模塊化多電平變換器在高壓直流輸電系統中的應用研究

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，成為實現高效電能傳輸的關鍵設備。通過分析MMC 的拓撲結構、工作原理，以及在高壓直流輸電系統中的應用，探討了電壓平衡控制技術、多電平脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）技術、電流環內控制技術和冗余模塊切換技術對系統運行穩定性、動態響應性能和故障容忍度的提升作用，并深入研究這些技術在高壓直流輸電系統中的應用效果，為構建高效、可靠的現代電力傳輸系統提供技術支持。

關鍵詞：模塊化多電平變換器；高壓直流輸電系統；應用研究

中圖分類號：TM46；TM721.1 文獻標識碼：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的核心設備，是一種新型的多電平脈沖寬度調制（pulse widthmodulation，PWM）變換器，具有無須依賴工頻變壓器即可實現高壓直流電與中壓/ 高壓交流電之間能量變換和電壓調節的能力。MMC 憑借其模塊化架構，在提供高電壓耐受能力和低諧波輸出的同時，提升了電網系統的動態響應水平。本文詳細探討了MMC 的拓撲結構、工作原理，以及在高壓直流輸電系統中的應用，分析了電壓平衡控制技術、多電平PWM 技術、電流環內控制技術以及冗余模塊切換技術等如何有效提高系統的運行穩定性和容錯能力，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構

MMC 是一種基于模塊化拓撲結構的電力電子變換器，通過多個子模塊的串聯與并聯實現多電平輸出，以滿足高壓直流輸電系統中的電壓調節與諧波抑制需求[1]。圖1 為三相六橋臂MMC 電路拓撲結構，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。

該拓撲結構包含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電壓的逐級輸出，以滿足高壓直流輸電系統的需求。在每個橋臂中，子模塊從SM1 至SMn 按順序串聯。每個子模塊由功率開關管、續流二極管和儲能電容構成[2]，負責調節并穩定輸出電壓波形，使其達到預期的電能質量要求。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的影響。整個結構的直流側由輸出直流電壓Udc 貫穿，以保持直流母線電壓的穩定性，從而保障電力系統能夠高效、安全地傳輸電能，實現低損耗、高質量的電力供應。

2 模塊化多電平變換器的工作原理

MMC 通過子模塊的串聯實現多級輸出電平，使高壓直流輸電系統實現高效能量傳輸。常用的子模塊電路結構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 的開關狀態來完成電平調制。當VT1 導通時，儲能電容為負載提供電壓，輸出一個電平；當VT1 和VT2 同時導通時，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，半橋型子模塊實現了單極性的電平輸出。

全橋型子模塊由4 個功率開關管（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VT1 和VT4 導通且VT2 和VT3關閉時，儲能電容輸出正電平；當VT2 和VT3 導通且VT1 和VT4 關閉時，儲能電容輸出負電平；當VT1 與VT2 或VT3 與VT4 同時導通時，儲能電容輸出零電平。這種多狀態的調制方式使得全橋型子模塊能夠在MMC 中實現更豐富的電平輸出。

3 模塊化多電平變換器在高壓直流輸電系統中的應用

3.1 電壓平衡控制技術

MMC 由大量子模塊串聯組成，工作時各子模塊電容電壓會隨電流波動而變化，導致電壓不均。電壓平衡控制技術是保證MMC 系統中各子模塊電容電壓均衡的關鍵技術，它通過調節各子模塊的電容電壓，實現電壓的動態平衡。該技術根據橋臂需要的子模塊數量n 和電流方向來判斷電流為正或負的兩種工作情況[3]。①當電流為正時，系統首先檢查前一時刻子模塊的狀態并執行相應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，則調整保持因子Hb ＜ 1 以降低電壓偏差；若未超限，則保持當前狀態穩定。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，以實現對電壓的精確控制。其中，m 是根據電容電壓排序后選擇參與充電的子模塊數量。②當電流為負時，系統同樣首先檢查前一時刻子模塊的狀態并執行相應的投入或切除操作。其次，判斷子模塊電容電壓是否低于下限，若低于下限，則調整保持因子Hb ＞ 1 以提升電壓；若不低于下限，則保持當前狀態穩定。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' 是根據電容電壓排序后選擇參與放電的子模塊數量。根據這種雙向的動態電壓控制，MMC 能夠在高壓直流輸電系統中實現對電壓的精確調節，確保系統在高電壓、大功率條件下的穩定運行。

