模塊化多電平換流器拓撲綜述

劉中芳

摘 要：模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）作為一種新型的高壓大功率電能變換技術，已日益獲得了各國研究人員的普遍關注。與傳統兩電平、三電平換流器相比，具有制造難度低、損耗小、階躍電壓小、波形質量高、結構模塊化等優點。本文以專利申請為研究入口，分析了模塊化多電平換流器（MMC）的專利申請概況，并對常見的模塊化多電平換流器（MMC）子模塊拓撲和模塊化多電平換流器（MMC）的系統級拓撲進行了綜述。

關鍵詞：模塊化多電平換流器；專利申請；拓撲；子模塊

0 引言

和傳統交流輸配電技術相比，新型直流輸配電技術以線路造價低、電能損失小、送電距離遠、系統穩定性高等優勢，在直流智能微網配電、交流電網的異步互聯、風電場并網、海上平臺供電和城市負荷中心供電等領域被廣泛應用，成為未來電網發展的重要方向。

然而，當前直流輸配電技術仍存在如下問題：（1）直流電網間缺乏統一的建設標準，不同輸電工程采用不同的電壓等級；（2）直流電網內，傳統直流變換器拓撲難以滿足高電壓大功率的電壓變換要求。為此，開展用于實現不同高壓直流輸電線路互聯、可變換不同電壓等級的高電壓大容量直流變壓器，是未來柔性直流輸電技術的重要發展方向之一。

德國學者2001年提出了模塊化多電平變換器（MMC）結構，其具有電壓等級控制靈活、諧波含量少、開關損耗低等特點，因此受到了科研工作者的廣泛關注，目前已經成為柔性直流輸電系統換流站的首選拓撲。近年來，MMC的研究逐漸變得多元化，涌現出不少新型的MMC拓撲結構，因此本文以專利申請為入口，對MMC在拓撲方面近年來的研究進行梳理和分析，具有重要的理論價值和現實指導意義。

1 專利申請狀況分析

1.1 申請量及申請人

針對MMC，作者在中英文專利庫中對世界范圍內的專利申請進行了檢索。自2001年以來，有關MMC發明專利的申請量逐年上升，到2006～2007年有一個小高峰，在2009年有所下降，到了2014年又出現了一個最高值。其中，中國的申請量最大，其次是美國、韓國、日本、臺灣、德國，中國和美國的申請量占到了總申請量的80%以上，中國的申請人中，國家電網的申請量遙遙領先。

2 相關的中國專利

2.1 MMC子模塊拓撲

公開號為CN102739030A的專利申請公開了兩種最為基本的MMC子模塊結構，分別是半橋子模塊HBSM和全橋子模塊FBSM，HBSM是最早提出的、也是應用最廣泛的子模塊，上、下兩個開關管互補導通，輸出電壓有電容電壓和零兩個電平，目前絕大部分已經建成的或者在建的基于MMC的直流輸電工程均采用的是半橋子模塊。但是半橋子模塊不能通過閥控技術限制直流側短路時的故障電流，因此全橋模塊FBSM被提出。FBSM由4個IGBT和1個電容器構成，當系統發生短路故障閉鎖后，FBSM具有故障電流的雙向阻斷能力。但從結構上看，FBSM所采用的開關器件數量是HBSM的2倍，將增加換流器的損耗和一次投資成本。

MMC由大量的子模塊構成，子模塊數越多，直流側的電壓可以越高，等效開關頻率越高，交流側輸出電壓的諧波含量越小，但是控制系統越復雜，控制成本越高，因此相關學者提出了一種折中的辦法，將原來的子模塊替換為傳統的箝位型或者飛跨電容型三電平模塊。公開號為CN105553314A的專利申請公開了中點箝位型子模塊（neutral-point-clamped sub-module，NPCSM）、飛跨電容型子模塊（flying-capacitor sub-module，FCSM）和T型多電平子模塊（T-type multilevel sub-module，TMSM）拓撲，3種子模塊拓撲均可輸出3個電壓0、Uc和2Uc，且無故障電流的阻斷能力。由于需要均衡2個串聯子模塊的直流電容電壓，造成控制系統設計復雜。

