季振東，趙劍鋒

模塊化多電平技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析

季振東1，2，趙劍鋒1

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096；2.南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210094）

模塊化多電平變流器（MMC）以其模塊化、低損耗、低諧波等優(yōu)點，受到越來越多的關(guān)注，是未來電力系統(tǒng)中交直流電能轉(zhuǎn)換利用的大趨勢。文中在結(jié)合MMC特點的基礎(chǔ)上，比較現(xiàn)有MMC的相關(guān)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析MMC的關(guān)鍵技術(shù)點，總結(jié)MMC在電力系統(tǒng)中的一些應(yīng)用研究，進(jìn)而展望其發(fā)展前景。

MMC；電路拓?fù)?；電力系統(tǒng)

模塊化多電平變流器（MMC）已成為高壓應(yīng)用領(lǐng)域最受關(guān)注的多電平拓?fù)洌?-5］，特別是在柔性直流輸電領(lǐng)域。相比于其他的多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模塊化多電平變流器具有如下突出的優(yōu)點：可以無變壓器地接入高壓電網(wǎng)；結(jié)構(gòu)上易于模塊化實現(xiàn)；具有較低開關(guān)損耗和諧波輸出；在提供了公共的直流母線的同時取消了直流電容。近些年來，MMC應(yīng)用方面已經(jīng)取得了一些突破性進(jìn)展。西門子公司率先開發(fā)了基于MMC的高壓直流輸電系統(tǒng)HVDC-plus（High Voltage Direct Current-Power link universal systems，plus）［1］，并于2010年建成了連接美國匹茲堡和舊金山的世界上首條商業(yè)化HVDC-plus項目。我國也逐步形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的柔性直流輸電技術(shù)，相繼建成了上海南匯柔性直流示范工程（亞洲首條柔性直流輸電工程，2011年）、南澳多端柔性直流輸電工程（世界首個四端柔性直流輸電工程，2013年）、浙江舟山±200 kV五端柔性直流工程（世界首個五端柔性直流輸電工程，2014年）。但目前國內(nèi)外電力系統(tǒng)中的MMC應(yīng)用仍集中于柔性直流輸電領(lǐng)域，而且局限在德國學(xué)者M(jìn)arquardt R.［2］提出的傳統(tǒng)MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對于MMC其他應(yīng)用及相關(guān)拓?fù)淙蕴幱谔剿麟A段。因而對MMC近年來的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)和分析，具有重要理論價值和現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1　MMC相關(guān)電路拓?fù)浜完P(guān)鍵技術(shù)點

1.1相關(guān)電路拓?fù)?/p>

圖1（a）為傳統(tǒng)的三相MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相由2個橋臂構(gòu)成，每個橋臂又包含n個串聯(lián)而成的單元模塊和并網(wǎng)電抗器L。其中單元模塊可由圖2所示的電路構(gòu)成。圖2（a）所示電路為目前最廣泛應(yīng)用的半橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)所需開關(guān)器件少，但不具有直流短路抑制能力（公共直流母線發(fā)生短路并進(jìn)行開關(guān)器件閉鎖情況下，電路拓?fù)渲腥源嬖诙搪冯娏鞯牧魍窂剑?，圖2 （b）至2（d）則是為解決該問題所使用的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2（b）為H橋結(jié)構(gòu)單元［3］，去掉S3中開關(guān)管亦是一種簡化拓?fù)洌?］，由于開關(guān)數(shù)量提升了2倍，相比于半橋結(jié)構(gòu)，成本提高的同時卻帶來了更多的開關(guān)損耗。圖2（c）為箝位雙型子模塊［5］，正常運(yùn)行狀態(tài)下，S5處于導(dǎo)通狀態(tài)，單元等效于2個串聯(lián)的半橋模塊。相比于同樣輸出電平下的全橋模塊，開關(guān)器件數(shù)量和損耗都得到了一定程度的降低。圖2（d）為五電平交叉結(jié)構(gòu)［6］，亦可使用取消S6中開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)［7］，由于S5和S6的耐壓需要達(dá)到單直流側(cè)電壓的2倍，相比于箝位雙型子模塊成本有所提高。4種單元拓?fù)湓谥绷鞴收弦种颇芰Α⒊杀?、損耗、輸出電平方面的對比如表1所示，其中Udc為單直流側(cè)電壓，排序?qū)Ρ染谳敵鲭娖綌?shù)相同情況下進(jìn)行。

