基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電控制策略研究

摘 要：本文從MMC的拓撲結(jié)構(gòu)入手，對其工作原理進行了詳細分析，并針對MMC子模塊的3個狀態(tài)和6個工作模式進行了介紹。調(diào)制策略是MMC的核心技術(shù)之一，分析了適合MMC換流器的最近電平調(diào)制策略和載波移相調(diào)制策略的實現(xiàn)原理。

關(guān)鍵詞：模塊化多電平換流器；直流輸電；載波移相

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.175

0 引言

傳統(tǒng)的柔性直流直流輸電系統(tǒng)的換流器是兩電平或三電平的VSC結(jié)構(gòu)，這種換流器由于電平數(shù)很少，導致輸出電壓波形也較差，必須采用高頻的PWM來改善輸出電壓的波形質(zhì)量。模塊化多電平換流器（MMC）是一種新型的級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)節(jié)串聯(lián)子模塊的個數(shù)實現(xiàn)任意電平的輸出，有效減小了輸出電壓的諧波含量，并降低了子模塊的開關(guān)頻率，同時，MMC還有一個公共的直流側(cè)，具有公共的直流母線，易于實現(xiàn)背靠背連接，因此非常適合于柔性直流輸電。

1 三相模塊化多電平換流器的拓撲

三相模塊化多電平換流器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。換流器由6個橋臂組成，每個橋臂由若干個子模塊和一個橋臂電抗器串聯(lián)構(gòu)成，每相上、下橋臂組成一個相單元。對于N+1電平的模塊化多電平換流器，在不考慮子模塊冗余的情況下，MMC每個相單元有2N個子模塊，上、下橋臂分別N個。每個子模塊由兩個IGBT和一個電容構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。MMC換流器結(jié)構(gòu)高度模塊化，只需調(diào)整每個相單元的子模塊數(shù)目就可以滿足不同電壓等級和功率的要求。MMC的拓撲結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的VSC不同，交流電抗器是直接串在橋臂中的，其作用是抑制因MMC三相橋臂直流電壓不相等而造成的環(huán)流，同時也可以抑制直流母線發(fā)生故障時的沖擊電流，提高系統(tǒng)的可靠性 。

2 MMC工作原理分析

（1）子模塊工作原理分析。根據(jù)圖1中子模塊SM的結(jié)構(gòu)示意圖，T1、T2代表兩個IGBT，D1，D2代表與IGBT反并聯(lián)的兩個二極管，uc是直流電容C的電壓，usm為子模塊兩端電壓，ism為流入子模塊的電流，各物理量的參考方向如圖1所示。根據(jù)子模塊T1、T2的開關(guān)狀態(tài)和電流ism方向的不同，可以分為封鎖、投入和切除3種工作狀態(tài)，每種工作狀態(tài)對應(yīng)兩種工作模式。（2）三相MMC工作原理分析。以5電平結(jié)構(gòu)的MMC為例，每個相單元由8個子模塊SM構(gòu)成，MMC在運行過程中，必須滿足一下兩個條件：1）維持直流電壓穩(wěn)定。要求每個相單元投入的子模塊總數(shù)相等且恒定不變。2）在交流側(cè)輸出三相交流電壓。通過調(diào)節(jié)每個相單元上、下橋臂投入的子模塊個數(shù)來實現(xiàn)三相交流電壓的輸出。當三相MMC穩(wěn)態(tài)運行時，為了保持直流側(cè)電壓保持恒定，三個相單元投入的子模塊總數(shù)必須相等。由于三個相單元的對稱性，直流側(cè)電流Idc平均分布在三個相單元中，又因為上下橋臂電抗器Lm相等，所以交流側(cè)電流is平均分配在三個相單元。

3 適用于MMC的調(diào)制策略

目前，MMC換流器廣泛采用的調(diào)制策略主要分為兩大類：一類是基于載波的PWM，包括載波移相、載波層疊以及疊加零序分量幾種方式，其中較為實用的是載波移相調(diào)制方法；另一類是階梯波調(diào)制，主要為最近電平調(diào)制，這與第一種方式相比，其優(yōu)點是開關(guān)頻率低，實現(xiàn)方法簡單；缺點是在電平數(shù)較少的場合下，波形質(zhì)量較差。但對于用在柔性直流輸電領(lǐng)域的MMC換流器來說，電平數(shù)極多，最近電平調(diào)制具有很大的優(yōu)勢。（1）最近電平調(diào)制策略。最近電平調(diào)制方法適用于電平數(shù)較多的場合，尤其適合于電平數(shù)較多的MMC換流器，其基本原理是用離散的階梯波去逼近連續(xù)的正弦波，電平數(shù)越高，兩者的接近程度越高。隨著子模塊個數(shù)N的增大，子模塊電壓uc越來越小，使得MMC的輸出電壓與 us（t）之差也越來越小。而且，在沒有均壓控制的前提下，理想情況下采用NLM調(diào)制方式，每個IGBT的開斷頻率為基波頻率，這大大降低了MMC的開關(guān)損耗。但實際應(yīng)用中，電容均壓控制是必須的，這會帶來額外的開關(guān)動作，即便如此，其開關(guān)頻率也遠遠低于PWM調(diào)制需要上千赫茲的頻率。（2）載波移相調(diào)制策略。在多電平領(lǐng)域，除了上節(jié)所述的NLM調(diào)制策略，載波移相調(diào)制也較為常見，同樣在MMC領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對于N+1電平的MMC換流器，需要采用N條幅值相等、同頻率的三角波作為載波信號，每條載波相位上各間隔θ。通過同一條調(diào)制波與N條三角載波相比較，得到N組PWM調(diào)制波開關(guān)信號，分別用來驅(qū)動每個橋臂上的N個子模塊。為保證任意時刻各個相單元上下橋臂投入的子模塊個數(shù)互補且總數(shù)等于N，要求上、下橋臂的調(diào)制波反相，每相調(diào)制波相位互差2π/3，最后各相輸出電壓的電平狀態(tài)由N組調(diào)制波開關(guān)信號疊加而成。以五電平的MMC換流器的A相為例，來說明載波移相調(diào)制策略的原理。假設(shè)調(diào)制波為正弦波，要求上下橋臂調(diào)制波信號反相，MMC每個相單元上下橋臂各由4個子模塊構(gòu)成，則需要4個三角載波與一個正弦調(diào)制波相比較，每個三角載波之間的相位依次相差2π/4， 調(diào)制波與4條三角載波比較后得到4組PWM開關(guān)信號，分別驅(qū)動每個橋臂上的4個子模塊。

4 結(jié)束語

本文對MMC拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理進行了詳細的分析，從子模塊的3個工作狀態(tài)和6個模式入手，闡述子模塊的工作原理，最后介紹廣泛應(yīng)用于MMC換流器的兩種調(diào)制策略，即最近電平調(diào)制策略及載波移相調(diào)制策略，并對這兩種調(diào)制策略的實現(xiàn)原理進行了詳細分析。調(diào)制策略是MMC的核心技術(shù)之一，分析適合MMC換流器的最近電平調(diào)制策略和載波移相調(diào)制策略的實現(xiàn)原理。

參考文獻：

[1]潘偉勇.模塊化多電平直流輸電系統(tǒng)控制和保護策略研究[D]. 浙江大學，2012.

江蘇省高職院校青年教師企業(yè)實踐培訓項目 2016QYSJ036