劉振興

（云南機電職業(yè)技術學院，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的新型直流輸電形式。由于電壓源換流器能實現有功和無功功率的獨立控制、模塊化多電平可串聯升壓、級聯高電平輸出諧波含量低等技術特點，基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電技術（MMC-HVDC）在國內外的直流輸電領域都得到了廣泛地應用。

1 模塊化多電平換流器的拓撲結構

三相MMC的拓撲基本結構如圖1所示，其中usa、usb和usc為換流器接入的三相電網電壓，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)中性點的電壓，idc為直流側電流，L為橋臂電抗器，R為橋臂等效電阻，O點為系統(tǒng)中性點。

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個子模塊串聯而成。與傳統(tǒng) VSC 拓撲結構不同，MMC上下橋臂上分別串聯了一個電抗器，相當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)流和降低因直流側母線發(fā)生故障產生的沖擊電流，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構: 半橋結構、全橋結構和箝位雙子模塊結構。圖2所示即為半橋子模塊基本結構，T1和T2為可關斷器件IGBT, D1和D2為反并聯在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均關斷；（2） T1開通和T2關斷；（3） T1關斷和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均關斷，當電流ism為正方向(以圖3中所注方向為參考方向)時，電流通過D1對電容器進行充電；當電流ism為負方向時，電流通過D2將電容器旁路?？梢姡@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)啟動時對子模塊進行不可控充電。MMC正常工作時，禁止出現該狀態(tài)，否則將認為子模塊出現了故障。

（2） 投入模式狀態(tài)。此時T1開通同時T2關斷，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，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，并進行充電和放電。

圖1 模塊化多電平換流器(MMC)基本結構

圖2 半橋子模塊基本結構

圖3 子模塊工作狀態(tài)圖

投入模式狀態(tài)有以下特點: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；子模塊電容根據于電流的方向進行充、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關斷和T2開通，無論電流ism方向為正還是負，子模塊電容器都將被旁路，電容器無法進行充放電，電容電壓保持不變，相當于子模塊輸出電壓為零。切除模式狀態(tài)有以下特點: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器件的通態(tài)壓降，約為零電壓，這一特點使子模塊能夠冗余。并且子模塊數量相等且不變。

圖4 單相MMC結構簡圖

（2）交流側輸出穩(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)的子模塊數進行分配，來實現使換流器輸出正弦交流電壓，從而實現換流器輸出電壓的調節(jié)。完整的三相MMC的拓撲電路如圖1-1所示，為分析換流器運行原理，從三相拓撲中任選一相，得到如圖1-4所示的單相MMC電路結構圖。

3 結語

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整上下橋臂電壓間的比率，以達到在交流側得到期望的多電平階梯電壓輸出，并且實現在直流側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）根據圖4所示，為了保持直流側電壓恒定，必須使每相單元上下橋臂處于投入狀態(tài)的子模塊個數保持恒定，

根據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。根據不同的子模塊故障，需采取對應的子模塊保護方式和裝置，如子模塊過流保護，子模塊冗余保護等。

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