劉振興

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆明 云南 650203）

基于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流輸電(High Voltage Direct Current，HVDC)是一種基于電壓源換流器技術(shù)的新型直流輸電形式。由于電壓源換流器能實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的獨(dú)立控制、模塊化多電平可串聯(lián)升壓、級聯(lián)高電平輸出諧波含量低等技術(shù)特點(diǎn)，基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電技術(shù)（MMC-HVDC）在國內(nèi)外的直流輸電領(lǐng)域都得到了廣泛地應(yīng)用。

1 模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相MMC的拓?fù)浠窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中usa、usb和usc為換流器接入的三相電網(wǎng)電壓，isa、isb和isc為換流器三相輸出電流，upa、upb和upc為三相上橋臂輸出電壓，una、unb和unc為三相下橋臂輸出電壓，ipa、ipb和ipc為上橋臂電流，ina、inb和inc為下橋臂電流，udc/2為直流母線對系統(tǒng)中性點(diǎn)的電壓，idc為直流側(cè)電流，L為橋臂電抗器，R為橋臂等效電阻，O點(diǎn)為系統(tǒng)中性點(diǎn)。

三相MMC換流器每一相包括上下兩個橋臂，總共有6個橋臂。每個橋臂均由一個電抗器和N個子模塊串聯(lián)而成。與傳統(tǒng) VSC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，MMC上下橋臂上分別串聯(lián)了一個電抗器，相當(dāng)于在換流器和交流系統(tǒng)子間增加電抗器。橋臂電抗器不僅可以減少輸出電流諧波，還能夠抑制橋臂上二倍頻環(huán)流和降低因直流側(cè)母線發(fā)生故障產(chǎn)生的沖擊電流，提高系統(tǒng)的可靠性。

2 模塊化多電平換流器的工作原理分析

2.1 子模塊工作原理

MMC子模塊目前主要有三種結(jié)構(gòu): 半橋結(jié)構(gòu)、全橋結(jié)構(gòu)和箝位雙子模塊結(jié)構(gòu)。圖2所示即為半橋子模塊基本結(jié)構(gòu)，T1和T2為可關(guān)斷器件IGBT, D1和D2為反并聯(lián)在IGBT上的二極管，C0為子模塊電容，uc為電容電壓，ic為電容充電電流，usm為子模塊輸出電壓，ism為流入子模塊的電流。按照開關(guān)器件通斷狀態(tài)，子模塊的工作狀態(tài)有三種: （1） T1和T2均關(guān)斷；（2） T1開通和T2關(guān)斷；（3） T1關(guān)斷和T2開通。圖3 所示為子模塊工作狀態(tài)圖。

（1） 閉鎖狀態(tài)（非正常工作狀態(tài)）。此時 T1和T2均關(guān)斷，當(dāng)電流ism為正方向(以圖3中所注方向為參考方向)時，電流通過D1對電容器進(jìn)行充電；當(dāng)電流ism為負(fù)方向時，電流通過D2將電容器旁路?？梢?，這種工作狀態(tài)下電容器只能被充電而不能放電，因此可用于系統(tǒng)啟動時對子模塊進(jìn)行不可控充電。MMC正常工作時，禁止出現(xiàn)該狀態(tài)，否則將認(rèn)為子模塊出現(xiàn)了故障。

（2） 投入模式狀態(tài)。此時T1開通同時T2關(guān)斷，如果電流ism方向為正(以圖3中所注方向為參考方向)，將對電容器充電；如果電流ism方向為負(fù)，將對電容器放電。該狀態(tài)下子模塊電容器被直接接入主電路中，并進(jìn)行充電和放電。

圖1 模塊化多電平換流器(MMC)基本結(jié)構(gòu)

圖2 半橋子模塊基本結(jié)構(gòu)

圖3 子模塊工作狀態(tài)圖

投入模式狀態(tài)有以下特點(diǎn):電流可以雙向流動；不管電流從何種方向流動，子模塊輸出端總存在子模塊電容電壓；子模塊電容根據(jù)于電流的方向進(jìn)行充、放電，以幫助各子模塊電容電壓均衡、將其維持在同一水平值范圍。

（3） 切除模式狀態(tài)。此時T1關(guān)斷和T2開通，無論電流ism方向為正還是負(fù)，子模塊電容器都將被旁路，電容器無法進(jìn)行充放電，電容電壓保持不變，相當(dāng)于子模塊輸出電壓為零。切除模式狀態(tài)有以下特點(diǎn):電流可以雙向流動；不管電流從何種方向流動，子模塊電容電壓不會受到影響；子模塊輸出端引出的僅是開關(guān)器件的通態(tài)壓降，約為零電壓，這一特點(diǎn)使子模塊能夠冗余。并且子模塊數(shù)量相等且不變。

圖4 單相MMC結(jié)構(gòu)簡圖

（2）交流側(cè)輸出穩(wěn)定的三相正弦交流電，即三相交流輸出電壓能跟蹤正弦波。通過對每相單元橋臂中處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)進(jìn)行分配，來實(shí)現(xiàn)使換流器輸出正弦交流電壓，從而實(shí)現(xiàn)換流器輸出電壓的調(diào)節(jié)。完整的三相MMC的拓?fù)潆娐啡鐖D1-1所示，為分析換流器運(yùn)行原理，從三相拓?fù)渲腥芜x一相，得到如圖1-4所示的單相MMC電路結(jié)構(gòu)圖。

3 結(jié)語

2.2 MMC 基本工作原理

通過控制每相上下橋臂子模塊的工作模式，疊加各子模塊輸出電壓和以及調(diào)整上下橋臂電壓間的比率，以達(dá)到在交流側(cè)得到期望的多電平階梯電壓輸出，并且實(shí)現(xiàn)在直流側(cè)得到幅值約為恒定不變 Udc的電壓值。這就是MMC的基本控制原理。MMC正常工作有2個條件:

（1）根據(jù)圖4所示，為了保持直流側(cè)電壓恒定，必須使每相單元上下橋臂處于投入狀態(tài)的子模塊個數(shù)保持恒定，

根據(jù)子模塊的工作原理可知，子模塊是否能正常工作主要依賴于子模塊的主要電力電子器件(IGBT和反并聯(lián)二極管)是否正常、直流儲能電容是否正常、IGBT的觸發(fā)控制脈沖是否正常等條件。常見的子模塊故障主要分為2類，即主元件失效故障和控制脈沖故障。主元器件失效故障包括IGBT和反并聯(lián)二極管的短路與開路故障、直流儲能電容故障；控制脈沖故障主要是指上層控制系統(tǒng)的誤發(fā)脈沖或控制器間的通信異常引起的故障。根據(jù)不同的子模塊故障，需采取對應(yīng)的子模塊保護(hù)方式和裝置，如子模塊過流保護(hù)，子模塊冗余保護(hù)等。

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