任 強(qiáng)，孫 馳，肖 飛，艾 勝

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430033）

模塊化多電平DC-DC變換器研究綜述

任 強(qiáng)，孫 馳，肖 飛，艾 勝

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430033）

模塊化多電平結(jié)構(gòu)相比常規(guī)箝位型多電平和級聯(lián)型多電平結(jié)構(gòu)，具有更好的模塊化設(shè)計、高壓應(yīng)用、多電平輸出等性能?；谀K化多電平結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器特別適合中高壓大容量直流輸配電及新型直流負(fù)載供電。首先介紹了模塊化多電平結(jié)構(gòu)的組成及特點(diǎn)；其次對現(xiàn)有模塊化多電平DC-DC變換器的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相應(yīng)的調(diào)制控制方法進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)梳理，并分析了變換器的故障隔離保護(hù)機(jī)制；最后對模塊化多電平DC-DC變換器的研究難點(diǎn)及前景進(jìn)行了展望。已有的研究表明，模塊化多電平DC-DC變換器以其優(yōu)越的電能變換性能，在價值需求的牽引下必然引領(lǐng)新的直流輸配電技術(shù)的革新高潮。

模塊化多電平；DC-DC變換器；直流電能變換；直流輸配電；電壓平衡控制；故障隔離

相比傳統(tǒng)交流輸配電技術(shù)，新型直流輸配電技術(shù)以不含無功功率、輸送功率大、線路損耗小以及不存在同步運(yùn)行的穩(wěn)定性問題等優(yōu)勢[1-3]，在大容量遠(yuǎn)距離濱海風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)輸電[4-6]、直流智能微網(wǎng)配電[7-9]、電動汽車等新型直流負(fù)載供電[10-12]以及國防軍工領(lǐng)域艦船綜合電力系統(tǒng)大容量直流配電[13-15]等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。

在直流輸配電應(yīng)用中，國內(nèi)外由于缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計制造及運(yùn)行的技術(shù)分散性使得直流輸電電壓等級存在差異，而不同電壓等級的電網(wǎng)互聯(lián)對構(gòu)建區(qū)域智能大電網(wǎng)具有重要意義，由此對中高壓大容量直流變換器產(chǎn)生了新的需求[16-17]。限于單個功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的耐壓等級和功率等級較低，常規(guī)開關(guān)器件串并聯(lián)技術(shù)方案面臨的器件動靜態(tài)均壓均流問題[18-19]、多模塊串并聯(lián)組合型變換器串聯(lián)側(cè)均壓和并聯(lián)側(cè)均流以及對較多隔離變壓器的需求問題[20-21]、箝位型多電平變換器不具備模塊化設(shè)計、級聯(lián)型多電平變換器對大容量多繞組復(fù)雜變壓器的需求，使得常規(guī)變換器結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)中高壓大容量直流變換應(yīng)用場合。

自德國學(xué)者提出模塊化多電平變換器MMC（modular multilevel converter）結(jié)構(gòu)以來[22-25]， MMC以其高壓應(yīng)用、模塊化設(shè)計、多電平輸出等優(yōu)越性能得到了廣泛關(guān)注，稱是電力電子變流器的發(fā)展趨勢。目前，針對模塊化多電平變換器的研究集中在高壓直流輸電HVDC（high voltage DC transmission）以及大功率交流傳動領(lǐng)域，主要實(shí)現(xiàn)DC/AC的電能變換[26-33]。其共同難點(diǎn)在于大量分布式電容的均壓控制、橋臂環(huán)流抑制控制以及大量元器件可靠運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計。結(jié)合模塊化多電平結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和所取得的研究成果，針對直流輸配電對直流變換器的應(yīng)用需求，基于模塊化多電平結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器成為了當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

本文在闡述模塊化多電平結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，梳理了模塊化多電平DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其調(diào)制控制方法，分析了變換器的故障隔離保護(hù)機(jī)制，總結(jié)了當(dāng)前主要研究難點(diǎn)，并展望了研究前景。

1 模塊化多電平結(jié)構(gòu)

