摘要：模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）因具備高電壓耐受能力、低諧波輸出及模塊化架構(gòu)，成為實現(xiàn)高效電能傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備。通過分析MMC 的拓撲結(jié)構(gòu)、工作原理，以及在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用，探討了電壓平衡控制技術(shù)、多電平脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）技術(shù)、電流環(huán)內(nèi)控制技術(shù)和冗余模塊切換技術(shù)對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)性能和故障容忍度的提升作用，并深入研究這些技術(shù)在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，為構(gòu)建高效、可靠的現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：模塊化多電平變換器；高壓直流輸電系統(tǒng)；應(yīng)用研究

中圖分類號：TM46；TM721.1 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）作為高壓直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備，是一種新型的多電平脈沖寬度調(diào)制（pulse widthmodulation，PWM）變換器，具有無須依賴工頻變壓器即可實現(xiàn)高壓直流電與中壓/ 高壓交流電之間能量變換和電壓調(diào)節(jié)的能力。MMC 憑借其模塊化架構(gòu)，在提供高電壓耐受能力和低諧波輸出的同時，提升了電網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)水平。本文詳細探討了MMC 的拓撲結(jié)構(gòu)、工作原理，以及在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了電壓平衡控制技術(shù)、多電平PWM 技術(shù)、電流環(huán)內(nèi)控制技術(shù)以及冗余模塊切換技術(shù)等如何有效提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和容錯能力，為能量高效傳輸提供保障。

1 模塊化多電平變換器的拓撲結(jié)構(gòu)

MMC 是一種基于模塊化拓撲結(jié)構(gòu)的電力電子變換器，通過多個子模塊的串聯(lián)與并聯(lián)實現(xiàn)多電平輸出，以滿足高壓直流輸電系統(tǒng)中的電壓調(diào)節(jié)與諧波抑制需求[1]。圖1 為三相六橋臂MMC 電路拓撲結(jié)構(gòu)，每個橋臂由n 個完全相同的子模塊（submodule，SM）和一個電抗器Lm 組成。

該拓撲結(jié)構(gòu)包含A 相、B 相和C 相3 個輸入端子，分別連接到三相交流電源的不同相位。每一相由上、下兩個橋臂組成，通過橋臂的多電平配置實現(xiàn)電壓的逐級輸出，以滿足高壓直流輸電系統(tǒng)的需求。在每個橋臂中，子模塊從SM1 至SMn 按順序串聯(lián)。每個子模塊由功率開關(guān)管、續(xù)流二極管和儲能電容構(gòu)成[2]，負責(zé)調(diào)節(jié)并穩(wěn)定輸出電壓波形，使其達到預(yù)期的電能質(zhì)量要求。電抗器Lm 安裝在每個橋臂中，用于抑制換流過程中的電流突變，具有電流平滑和濾波的作用，能夠減輕電磁干擾對系統(tǒng)的影響。整個結(jié)構(gòu)的直流側(cè)由輸出直流電壓Udc 貫穿，以保持直流母線電壓的穩(wěn)定性，從而保障電力系統(tǒng)能夠高效、安全地傳輸電能，實現(xiàn)低損耗、高質(zhì)量的電力供應(yīng)。

2 模塊化多電平變換器的工作原理

MMC 通過子模塊的串聯(lián)實現(xiàn)多級輸出電平，使高壓直流輸電系統(tǒng)實現(xiàn)高效能量傳輸。常用的子模塊電路結(jié)構(gòu)包括半橋型和全橋型，如圖2 和圖3 所示。

半橋型子模塊由2 個功率開關(guān)管（VT1、VT2）和2 個二極管（D1、D2）組成。儲能電容（C）通過控制VT1 和VT2 的開關(guān)狀態(tài)來完成電平調(diào)制。當(dāng)VT1 導(dǎo)通時，儲能電容為負載提供電壓，輸出一個電平；當(dāng)VT1 和VT2 同時導(dǎo)通時，儲能電容的兩端形成一個旁路通路，使得電容電壓不再對負載輸出產(chǎn)生影響，從而輸出零電平。通過對VT1 和VT2 的控制，半橋型子模塊實現(xiàn)了單極性的電平輸出。