圖1　MMC相關(guān)電路拓?fù)?/p>

圖2　MMC單元拓?fù)?/p>

在主電路拓?fù)浞矫?，針對MMC無直流故障抑制能力、單元數(shù)量多、控制復(fù)雜等缺點出現(xiàn)了一些改進(jìn)的電路結(jié)構(gòu)。為了具有直流故障抑制能力，除了可以將圖2（b）至2（d）使用于傳統(tǒng)三相MMC結(jié)構(gòu)［3］外，還可以將半橋子單元和具有直流故障抑制能力的子單元進(jìn)行混合級聯(lián)，這一定程度上降低了裝置的成本，但也一定程度上增加了控制上的復(fù)雜度。另外Alstom公司提出了圖1（b）所示的橋臂交替導(dǎo)通換流器（AAMC）拓?fù)洌?，9］，由開關(guān)器件串聯(lián)組成的導(dǎo)通開關(guān)和全橋子模塊級聯(lián)而成，它減少了子模塊單元數(shù)量，消除了環(huán)流問題，可有效處理直流故障，但需要解決串聯(lián)開關(guān)管同步導(dǎo)通和多直流側(cè)平衡等問題。圖1（c）為含中間單元的改進(jìn)型拓?fù)?，它在輸出端口中間連接了一個單元模塊，這樣可以減少單元數(shù)量，也一定程度上降低了橋臂平衡控制的復(fù)雜度［10］。圖1（d）為加入頂端單元的改進(jìn)拓?fù)洌?1］，它在上下兩端各引入一個三橋臂變流器，在簡化控制系統(tǒng)的同時也可以減少公共直流母線的電壓波動。上述這些改進(jìn)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別解決了MMC拓?fù)淠承┓矫娴膯栴}，但由于異類單元的引入，降低了整個裝置的容錯能力，削弱了裝置的可靠性。

表1　子模塊對比

1.2關(guān)鍵技術(shù)點

MMC裝置的模塊數(shù)量眾多，需要通過集中控制的方式來協(xié)調(diào)各單元模塊以控制裝個裝置的直流母線電壓、交流輸出電流或輸出電壓。具體來說，MMC控制中的關(guān)鍵技術(shù)點包括：

（1）多直流電壓平衡控制。類似于其他多電平拓?fù)?，由于多直流?cè)的存在，需要有效的電壓平衡控制方法將各直流電壓穩(wěn)定。

（2）環(huán)流抑制。環(huán)流是在三相橋臂間流動的電流分量，它產(chǎn)生于三相橋臂電壓不同，主要包含兩倍頻分量。環(huán)流對于交流側(cè)的電壓和電流并不產(chǎn)生影響，但會增加橋臂電流的峰值，這會影響子單元電壓的波動及裝置的效率。故而需合適的環(huán)流控制算法加以抑制。

（3）多電平調(diào)制技術(shù)。由于大量單元的串聯(lián)，合適的多電平調(diào)制算法對裝置的輸出性能尤為關(guān)鍵，MMC一般采用載波移相或最近電平逼近的調(diào)制方法。

（4）容錯技術(shù)。開關(guān)器件的大量使用一定程度上降低了裝置的可靠性，故而需要研究多開關(guān)器件故障情況下如何保證MMC裝置的正常運(yùn)行，通常采用單元旁路和增加冗余單元的方式來進(jìn)行處理，這就需要研究拓?fù)湔{(diào)整后的容錯控制方法。

（5）系統(tǒng)非正常情況下的MMC運(yùn)行。需要分別針對系統(tǒng)電壓不平衡和系統(tǒng)發(fā)生故障的情況進(jìn)行研究，以保證裝置有條件地在系統(tǒng)非正常情況下工作，提升裝置的可靠性。