為克服單個功率開關(guān)器件的電壓和容量等級的限制，創(chuàng)造低壓開關(guān)器件高壓應(yīng)用條件，以低壓開關(guān)器件及電壓箝位電容組成的箝位型功率模塊成為解決此問題的有效途徑，并在多電平變換器中得到了充分應(yīng)用。模塊化多電平結(jié)構(gòu)由多個低壓子模塊串聯(lián)構(gòu)成，高壓直流電壓均分到每個子模塊中，通過調(diào)整串聯(lián)子模塊的數(shù)目，理論上可以適應(yīng)任意電壓等級的應(yīng)用，具有較好的擴(kuò)展性能。

在電壓箝位型子模塊結(jié)構(gòu)中，電容既發(fā)揮電壓箝位功能，也發(fā)揮儲能作用。開關(guān)器件和電容直接并聯(lián)，使得開關(guān)器件兩端的電壓等于電容兩端的電壓，電容電壓的平衡保證了半導(dǎo)體器件開關(guān)電壓的穩(wěn)定，創(chuàng)造了高壓條件下的低壓運(yùn)行環(huán)境。通過控制子模塊的投入/切除，子模塊等效于可控電壓源，在子模塊端口雙向電流作用下，電容既可以輸出功率也可以吸收功率。子模塊電容電壓平衡是模塊化多電平結(jié)構(gòu)正常工作的基本前提。

目前，可用于模塊化多電平結(jié)構(gòu)的電壓箝位型子模塊結(jié)構(gòu)主要有：半橋結(jié)構(gòu)、全橋結(jié)構(gòu)、半橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)、飛跨電容結(jié)構(gòu)和電容交錯結(jié)構(gòu)等[34-36]，如圖1所示。其共性特點(diǎn)是：單一子模塊電流具有雙向性，電容電壓能通過改變流經(jīng)子模塊電流方向?qū)崿F(xiàn)電容充放電，以此保持電容電壓平衡；但在MMC中，橋臂投入子模塊需滿足的直流電壓平衡條件將限制子模塊電流的雙向改變，即子模塊電容實(shí)際充/放電路徑只有1條。要實(shí)現(xiàn)變換器層面的電容電壓平衡，子模塊需具有能夠?qū)崟r改變的雙向電流對電容進(jìn)行周期充放電，以保持電容電壓的平衡。

圖1 電壓箝位子模塊結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of voltage-clamped submodule

2 模塊化多電平DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其調(diào)制控制方法

模塊化多電平DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有多樣性，針對不同應(yīng)用對象，主要可分為隔離型和非隔離型兩類。

2.1 隔離型模塊化多電平DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制

文獻(xiàn)[37-38]分析了一種MMC-變壓器-二極管整流橋的隔離型兩級單向直流變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的變壓器原、副邊電壓波形如圖2所示。采用基于中頻交流方波（500 Hz）的兩電平調(diào)制方式，利用電壓排序法實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓的平衡，通過控制交流方波的幅值即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓控制，其核心是DC-AC變換控制。同時，文中就開關(guān)器件、中頻變壓器、無源器件電感的損耗進(jìn)行了仿真分析。中頻方波信號作為中間耦合變量，在提高了直流電壓利用率的同時，有效地減小了變壓器的體積。但MMC輸出交流電壓僅為兩電平方波，MMC多電平輸出優(yōu)勢并未得到充分應(yīng)用，且方波電壓較高的dv/dt增加了變壓器繞組的絕緣要求，信號中的高頻諧波分量增加了變壓器的損耗，散熱需求的增加反過來又增加了變壓器的體積。不控二極管整流橋也決定了變換器功率只能單向流動。

圖2 隔離型兩級單向直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其電壓波形Fig.2 Topology of isolated two-level unidirectional DC converter and its voltage waveforms