全橋型子模塊由4 個功率開關(guān)管（VT1、VT2、VT3、VT4） 和4 個二極管（D1、D2、D3、D4） 組成。全橋型子模塊能夠輸出3 種電平：正電平、負電平和零電平。當(dāng)VT1 和VT4 導(dǎo)通且VT2 和VT3關(guān)閉時，儲能電容輸出正電平；當(dāng)VT2 和VT3 導(dǎo)通且VT1 和VT4 關(guān)閉時，儲能電容輸出負電平；當(dāng)VT1 與VT2 或VT3 與VT4 同時導(dǎo)通時，儲能電容輸出零電平。這種多狀態(tài)的調(diào)制方式使得全橋型子模塊能夠在MMC 中實現(xiàn)更豐富的電平輸出。

3 模塊化多電平變換器在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 電壓平衡控制技術(shù)

MMC 由大量子模塊串聯(lián)組成，工作時各子模塊電容電壓會隨電流波動而變化，導(dǎo)致電壓不均。電壓平衡控制技術(shù)是保證MMC 系統(tǒng)中各子模塊電容電壓均衡的關(guān)鍵技術(shù)，它通過調(diào)節(jié)各子模塊的電容電壓，實現(xiàn)電壓的動態(tài)平衡。該技術(shù)根據(jù)橋臂需要的子模塊數(shù)量n 和電流方向來判斷電流為正或負的兩種工作情況[3]。①當(dāng)電流為正時，系統(tǒng)首先檢查前一時刻子模塊的狀態(tài)并執(zhí)行相應(yīng)的子模塊切除或投入操作。其次，判斷子模塊電容電壓是否超出上限，若超限，則調(diào)整保持因子Hb ＜ 1 以降低電壓偏差；若未超限，則保持當(dāng)前狀態(tài)穩(wěn)定。再次，將電容電壓按照由小到大進行排序，前m 個子模塊投入充電，而將其余n?m 個子模塊切除，以實現(xiàn)對電壓的精確控制。其中，m 是根據(jù)電容電壓排序后選擇參與充電的子模塊數(shù)量。②當(dāng)電流為負時，系統(tǒng)同樣首先檢查前一時刻子模塊的狀態(tài)并執(zhí)行相應(yīng)的投入或切除操作。其次，判斷子模塊電容電壓是否低于下限，若低于下限，則調(diào)整保持因子Hb ＞ 1 以提升電壓；若不低于下限，則保持當(dāng)前狀態(tài)穩(wěn)定。再次，將電容電壓按照由大到小進行排序，前m' 個子模塊投入放電，而將剩余n?m' 個子模塊切除。其中，m' 是根據(jù)電容電壓排序后選擇參與放電的子模塊數(shù)量。根據(jù)這種雙向的動態(tài)電壓控制，MMC 能夠在高壓直流輸電系統(tǒng)中實現(xiàn)對電壓的精確調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)在高電壓、大功率條件下的穩(wěn)定運行。

3.2 多電平PWM 技術(shù)

多電平PWM 技術(shù)是實現(xiàn)MMC 多級電壓輸出的核心技術(shù)，它通過比較多重載波與參考信號來控制功率開關(guān)的狀態(tài)，優(yōu)化電壓波形并降低諧波輸出。多電平PWM 技術(shù)原理如圖4 所示。

首先，生成正弦參考信號（us）和多個載波信號（uc1、uc2）等，正弦參考信號代表目標(biāo)輸出電壓的理想波形，載波信號用于觸發(fā)各個功率模塊的開關(guān)狀態(tài)。其次，將正弦參考信號與載波信號進行比較，當(dāng)us ＞ uc1 時，模塊開關(guān)狀態(tài)S1 被置為導(dǎo)通，同時輸出一個特定電平；當(dāng)uc2 ＜ us ＜ uc1 時，模塊開關(guān)狀態(tài)S2 被置為導(dǎo)通，使輸出電平切換為新的電壓值。通過將多個載波信號與正弦參考信號進行交替比較，逐步觸發(fā)S1、S2、S3 和S4 等功率開關(guān)模塊的開關(guān)狀態(tài)，進而產(chǎn)生不同的電壓等級組合，形成一個接近理想正弦波的輸出波形[4]。再次，根據(jù)高壓直流輸電系統(tǒng)對諧波抑制和電壓利用的要求，調(diào)整載波的相位關(guān)系，以實現(xiàn)載波移相脈寬調(diào)制（carrier wave phase-shift pulse width modulation，CPS-PWM）效果，使各模塊間的開關(guān)頻率在時間上錯開，避免同時開關(guān)，減少總諧波失真。最后，基于各模塊的開關(guān)動作，輸出端在不同時間段內(nèi)生成Udc/2、0 和-Udc/2 等多級電壓，實現(xiàn)多電平輸出。此過程通過多電平PWM 調(diào)制策略的精確控制，確保了MMC 在高壓直流輸電系統(tǒng)中以低諧波、低損耗和高效率的方式穩(wěn)定運行。