2.二十世紀(jì)初，國家為了進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化鄉(xiāng)村學(xué)校布局，提出了撤點并校的戰(zhàn)略部署，一些農(nóng)村學(xué)校的教學(xué)點先后被撤并，但是在運(yùn)行過程中暴露出越來越多的弊端，既衍生出鄉(xiāng)鎮(zhèn)學(xué)校的大班額，又給鄉(xiāng)鎮(zhèn)寄宿制學(xué)校管理帶來挑戰(zhàn)。學(xué)生周末回家存在安全隱患，義務(wù)教育階段學(xué)校既要提供食宿、又要配備校車，使學(xué)校運(yùn)行成本陡增，加之學(xué)生年齡小與家人缺乏交流溝通，家庭親情的缺失使學(xué)生心理易產(chǎn)生疾病。出于綜合考慮國家叫停了撤點并校，本著小學(xué)生就近入學(xué)的根本原則，一些小規(guī)模學(xué)校在后撤點并校時代被保留下來。

2　MMC在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

除了柔性直流輸電，MMC亦可用于電力系統(tǒng)中其他領(lǐng)域，如電力電子變壓器、高壓電機(jī)驅(qū)動、電能質(zhì)量治理、新能源并網(wǎng)、高壓直流固態(tài)變壓器等，下面就這些方面的應(yīng)用做一些總結(jié)分析。

2.1電力電子變壓器

電子電力變壓器（PET）又稱為固態(tài)變壓器（SST），它是一種將電力電子變換技術(shù)和基于電磁感應(yīng)原理的中高頻電能變換技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)將一種電力特征的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電力特征的電能的靜止電力設(shè)備。電力特征，包括電壓（或電流）的幅值、相位、頻率、相數(shù)、相序和波形等［12］。它在實現(xiàn)常規(guī)電力變壓器電壓等級變換、電氣隔離和能量傳遞等基本功能的基礎(chǔ)上，還可以靈活實現(xiàn)潮流控制、電能質(zhì)量控制等柔性交流輸電（FACTS）的功能；可大幅度提升電力系統(tǒng)的可控性，是未來實現(xiàn)電力系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵設(shè)備；特別適合在微網(wǎng)、交直流配電網(wǎng)中應(yīng)用。

2010年以來，中國科學(xué)院電工研究所提出了一種基于MMC的PET，并研制了10 kV/380 V的樣機(jī)［13］。該P(yáng)ET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，由三部分組成，前級由傳統(tǒng)MMC構(gòu)成，中間級由輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（ISOP）的DC/DC變換器構(gòu)成，輸出則由傳統(tǒng)三相四線制逆變器構(gòu)成。該拓?fù)淙糠窒鄬Κ毩?，中間級分別通過高低壓直流母線與兩側(cè)相連，硬件上配置也較為方便，但該結(jié)構(gòu)由于使用了ISOP在高壓直流側(cè)串聯(lián)了電容，不利用該直流母線的輸出，限制了其應(yīng)用場合。

圖3　MMC+ISOP型電力電子變壓器拓?fù)?/p>

2014年以來，在國家自然科學(xué)基金的支持下，東南大學(xué)也展開了基于全橋MMC的四端口高低壓交直流PET（見圖4），與前者不同的是中間級的DC/DC變換器連接于MMC的各低壓直流側(cè)。這樣雖然增加了DC/DC模塊的單元數(shù)，但增強(qiáng)了公共直流母線的可靠性，也有利于簡化整個裝置的控制系統(tǒng)。該種PET能夠?qū)MC的拓?fù)鋬?yōu)勢充分地運(yùn)用到PET中來，使PET適合高壓直流的直接接入，適用范圍廣，因此具有重要的研究價值和廣泛的應(yīng)用前景。

圖4　四端口電力電子變壓器

2.2電機(jī)驅(qū)動

2.3電能質(zhì)量治理

MMC結(jié)構(gòu)具有高質(zhì)量的電壓波形和快速電流控制能力，UPFC和UPQC能充分利用這兩點進(jìn)行潮流控制和電能質(zhì)量治理［15-18］，可采用圖6所示的MMC背靠背結(jié)構(gòu)，特別是對于并聯(lián)部分可實現(xiàn)無變壓器直接并網(wǎng)。2015年，南京220 kV西環(huán)網(wǎng)UPFC工程進(jìn)入施工階段，這是我國首個自主知識產(chǎn)權(quán)的UPFC工程，也是國際上首個使用MMC技術(shù)的UPFC工程。