文獻(xiàn)[39-47]介紹了一種用于互聯(lián)高壓直流網(wǎng)絡(luò)的隔離型“端到端”兩級雙向DC-AC-DC變換器結(jié)構(gòu),如圖3所示。圖中，DC-AC和AC-DC變換均采用MMC變換器結(jié)構(gòu)，交流鏈路采用中高頻變壓器耦合輸入輸出子變換器。與常規(guī)有源雙向全橋結(jié)構(gòu)相似，采用中高頻交流鏈路，在實(shí)現(xiàn)輸入輸出電氣隔離的同時，有效減小了變壓器體積和無源器件容量需求。在調(diào)制方式上，基于常規(guī)最近電平逼近的階梯正弦波調(diào)制方法以及基于電容電壓排序的子模塊電容電壓平衡控制方法，文獻(xiàn)[41,45]對最近電平逼近法進(jìn)行了改進(jìn)，使得MMC子變換器開關(guān)頻率和中間交流頻率相等，降低了開關(guān)損耗，并基于電流預(yù)測減小了子模塊電容電壓波動；文獻(xiàn)[17,46-47]提出了一種近似兩電平輸出的梯形波調(diào)制方法，在梯形波過渡狀態(tài)采用多電平階梯輸出，在梯形波穩(wěn)態(tài)采用兩電平輸出，有效地減小了橋臂環(huán)流及開關(guān)損耗，降低了變壓器繞組的dv/dt和絕緣要求。在功率控制上，目前絕大部分文獻(xiàn)均采用基于變壓器原副邊基波電壓相角和電壓幅值的交流控制方式，以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦以及功率流向的控制[39]。

此種兩級DC-AC-DC變換器，電能變換損耗大，且MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中任何時刻僅有一半的器件處于工作狀態(tài)，變換器器件利用率低，設(shè)計成本高。隨著交流頻率的提高，雖在一定程度上有減小無源器件容量和體積的趨勢，但變壓器的渦流損耗和磁滯損耗隨之增加。中高頻大功率變壓器的需求也在一定程度上增加了變換器的設(shè)計難度。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)可知，目前針對兩級DC-AC-DC變換器的研究基本都集中在輸入輸出電壓變化不大的應(yīng)用領(lǐng)域，輸入輸出子變換器的結(jié)構(gòu)和開關(guān)頻率相同，采用基于開關(guān)周期分析的功率流控制方法。

圖3 隔離型兩級雙向DC-AC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of isolated two stage bidirectional DC-AC-DC converter topology

2.2 非隔離型模塊化多電平DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制

相比隔離型變換器，非隔離型DC-DC變換器能實(shí)現(xiàn)功率的直接變換，減少電能變換中間環(huán)節(jié)，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，在采用全控型開關(guān)器件的基礎(chǔ)上，此類變換器基本都能實(shí)現(xiàn)電能的雙向變換。而在非隔離型DC-DC變換器中采用變壓器，其主要目的是提供一條交流無功路徑，用于實(shí)現(xiàn)變換器內(nèi)部的無功轉(zhuǎn)移，為子模塊電容電壓平衡創(chuàng)造條件。

文獻(xiàn)[48]提出了一種輸入端采用單相MMC子變換器，子變換器交流輸出端分別接橋式二極管整流器和MMC子變換器，構(gòu)成單向和雙向非隔離型DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用兩電平方波和最近電平逼近階梯正弦波調(diào)制方式，并根據(jù)橋臂電流方向利用電容電壓排序法實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡控制。此類變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、功率容量大的特點(diǎn)。但所采用的排序法使得子模塊投入具有一定的隨機(jī)性，子模塊間的功耗不一致，增加了散熱設(shè)計難度，且變換器電壓變比較小。

