。

2.4 MMC的子模塊電容均壓策略

影響模塊化多電平換流器性能優(yōu)劣的一個重要因素是保持子模塊電容電壓的均衡，使得各功率開關器件承受相同的電壓應力，以及各模塊電容電壓處在一個相同的電壓水平。目前，大多數(shù)均壓策略是通過自身平衡控制算法來實現(xiàn)，也有一小部分是通過外部平衡控制電路來實現(xiàn)。雖然外部平衡控制電路的方法能夠大大簡化控制的算法設計，但新增加的外部電路無疑會增大系統(tǒng)成本，并且降低了系統(tǒng)可靠性。通過自身平衡控制控制算法實現(xiàn)均壓的方法經濟性和可靠性則更強，問題在于如何實現(xiàn)系統(tǒng)中有功、無功能量的交換。

傳統(tǒng)電容電壓平衡控制方法的目標在于控制各子模塊電容電壓之間的差值。實現(xiàn)步驟如下：

1）通過檢測裝置測得橋臂中各個子模塊的電容電壓值。

2）檢測流過橋臂的電流方向，以判斷投入子模塊的充放電情況。

3）控制器對子模塊的電容電壓值進行排序。當對投入子模塊進行充電時，則將電容電壓值較低的子模塊投入，并將電壓值較高的子模塊切除。當對投入子模塊進行放電時，則相反。

傳統(tǒng)方法雖然能將各子模塊電容電壓的差值控制在一定范圍內，但由每次排序結果的微小變化，各子模塊的觸發(fā)脈沖也要重新調整。導致了開關器件不必要的投切動作，增大了開關頻率，使得開關損耗較高。據(jù)此，國內外學者廣泛地提出了新的電容均壓策略，以解決電容均壓與開關損耗之間的矛盾。實際上，平衡控制的目標并不是僅追求各個子模塊電容電壓的差值范圍，而是抑制各子模塊電容電壓相對其額定值的波動幅度。文獻[15]提出了一種電容電壓的優(yōu)化平衡控制策略，在電容電壓的額定值附近設定一組電壓上、下限，并且引入保持因子的概念。從仿真結果中可看出，電容電壓上、下限的間隔增大，開關器件的通斷頻率略有下降，而子模塊電容電壓波動幅度略有增大，其對系統(tǒng)性能的影響不明顯。保持因子的細微變化便可導致開關器件的平均開關頻率顯著降低，隨著保持因子的進一步增大，電容電壓的波動幅度也會隨之變大。此方法可在增加很小的電容電壓波動的前提下，顯著降低開關器件的通斷頻率。但只列出兩組相近的電壓上、下限進行仿真對比，并不能完全客觀地說明其對系統(tǒng)性能的影響。其次，對于保持因子的取值范圍，文章也沒有明確指示。文獻[16]在采用NLC調制策略的基礎上，對子模塊電容電壓進行排序，根據(jù)橋臂電流方向直接選擇相應的子模塊進行觸發(fā)的傳統(tǒng)均壓方法進行了改進。提出了子模塊間最大電壓偏差為判斷依據(jù)的優(yōu)化電壓均衡控制方法，很大程度的減小了開關器件的通斷頻率，從而減小了換流器的開關損耗，但卻忽略了各子模塊電容電壓相對其額定值的波動幅度。

針對一般電容均壓策略開關頻率過高的問題，結合CPS-SPWM調制策略，文獻[17]提出了一種提前設定好子模塊的開關頻率，再根據(jù)調制波的變化來決定子模塊的觸發(fā)狀態(tài)，從而調節(jié)充放電時間，以實現(xiàn)各橋臂電容電壓均衡的目的。此文與以往方法（將直流側電壓設為定值）的最大區(qū)別在于考慮到直流側電壓變化的影響，具有良好的有功功率及無功功率傳輸性能。文獻[18]提出了一種子模塊間電容均壓控制、電容穩(wěn)壓控制以及上、下橋臂間平衡控制的三閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過PI調節(jié)后實現(xiàn)水平方向（不同橋臂間）的平均電壓控制和豎直方向（同一橋臂內不同子模塊電容）的電容均壓控制。此方法無需對子模塊電容電壓進行實時排序，但由于引入大量的PI環(huán)節(jié)，極大地增加了系統(tǒng)的復雜性。文獻[19]提出了一種電容電壓附加平衡控制策略，其實質是通過調節(jié)能量在橋臂內部的分布來達到各子模塊電容電壓的均衡。此方法最大的優(yōu)點是只需對各橋臂內部進行電壓均衡控制，無需對橋臂間做電壓平均控制，但一定要滿足橋臂內所有子模塊參考電壓之和等于橋臂參考電壓的N倍這一前提條件。

綜上所述，基于自身平衡控制算法均壓策略主要分兩種：

1）子模塊電容電壓排序的方法。

2）通過閉環(huán)控制回路的均壓方法。

采用電壓排序法時功率器件的頻繁投切勢必增大了開關損耗，降低了系統(tǒng)效率。當采取閉環(huán)控制回路的方法又增加了系統(tǒng)的復雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性。所以，采取何種均壓策略還需根據(jù)工程實踐的要求而定。

3 MMC的研究前景

到目前為止，對于MMC型換流器的研究已經有了大量的理論成果，但要在工程實踐中實現(xiàn)這些理論成果還存在著很多問題。MMC換流器中關于環(huán)流抑制、故障穿越、電能質量治理等理論分析也亟待展開深入的研究。

1）MMC的數(shù)學建模：數(shù)學模型的建立對研究系統(tǒng)特性、主電路參數(shù)設計、控制器設計以及子模塊電容均壓等問題具有重要的理論指導意義。目前，絕大多數(shù)參考文獻的建模工作均是假定MMC各功率單元特性一致的理想狀態(tài)，這無法運用于分析MMC非對稱運行工作狀況下。實際電路中，儲能器件數(shù)量龐大，各種數(shù)學模型的建立還需深入研究。

2）MMC的參數(shù)設計：電容值、電感值是決定換流器總成本、占地面積大小的重要因素之一，電容、電感參數(shù)設計的合理性將直接影響系統(tǒng)的經濟性，因此需對參數(shù)設計做更多的研究工作。

3）MMC的調制策略：對于電平數(shù)比較低的應用場合，MMC的調制策略研究已經日趨成熟。但隨著電平數(shù)的增加，MMC的脈寬調制技術和控制系統(tǒng)將會變得更加復雜，針對大功率應用場合中對開關損耗、輸出波形質量等指標要求，提出更為高效的調制策略仍是MMC理論研究的重點問題。

4）MMC的子模塊電容均壓問題：子模塊電容電壓的均衡控制與換流器開關器件的通斷損耗是一對無法避免的矛盾，如何合理實現(xiàn)電壓均衡和較低的能量損耗，是未來展開一系列均壓問題研究的理論前提。

4 結束語

本文從MMC換流器的拓撲結構入手，分析了MMC的工作原理及工作特性，并從數(shù)學建模、參數(shù)設計、調制策略、均壓問題這幾個方面對當前理論研究做了分析和總結。最后，對MMC的研究前景進行了展望。

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