3.2 多電平PWM 技術

多電平PWM 技術是實現MMC 多級電壓輸出的核心技術，它通過比較多重載波與參考信號來控制功率開關的狀態，優化電壓波形并降低諧波輸出。多電平PWM 技術原理如圖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輸出電壓的理想波形，載波信號用于觸發各個功率模塊的開關狀態。其次，將正弦參考信號與載波信號進行比較，當us ＞ uc1 時，模塊開關狀態S1 被置為導通，同時輸出一個特定電平；當uc2 ＜ us ＜ uc1 時，模塊開關狀態S2 被置為導通，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S1、S2、S3 和S4 等功率開關模塊的開關狀態，進而產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，根據高壓直流輸電系統對諧波抑制和電壓利用的要求，調整載波的相位關系，以實現載波移相脈寬調制（carrier wave phase-shift pulse width modulation，CPS-PWM）效果，使各模塊間的開關頻率在時間上錯開，避免同時開關，減少總諧波失真。最后，基于各模塊的開關動作，輸出端在不同時間段內生成Udc/2、0 和-Udc/2 等多級電壓，實現多電平輸出。此過程通過多電平PWM 調制策略的精確控制，確保了MMC 在高壓直流輸電系統中以低諧波、低損耗和高效率的方式穩定運行。

3.3 電流環內控制技術

在MMC 的控制體系中，電流環內控制采用比例積分（proportional integral，PI）控制器和預測控制算法，通過實時調節各子模塊的輸出電流，實現對系統電流的閉環控制。其核心目的是確保MMC輸出電流能夠精確跟隨預設的目標電流（指令電流），從而減少電流波動對系統的影響，提升系統的動態響應性能。在dq 坐標系下，電流環內控制通過對d 軸和q 軸電流進行解耦，實現獨立的電流調節，有效抑制了交叉耦合干擾，確保了電流控制的穩定性。在此過程中，將PI 控制器的比例增益Kp 設置為0.8 ～ 1.2，將積分增益Ki 設置為50 ～ 100，以優化電流響應速度，使實際電流能夠精確跟隨指令電流，達到電流控制目標。為進一步抑制諧波分量引起的電流失真，電流環內控制結合諧波抑制策略，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，以減少電流諧波在MMC 中的傳導。同時，在負載突變或故障情況下，將控制周期設置為0.1 ms，確保快速的電流跟蹤響應并維持系統的穩定性。在高壓直流輸電系統中，電流環內控制需與外環電壓控制相結合，形成雙環控制結構，將外環電壓控制的控制周期設置為0.5 ms，以實現功率傳輸的精確調節。

3.4 冗余模塊切換技術

在高壓直流輸電系統中，為滿足電力系統對高電壓和高穩定性的要求，MMC 由多個子模塊組成以實現穩定的多電平輸出。為提升MMC 在故障狀態下的可靠性，利用冗余模塊切換技術，確保在子模塊故障時，備用模塊能夠及時接替并維持系統穩定運行。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據，以識別異常波動并診斷模塊狀態。系統的保護控制單元將采樣周期控制在1 ms 以內，以迅速識別并定位故障模塊。在故障確認后，系統進入隔離階段，采用絕緣柵雙極晶體管（insulate-gate bipolar transistor，IGBT）作為模塊的隔離開關，通過觸發開關指令隔離失效模塊，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時間為2 ms 的斷路器來實現對故障模塊的物理隔離。隔離完成后，系統進入冗余切換階段，通過觸發備用模塊的IGBT 開關將其并入主電路，完成與正常工作模塊的無縫銜接，并恢復系統電壓平衡。為確保切換過程的平穩性，系統還設計了冗余模塊的預充電控制策略：預先借助數字信號處理器（digital signal processor，DSP）實時監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 結語

綜上，MMC 在高壓直流輸電系統中具有重要的應用價值。其憑借模塊化拓撲結構實現多電平輸出，顯著提高了系統的電能傳輸效率。采用電壓平衡控制技術、多電平PWM 技術、電流環內控制技術等，優化了系統的動態響應性能，有效抑制了諧波分量和交叉耦合干擾。冗余模塊切換技術則進一步提升了系統的可靠性，確保在模塊失效的情況下系統仍能穩定運行。MMC 的應用為高壓直流輸電系統的高效、穩定發展提供了堅實的技術支撐。

參考文獻

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[4] 盧志財. 基于PLC 的模塊化多電平變換器變頻運行控制[J]. 巢湖學院學報，2023，25（6）：123-128.

[5] 張夢，彭學林，徐陽旭. 模塊化多電平變換器三相電網電壓不平衡控制策略研究[J]. 電工材料，2023（5）：84-88.