文獻(xiàn)[16,49]針對隔離型兩級DC-AC-DC變換器電能變換損耗大的問題，提出了一種自耦合直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4（a）所示。圖中，子變換器VSC1～VSC3均采用MMC結(jié)構(gòu)，其交流輸出側(cè)通過變壓器和公共交流母線進(jìn)行耦合。同樣，此種結(jié)構(gòu)中，直流變換器互聯(lián)的直流系統(tǒng)間只有部分功率需要經(jīng)過兩級DC/AC變換，且隨著互聯(lián)直流電壓差的減小，經(jīng)過兩級電能變換的功率越小，交流鏈路容量越小，電能變換損耗越低。為實(shí)現(xiàn)直流變壓器穩(wěn)定運(yùn)行，利用VSC2實(shí)現(xiàn)公共交流母線電壓的穩(wěn)定控制，利用VSC1和VSC3實(shí)現(xiàn)有功功率傳輸控制。通過控制策略的變化，此類變換器能實(shí)現(xiàn)電能的雙向變換，但目前還未見文獻(xiàn)研究。然而，此種結(jié)構(gòu)中，3個子變換器的串聯(lián)增加了系統(tǒng)分析控制的復(fù)雜度，且子變換器處于不同電位等級，各自的絕緣設(shè)計要求也不同。文獻(xiàn)[50-51]提出了另一種自耦合直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4（b）所示。其高壓側(cè)由兩個MMC子變換器串聯(lián)組成，低壓側(cè)為其中一個子變換器的直流母線電壓，兩個子變換器交流側(cè)通過變壓器進(jìn)行耦合。此種結(jié)構(gòu)可等效為一個兩級DC-AC-DC變換器和一個MMC變換器的組合。相比常規(guī)兩級DC-AC-DC變換器，自耦合直流變壓器在器件數(shù)量相同的條件下，變換功率不僅通過兩級變換路徑進(jìn)行傳輸，還通過MMC變換器路徑進(jìn)行直接傳輸，有效的減小了交流鏈路兩級電能變換容量，變換損耗得以降低。然而，變換器的兩種等效結(jié)構(gòu)的耦合增加了變換器的分析和控制的難度，子變換器的損耗要求也決定了變換器的電壓變比不可能很大。此類自耦合變壓器雖使用了交流變壓器，但電壓源間直流通路的直接相連，不具有電氣隔離特性。從目前的研究可知，此種變換器的研究還剛剛起步，針對輸出電壓、功率調(diào)節(jié)以及子模塊電容電壓平衡控制等研究還需進(jìn)一步深化。

圖4 自耦合直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of DC autotransformer topologies

文獻(xiàn)[52-53]提出了一種輸入電源、橋臂電感、子模塊電容形成串聯(lián)諧振，整流輸出直流電壓的變換器結(jié)構(gòu)，如圖5（a）所示。變換器輸入并聯(lián)濾波器能夠防止諧振交流電流進(jìn)入直流電源，輸出整流器可以采用常規(guī)的二極管整流或正/反激整流結(jié)構(gòu)。通過改變串聯(lián)子模塊個數(shù)和占空比，即可改變整流輸入方波信號的幅值和占空比，由此實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整。然而，在輸出功率一定時，橋臂交流電流和子模塊個數(shù)正相關(guān)，相比橋臂直流分量，較大的交流分量占據(jù)變換損耗的主要部分。隨著電壓變比和輸出功率的增加，變換器損耗急劇增大，變換器能效決定了此種諧振變換器的電壓變比和輸出功率不能過大。因此，變換器僅適合于電壓變比較小的小功率應(yīng)用場合。文獻(xiàn)[54-55]將串聯(lián)子模塊等效于常規(guī)Buck/Boost變換器中的開關(guān)器件，利用高壓直流側(cè)電感和橋臂子模塊等效電容組成串聯(lián)諧振電路，從而實(shí)現(xiàn)類似Buck/Boost型直流降/升壓變換，其拓?fù)淙鐖D5（b）所示。為減小諧振電流對直流電源和負(fù)載的沖擊，低壓直流側(cè)電感和高、低壓直流側(cè)電容相比諧振電感和子模塊電容大很多，由此可將低壓側(cè)電感等效于電流源、高壓側(cè)電容等效于電壓源。采用大占空比的載波移相調(diào)制方式，任何時刻串聯(lián)橋臂中投入子模塊數(shù)相同，諧振參數(shù)不變，使得電壓變比僅依賴于投入子模塊個數(shù)和脈沖占空比。然而，此類采用電路諧振實(shí)現(xiàn)功率變換的方式，較大的諧振電流增加了變換器的無功功率，器件的電流應(yīng)力和損耗大。且為抑制直流側(cè)電流紋波，直流側(cè)需較大的濾波器件，這對于諸如超級電容儲能應(yīng)用場合是可以接受的，但對于對紋波電流敏感的電池類負(fù)載卻存在致命的問題。

圖5 模塊化多電平諧振型DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Topologies of modular multilevel resonant DC-DC converter