公開號為CN104638615A的專利申請公開了串聯雙子模塊（series-connected-double sub-module，SCDSM）的拓撲，可輸出5個電壓，具有雙向阻斷故障電流的能力，且在結構上不存在耦合性，控制相對簡單。

公開號為CN104993716A的專利申請公開了鉗位型雙子模塊（clamp double sub-module，CDSM）拓撲，該子模塊通過在全橋子模塊中增加了一個IGBT、一個電容器和兩個二極管，使子模塊可輸出3個電壓2uc、uc、0，與全橋拓撲相比降低了單位電壓需要的器件數量。該子模塊正常運行時，鉗位開關管一直導通，此時CDSM等效為兩HBSM。當直流側發生短路故障時，控制系統閉鎖所有IGBT，此時的短路電流通路類似全橋子模塊，短路電流將被閉鎖。

公開號為CN104993716A的專利申請公開了一種混合雙子模塊，其包括4個開關和兩個電容，能夠輸出4種電壓，包括兩倍電容電壓、電容電壓、零電壓和負向電容電壓，一個混合雙子模塊相當于兩個半橋子模塊，并具備全橋子模塊的負電壓特性，兼具器件少、容量高與直流故障穿越功能等優勢。

公開號為CN105763089A的專利申請公開了一種自阻型子模塊（self-blocking sub-module，SBSM），與FBSM相比，其省去了一個開關管，控制更簡單，能輸出3種電平。SBSM可以有效抑制阻斷直流故障器件直流電容電壓的升高，減小故障電流回路的時間常數，加快故障電流降為零的速度，應用于中頻場合時，可以降低子模塊電容值并有效抑制支路故障期間子模塊電容電壓上升。

上述子模塊拓撲是比較常見的結構，總結后得出如下結論：雖然SCDSM結構較復雜，其構成的MMC具有較佳的輸出效率；綜合考慮制造成本和控制實現的難易程度，FBSM和SBSM具有相對較好的推廣前景；FBSM、SBSM、SCDSM具有較強的抑制短路電流能力，其可靠性更強，具有更好的研究前景。

2.2 MMC系統級拓撲

傳統的MMC系統都采用了一種類型的子模塊，目前涌現了很多含有不同類型子模塊的混合型MMC。

公開號為CN103633871A的專利申請公開了一種混合型MMC，其采用HBSM和FBSM混合級聯，該拓撲不僅利用了FBSM具有輸出電平數量和故障電流對稱阻斷能力的優點，而且優化了MMC的系統復雜性，在對HBSM的電容電壓進行排序算法時，計算耗時更少效率更高，模塊投入速度加快，能降低電容電壓波動，使輸出量的諧波含量較少。

公開號為CN105553314A的專利申請公開了一種基于三電平子模塊和兩電平子模塊的混合型MMC，其采用NPCSM和HBSM混合級聯，該拓撲相對于傳統MMC能顯著降低電容電壓波動總量，并且能降低電容容量，提高功率密度，降低換流器成本，尤其適用于電機驅動，可顯著降低電機工作電壓和工作頻率范圍內電容電壓波動。

還有很多專利申請公開了含有其他類型子模塊的混合型MMC結構，這里不再一一列舉。在實際應用中，設計混合型MMC，要兼顧系統的可靠性和控制系統復雜性。

3 總結和展望

本文通過專利申請著重分析了現有的MMC基本子模塊拓撲和系統拓撲，能夠使讀者快速了解MMC當前的發展現狀和不同拓撲的優缺點，同時，也值得注意，混合型MMC拓撲中各橋臂包含有不同的子模塊，其充放電時間不完全相同，因此需要重新設計子模塊電容電壓波動抑制和平衡策略，在這方面亟待開展深入的研究。

參考文獻

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（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心）