MMC亦可用來做STATCOM，但傳統(tǒng)的MMC結(jié)構(gòu)在設(shè)備構(gòu)成、控制性能、接地方式和電網(wǎng)故障穿越能力等方面綜合比較于角形鏈?zhǔn)絊TATCOM不具優(yōu)勢［19］。而采用圖7所示的基于單星形MMC的STATCOM可以在降低成本的同時，簡化控制策略，有利于提升控制系統(tǒng)的可靠性［20］。

圖5　MMC的電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用

圖7　單星MMC型STATCOM

2.4新能源并網(wǎng)

如圖8所示，利用MMC的單橋臂結(jié)構(gòu)［21］可以實現(xiàn)串聯(lián)型DC/DC變流器，有助于減小儲能、光伏電池板等元件單體電壓低與應(yīng)用場合電壓高間的矛盾，實現(xiàn)大容量儲能、光伏等新能源直接進(jìn)行直流并網(wǎng)。對于使用交流方式并網(wǎng)，可使用傳統(tǒng)的MMC結(jié)構(gòu)［22，23］，有利于提高大型新能源并網(wǎng)的效率、減少大容量新能源并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響。

2.5高壓隔離型DC/DC

如圖9所示，不同電壓等級的高壓直流電網(wǎng)連接需要使用隔離型的DC/DC變流器，例如直流風(fēng)電場并網(wǎng)等場合，利用雙MMC交流側(cè)連接的方式可實現(xiàn)該變換目的［24］，并可以通過提升交流側(cè)電壓頻率的方法，減少變流器的整體體積。該結(jié)構(gòu)的DC/DC變流器可以方便地實現(xiàn)高壓大容量的直流變換，在工作效率、可靠性方面都有較好的保證。

圖8　基于MMC的新能源直流并網(wǎng)變流器

圖9　基于MMC的高壓隔離型DC/DC變流器

3　結(jié)束語

MMC以其獨特的性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢受到越來越多的關(guān)注，在近些年也是很多領(lǐng)域的研究熱點。在電力傳輸領(lǐng)域，由于柔直工程的成功應(yīng)用，MMC結(jié)構(gòu)已成為HVDC，F(xiàn)ACTS系統(tǒng)所認(rèn)可的技術(shù)，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，將有更多MMC投入該類型應(yīng)用；在電力電子變壓器方面，MMC將高壓直流引入進(jìn)來，對未來各種類型和電壓等級的電網(wǎng)互聯(lián)、靈活電力潮流和電能質(zhì)量控制起到了很好的示范作用；在中高壓電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域，MMC型的變頻器仍有不少問題需要解決，特別是在成本和低頻控制方面，但由于性能方面的優(yōu)越性仍具有很好的應(yīng)用前景；在電能質(zhì)量控制方面，示范工程正在逐步推進(jìn)，未來將有更大的發(fā)展空間；在新能源并網(wǎng)方面，MMC結(jié)構(gòu)簡化了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，更利于大容量、高效率地進(jìn)行新能源并網(wǎng)，更加有力地促進(jìn)清潔能源的發(fā)展。MMC將成為未來電力系統(tǒng)中交直流電能轉(zhuǎn)換利用的大趨勢，除了柔性直流輸電外，它還會在電力電子變壓器、高壓電機(jī)驅(qū)動、電能質(zhì)量治理、新能源并網(wǎng)、高壓直流固態(tài)變壓器等領(lǐng)域大有可為。對于開展對MMC相關(guān)技術(shù)的研究對于推動電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的意義。

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Prospect Analysis of Modular Multilevel Technology in Power System

JI Zhendong1，2，ZHAO Jianfeng1
（1.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China；2.School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Modular multilevel converter is seen as the future development of AC-DC conversion in power system and attracts more and more attention for its superiority such as modular，low losses，low harmonic and so on.Based on the features of MMC，this paper compares related existing MMC circuit topologies，analyzes its critical technology，and summarizes its extensive application research on power system，so as to have an outlook for its broad prospects.

modular multilevel converter（MMC）；circuit topology；power system

TM74

A

1009-0665（2015）06-0041-05

2015-08-03；

2015-09-14

國家自然科學(xué)基金項目：51477030；

江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項目：BY2014127-15。

季振東（1986），男，江蘇東臺人，博士，研究方向為高壓大功率電力電子技術(shù)，電力電子變壓器技術(shù)；

趙劍鋒（1972），男，江蘇臨海人，教授，研究方向為電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。