文獻(xiàn)[56-58]針對再生制動能量回饋應(yīng)用，提出了一種以超級電容作為子模塊儲能電容的雙向模塊化多電平DC-DC變換器拓?fù)?。文獻(xiàn)[59]以光伏電池作為子模塊儲能單元，得到了類似的直流變換器結(jié)構(gòu)，如圖6所示。采用載波移相調(diào)制方式，減小了輸出電壓脈動，并利用雙向電流實(shí)現(xiàn)子模塊的充放電，以此保持子模塊電容電壓平衡。由于此種結(jié)構(gòu)中，電容電壓平衡控制及穩(wěn)定運(yùn)行強(qiáng)烈依賴于電能雙向流動。在沒有雙向電流的運(yùn)行條件下，需額外的雙向DC-DC變換器提供雙向功率流，其應(yīng)用條件受限，僅適用于分布式電源系統(tǒng)。

圖6 能量回饋型模塊化多電平DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Topology of energy feedback modular multilevel DC-DC converter

圖7 DC-MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 DC-MMC topology

文獻(xiàn)[60-62]提出了一種高壓側(cè)采用2個類似MMC子變換器串聯(lián)、低壓側(cè)為兩個子變換器交流輸出濾波得到直流正、負(fù)極的DC-MMC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7所示。圖中，子變換器上、下橋臂子模塊數(shù)可根據(jù)實(shí)際電壓的選擇而不同。該種電路的基本思想是：直流功率直接傳輸導(dǎo)致MMC子變換器上下橋臂子模塊電容電壓單向變換，為平衡子模塊電容電壓，需橋臂交流功率實(shí)現(xiàn)上下橋臂能量交換。利用子變換器左右橋臂反相交流電壓作用在橋臂電感上產(chǎn)生交流環(huán)流，并以一種近乎無損的方式實(shí)現(xiàn)子變換器上下橋臂功率再分配，為子模塊電容電壓平衡創(chuàng)造條件。由于橋臂交流電壓的引入，使得直流單級對地輸出電壓為疊加有共模交流分量的直流量。變換器電壓變比可調(diào)范圍主要取決于兩個子變換器的子模塊數(shù)以及相應(yīng)的電容電壓。然而，此種變換器所需器件數(shù)目多，控制復(fù)雜，且兩個交流環(huán)流回路的耦合增加了分析的難度。在考慮子模塊最小占空比和變換損耗的情況下，變換器的電壓變比較小，僅適合于實(shí)現(xiàn)電壓等級相近的直流電能變換。

文獻(xiàn)[63]指出常規(guī)MMC橋臂包含的交流分量為子模塊電容周期充放電以及電容電壓平衡控制創(chuàng)造了條件，而采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)的直流變換不產(chǎn)生相應(yīng)的交流分量。根據(jù)不同頻率的功率流相互垂直的原理，該文指出功率轉(zhuǎn)移可以是一種頻率的功率向另一種頻率的功率的轉(zhuǎn)移，同時保持功率變換單元能量平衡。據(jù)此，作者提出了一種直流功率以一種頻率傳輸而以另一種頻率的無功功率實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡的控制思想，并提出了一種同時包含一次功率變換環(huán)路和二次功率平衡環(huán)路的模塊化多電平DC-DC變換器結(jié)構(gòu)示意，如圖8所示。其中，一次功率環(huán)路實(shí)現(xiàn)電源向負(fù)載的功率變換，其頻率為直流；二次平衡環(huán)路也即無功環(huán)路，實(shí)現(xiàn)橋臂間能量的轉(zhuǎn)移、平衡因一次環(huán)路功率傳輸導(dǎo)致的子模塊電容電壓失衡，其頻率為中高頻。

圖8 一次/二次控制環(huán)路控制示意Fig.8 Primary/secondary loop control diagram

在文獻(xiàn)[63]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[64]提出了一種基于常規(guī)三相MMC的直流變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示。三相交流輸出端接移相變壓器用以濾除直流分量中的高頻交流分量。為實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡，在橋臂參考電壓中疊加高頻差模電壓和共模環(huán)流，利用共模電流對子模塊充放電，平衡直流功率變換導(dǎo)致的子模塊電能的增減，從而保持電容電壓平衡[65-67]。其中，高頻差模電壓會疊加到輸出相電壓中，而交流環(huán)流僅在三相橋臂間流動。此種控制方法，較大的環(huán)流增加了器件容量和損耗，同時，子模塊電容承受較強(qiáng)的電容充放電過程，電容電壓和輸出電壓波動比較明顯。

