模塊化多電平變換器的工作原理

劉振興

（云南機電職業技術學院，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 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流和降低因直流側母線發生故障產生的沖擊電流，提高系統的可靠性。

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，子模塊的工作狀態有三種: （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圖。

（1） 閉鎖狀態（非正常工作狀態）。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。可見，這種工作狀態下電容器只能被充電而不能放電，因此可用于系統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，否則將認為子模塊出現了故障。

（2） 投入模式狀態。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 子模塊工作狀態圖

投入模式狀態有以下特點: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。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。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的誤發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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