3.3 電流環(huán)內(nèi)控制技術(shù)

在MMC 的控制體系中，電流環(huán)內(nèi)控制采用比例積分（proportional integral，PI）控制器和預(yù)測控制算法，通過實時調(diào)節(jié)各子模塊的輸出電流，實現(xiàn)對系統(tǒng)電流的閉環(huán)控制。其核心目的是確保MMC輸出電流能夠精確跟隨預(yù)設(shè)的目標(biāo)電流（指令電流），從而減少電流波動對系統(tǒng)的影響，提升系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。在dq 坐標(biāo)系下，電流環(huán)內(nèi)控制通過對d 軸和q 軸電流進行解耦，實現(xiàn)獨立的電流調(diào)節(jié)，有效抑制了交叉耦合干擾，確保了電流控制的穩(wěn)定性。在此過程中，將PI 控制器的比例增益Kp 設(shè)置為0.8 ～ 1.2，將積分增益Ki 設(shè)置為50 ～ 100，以優(yōu)化電流響應(yīng)速度，使實際電流能夠精確跟隨指令電流，達到電流控制目標(biāo)。為進一步抑制諧波分量引起的電流失真，電流環(huán)內(nèi)控制結(jié)合諧波抑制策略，采用5 次和7 次諧波濾波器，分別用于濾除電流中基頻5 倍和7 倍頻率的諧波成分，將電流畸變率限制在3% 以內(nèi)，以減少電流諧波在MMC 中的傳導(dǎo)。同時，在負載突變或故障情況下，將控制周期設(shè)置為0.1 ms，確?？焖俚碾娏鞲欗憫?yīng)并維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，電流環(huán)內(nèi)控制需與外環(huán)電壓控制相結(jié)合，形成雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，將外環(huán)電壓控制的控制周期設(shè)置為0.5 ms，以實現(xiàn)功率傳輸?shù)木_調(diào)節(jié)。

3.4 冗余模塊切換技術(shù)

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，為滿足電力系統(tǒng)對高電壓和高穩(wěn)定性的要求，MMC 由多個子模塊組成以實現(xiàn)穩(wěn)定的多電平輸出。為提升MMC 在故障狀態(tài)下的可靠性，利用冗余模塊切換技術(shù)，確保在子模塊故障時，備用模塊能夠及時接替并維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。該過程分為故障檢測、隔離和冗余切換3個階段。在故障檢測階段，利用安裝在各子模塊中的電流傳感器和電壓檢測單元，實時采集并分析各子模塊的電流與電壓數(shù)據(jù)，以識別異常波動并診斷模塊狀態(tài)。系統(tǒng)的保護控制單元將采樣周期控制在1 ms 以內(nèi)，以迅速識別并定位故障模塊。在故障確認后，系統(tǒng)進入隔離階段，采用絕緣柵雙極晶體管（insulate-gate bipolar transistor，IGBT）作為模塊的隔離開關(guān)，通過觸發(fā)開關(guān)指令隔離失效模塊，避免其對剩余模塊的干擾[5]。在此過程中，保護控制單元通過響應(yīng)時間為2 ms 的斷路器來實現(xiàn)對故障模塊的物理隔離。隔離完成后，系統(tǒng)進入冗余切換階段，通過觸發(fā)備用模塊的IGBT 開關(guān)將其并入主電路，完成與正常工作模塊的無縫銜接，并恢復(fù)系統(tǒng)電壓平衡。為確保切換過程的平穩(wěn)性，系統(tǒng)還設(shè)計了冗余模塊的預(yù)充電控制策略：預(yù)先借助數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP）實時監(jiān)控備用模塊的電容電壓，并在電壓達到1.05 倍額定電壓閾值時將其接入主電路，以防止切換瞬間的電流沖擊。

4 結(jié)語

綜上，MMC 在高壓直流輸電系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價值。其憑借模塊化拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多電平輸出，顯著提高了系統(tǒng)的電能傳輸效率。采用電壓平衡控制技術(shù)、多電平PWM 技術(shù)、電流環(huán)內(nèi)控制技術(shù)等，優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，有效抑制了諧波分量和交叉耦合干擾。冗余模塊切換技術(shù)則進一步提升了系統(tǒng)的可靠性，確保在模塊失效的情況下系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行。MMC 的應(yīng)用為高壓直流輸電系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定發(fā)展提供了堅實的技術(shù)支撐。

參考文獻

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