圖9 三相MMC直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.9 Topology of three-phase MMC DC converter

對于其他諸如多輸入多輸出多電平變換器[68-69]，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不做具體分析。

綜上，目前模塊化多電平DC-DC變換器拓?fù)浠径际窃贛MC結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上演變而來，同時融合低壓DC-DC變換器中常用的變換方式，形成了滿足不同應(yīng)用場合的隔離型和非隔離型兩種結(jié)構(gòu)的變換器，具有結(jié)構(gòu)種類多、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。在調(diào)制控制上，基本都采用常規(guī)的兩電平調(diào)制、最近電平逼近調(diào)制、載波移相調(diào)制以及相應(yīng)的改進(jìn)型調(diào)制方式。為實(shí)現(xiàn)輸出電壓及子模塊電容電壓平衡控制，基本都采用基于MMC的交流控制方法，通過人為控制產(chǎn)生橋臂交流分量，利用交流無功功率實(shí)現(xiàn)橋臂能量的再分配，以此平衡直流功率傳輸導(dǎo)致的子模塊電容電壓的失衡。此種控制方法使得變換器無功功率大，器件容量需求和損耗較大，經(jīng)濟(jì)性不高。

3 故障隔離保護(hù)

在交流輸配電系統(tǒng)中，交流斷路器可利用電流過零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)故障電流情況下的可靠關(guān)斷，由此隔離故障傳播。而在直流輸配電系統(tǒng)中，故障電流通常很大且電流不具有過零點(diǎn)，直流斷路器強(qiáng)制分?jǐn)?，將產(chǎn)生很大的電弧，甚至無法分段，無法實(shí)現(xiàn)故障電流的及時清除。因此，在多端直流輸電系統(tǒng)中，限于直流斷路器在直流短路保護(hù)方面存在的不足，要求互聯(lián)電網(wǎng)的直流變換器需具備直流短路故障保護(hù)及相應(yīng)的故障隔離能力，防止故障傳遞危害正常工作的電網(wǎng)走廊[1-2,70]。

在多端隔離型模塊化多電平DC-DC變換器中，由于采用交流變壓器耦合輸入輸出MMC子變換器，電網(wǎng)間電能傳輸是通過中間交流耦合分量實(shí)現(xiàn)的。中間交流分量包含的實(shí)時過零點(diǎn)為交流斷路器在直流變換器中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。其次，正常工況下，MMC橋臂所有子模塊電容電壓和大于直流電壓，在不控情況下，可通過故障電流對子模塊充電，利用橋臂所有子模塊電壓形成反向阻斷電壓，從而為阻斷故障電流成為可能，這也是MMC在故障保護(hù)方面所具有的獨(dú)特性。當(dāng)任意直流端發(fā)生短路或?qū)Φ囟搪饭收蠒r，通過切除故障側(cè)子變換器的橋臂子模塊，利用故障電流對子模塊進(jìn)行充電，可實(shí)現(xiàn)短路電流的快速抑制。同時，中間交流鏈路中增加的交流斷路器，在檢測到故障時，在電流過零點(diǎn)處迅速分段，可防止無故障電網(wǎng)通過交流鏈路輸出功率至故障電網(wǎng)，起到故障隔離的作用[37,40-44]，其短路故障示意如圖10所示。

圖10 多端隔離型變換器短路故障示意Fig.10 Sketch map of multiterminal isolation converter short-circuit fault

在非隔離型變換器中，輸入輸出端在電氣上直接相連，并相對于電壓參考點(diǎn)存在電壓重疊。變換器故障切除只能依靠MMC自身所具有的故障隔離特性，即通過控制子模塊輸出形成反向阻斷電壓，快速抑制故障電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障隔離。對于采用典型半橋結(jié)構(gòu)子模塊的非隔離型DC-DC變換器，由于高低壓側(cè)直流母線通過變換器直接相連，高壓側(cè)和低壓側(cè)部分橋臂子模塊重疊[40,48-55,60,63]。在此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)發(fā)生短路故障時，高壓側(cè)電壓直接加在非重疊部分子模塊上，在投入子模塊電壓之和達(dá)到高壓側(cè)電壓時，直流變換器能夠有效隔離低壓側(cè)短路故障，如圖11（a）所示。當(dāng)高壓側(cè)發(fā)生直流短路故障時，低壓側(cè)直流電壓直接加在非重疊子模塊反并聯(lián)二極管上，導(dǎo)致非故障側(cè)低壓電網(wǎng)短路，變換器不具備高壓短路故障隔離。為防止此類故障傳遞，非重疊子模塊需部分采用全橋結(jié)構(gòu)。當(dāng)發(fā)生高壓側(cè)短路時，通過非重疊全橋子模塊輸出負(fù)電壓，抵消低壓直流電網(wǎng)電壓，防止低壓側(cè)電網(wǎng)短路，起到高壓側(cè)短路故障隔離的作用，如圖11（b）所示。

圖11 常規(guī)非隔離型變換器短路故障示意Fig.11 Stetch map of conventional non-isolated converter short circuit fault

由此可知，對于非隔離型模塊化多電平DC-DC變換器，在依靠MMC所具有的故障隔離功能實(shí)現(xiàn)雙端故障電流抑制及故障隔離時，常規(guī)半橋子模塊結(jié)構(gòu)將存在缺陷，必須在橋臂中部分使用全橋子模塊，即通過增加開關(guān)器件數(shù)量，以此增加變換器的故障隔離能力。額外增加的開關(guān)器件將僅在故障處理時投入工作，在變換器正常工作時，此類開關(guān)器件將處于閑置，這在一定程度上降低了開關(guān)器件的利用率，增加了系統(tǒng)的成本和體積。

其他特殊非隔離型DC-DC變換器，其故障處理機(jī)制需根據(jù)具體電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

4 研究難點(diǎn)及展望

作為MMC的擴(kuò)展應(yīng)用，模塊化多電平DC-DC變換器同樣需具備MMC運(yùn)行的基本前提，即保持子模塊電容電壓平衡。這也是此類變換器研究的主要難點(diǎn)之一。在模塊化多電平結(jié)構(gòu)中，橋臂子模塊串聯(lián)，并直接并聯(lián)在直流電源兩端，串聯(lián)橋臂滿足的電壓關(guān)系，需要橋臂雙向電流實(shí)現(xiàn)子模塊電容周期充放電。為產(chǎn)生橋臂雙向電流，目前均采用交流的控制方法，通過人為制造橋臂交流環(huán)境來實(shí)現(xiàn)能量再分配和子模塊電容電壓平衡控制，這無疑增大了變換器的無功損耗和器件容量需求。其次，在采用交流控制思想的基礎(chǔ)上，無功功率的控制是另一個難點(diǎn)。變換器內(nèi)部無功功率既和子模塊電容電壓平衡相關(guān)，還和輸出電壓、負(fù)載功率以及輸入輸出諧波聯(lián)系緊密。無功功率的產(chǎn)生方式、傳輸路徑均需要嚴(yán)格的分析計算和控制，這對于要同時實(shí)現(xiàn)電壓變換和功率傳輸控制來說具有一定難度。同時，無功功率和損耗正相關(guān)，如何實(shí)現(xiàn)變換器穩(wěn)定運(yùn)行條件下的無功功率優(yōu)化控制也增加了一定的控制難度。

從目前針對模塊化多電平DC-DC變換器的研究文獻(xiàn)中可以看出，相比模塊化多電平交流變換，直流變換的研究還比較初級，主要集中在實(shí)現(xiàn)直流變換的同時保持子模塊電容電壓平衡和系統(tǒng)穩(wěn)定的功能實(shí)現(xiàn)上，其深化研究方向包括：

（1）對于變換器的無功環(huán)節(jié)優(yōu)化、輸入輸出電流電壓諧波抑制等相關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法的研究較初級或鮮有研究，而針對此類變換器的能效研究有待深化。

（2）針對具有大電壓變換范圍的直流變換器拓?fù)浼跋嚓P(guān)控制研究還需加強(qiáng)。如采用MMC結(jié)構(gòu)的兩級雙向橋式DC-AC-DC變換器，目前的研究基本都是在左右子變換器具有相同參數(shù)下進(jìn)行的。而對于具有大電壓變化范圍的應(yīng)用場合，如供端為中高壓電網(wǎng)，輸出端為低壓電池儲能裝置，高低壓側(cè)子變換器較大的電壓電流差異，將使得子變換器結(jié)構(gòu)、器件容量需求、開關(guān)損耗、開關(guān)頻率等各不相同，而現(xiàn)有研究幾乎還未涉及到，相應(yīng)地從電路優(yōu)化設(shè)計到理論分析和調(diào)制控制都需進(jìn)一步研究。而且基于開關(guān)周期分析的功率流控制方法，當(dāng)子變換器結(jié)構(gòu)變化時，其功率定量關(guān)系需重新推導(dǎo)，對于雙向橋式結(jié)構(gòu)變換器不具有普適性。因此，開展提高變換效率、優(yōu)化無源器件設(shè)計以及基于系統(tǒng)級的普適性分析控制方法的研究都具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

（3）當(dāng)前的模塊化多電平DC-DC變換器研究所采用的交流控制方法在一定程度上增加了變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分析控制的難度，電氣特性不是很理想。據(jù)此，開展基于直流量控制的、能夠?qū)崿F(xiàn)子模塊電容電壓平衡和電能變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法的研究，具有一定的創(chuàng)新性。

總之，隨著直流輸配電技術(shù)的發(fā)展及新型直流負(fù)載的涌現(xiàn)，具有大容量高電壓變比的模塊化多電平DC-DC變換器，能夠充分發(fā)揮模塊化多電平結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在多端柔性直流輸電、分布式電源系統(tǒng)、直流智能微網(wǎng)、高電壓寬范圍輔助電源供電以及高質(zhì)量直流電源應(yīng)用方面都具有很高的價值?？v觀模塊化多電平DC-DC變換器的技術(shù)路線和研究難點(diǎn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電壓平衡和電能質(zhì)量控制還有待深化研究。在價值需求的牽引下，模塊化多電平DC-DC變換器必然引領(lǐng)輸配電技術(shù)新的革新高潮。

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Review of Modular Multilevel DC-DC Converter

REN Qiang,SUN Chi,XIAO Fei,AI Sheng
（National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology（Naval University of Engineering）,Wuhan 430033,China）

The modular multilevel structure has advantages over the conventional clamped multilevel structure and cascade multilevel structure in modular performance,high-voltage application and multilevel output.The DC-DC converter based on the modular multilevel structure is especially suitable for medium-high voltage and large-capacity DC transmission and distribution as well as DC power supply.This paper has given an introduction about the composition and characteristics of the modular multilevel structure,a summary of the main topologies and modulation control methods of DC-DC converters,an analysis of the protection mechanism of fault isolation,and an exploration of the difficult points and prospects of the modular multilevel DC-DC converter.Studies show that because of its superior electrical energy conversion performance,the modular multilevel DC-DC converter will certainly lead to technical innovations in DC power transmission and distribution according to the requirement of value.

modular multilevel;DC-DC converter;DC power conversion;DC transmission and distribution;voltage balance control;fault isolation.

任強(qiáng)

任強(qiáng)（1989-），男，博士研究生，研究方向：電力電子及大功率直流電能變換，E-mail：im_qiangren@126.com。

孫馳（1977-），男，通信作者，博士，教授，研究方向：大容量電能變換及控制技術(shù)，E-mail：sunchi77@sohu.com。

肖飛（1977-），男，博士，教授，研究方向：電力電子與電氣傳動，E-mail：xfeyning er@gmail.com。

艾勝（1985-），男，碩士，講師，研究方向：電力電子與電氣傳動，E-mail：ai__sheng@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.4.48

TM46

A

2016-01-22

國家自然科學(xué)基金資助項目（51490681）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China （51490681）