第一章绪论
管耐压的限制，真正实际应用的只有三电平，并且只是在中低压领域。
在特高压输电领域，传统的两电平VSC-HVDC系统大多采用晶闸管、GTO等器 件，半导体器件的串联均压及同时触发是一个技术难题。而且为了降低网侧谐波，需 要加装滤波器。所以采用多电平、模块化设计变流器是目前主要研究方向。
模块化多电平变流器(MMC)最早是在2001年R.Marquardt发表的一篇专利中被 提出m。由于其具备级联式变流器的特点，容易实现多电平数目和模块化设计，并能 实现直流侧的背靠背连接，是一种十分适用于VSC、HVDC的多电平拓扑结构，在 国内外引起了相当高的重视。但是MMC变流器的技术出现较晚，目前在国内外均缺 乏实际的应用和研究。
相桥臂
图1-1 MMC单相拓扑结构图
如图1-1所示为单相MMC拓扑结构图与子模块结构图。单相桥臂由子模块串联 级联构成，每个桥臂上有一个限流电抗器。子模块仅有两个IGBT和一个电容构成。 模块化多电平变流器主要有以下优点： (1)
模块化设计：每个子模块仅由一个电容和两个开关器件组成，有利于实现标准
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化生产，易于维护，而且减小了生产周期。
(2) 级联式结构：通过子模块的级联可以得到任意电压等级和功率等级，用低压器 件实现了
高压输出，提高了变流器的电压和功率等级。而且在系统运行过程中 对IGBT等半导体器件参数变化不敏感。
(3) 较低的输出谐波：由于级联子模块比较多，输出电f跳变比较低，可以在输出 侧得到近
似正弦的电压波形，不需要在交流输出侧加装滤波设备。
(4) 较低的开关频率，降低了开关损耗：由于级联的子模块比较多，输出电压在某 一电平时，
可选的子模块组合数目比较多，这样降低了每一个模块中IGBT的开 关次数。在直流输电系统中，与两电平或三电平拓扑结构相比，单个器件开关 频率可以降低十倍。而且使得各个模块电压均衡，有利于分散模块的能量。
在MMC拓扑结构中，电量分散存储在每个子模块的电容中，因此电容存储的电 量大小按照需要可以独立选择，这样可以有几个好处。 (1) 不平衡运行：
由于MMC结构在直流母线部分不需要电容，所以其每一相能够独立的运行而不 会对其他相产生纹波干扰。理论上来说，各个子模块的电容电压可以独立配置， 这样在三相输出不平衡的时候，也能够正常运行。 (2) 提高容错能力：
根据输出电压等级，每个桥臂上存在若干冗余模块，如果某一相桥臂中的某个模 块出现故障，则通过一个高速开关将该模块从桥臂中切除，以保证系统能够连续 稳定的运行。由于各个模块电容的存储电量比较高，可以保证在交流侧电网出现 故障的时候，直流电压还能够保持稳定的状态，同时加入一些控制策略，使得容 错能力大大提高。结构设计上紧凑合理，有利于减小尖峰电流产生的电磁应力。 (3) 减小电压跳变：
当模块之间进行切换时，不同的模块之间电压差较小，从而使电压跳变比较小， 减小了输出谐波。
当然模块化多电平变流器也存在着一些问题，比如由于电容串联在主回路中，电 容一直处于充放电状态，电压存在着很大的波动，需要进行实时控制。这就需要实时 采集每一个子模块的电容电压，当串联子模块数量比较大时，主控制器与逆变器之间
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第草绪论
的接口数量比较多，需要处理的数据虽比较人，向且对处理速度的要求比较严格。控 制系统勺主电路之间的延迟会对电荇电压的控制造成一定的影响，子模块两个幵关器 件之
N的死区会使输出波形产生谐波。这些都是需耍解决的问题。
1.2模块化多电平变流器的研究现状
1.2.1理论研究
叉于MMC在卨压大功率变流器中的各种应用文献在近些年大驗涌现，主要涉及 领域包括HVDC、FACTS以及大功率传动领域__，并目.已研制出2MW的样机
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, MMC
拓扑结构工作原理为通过在主回路中串入或旁路+模块而产生期窀输出的电卍 波形，合成某-电ffinj?供选择的子模块冗余度较大，能够降低付一了-模块的等效开关 频率，关于各种电压合成方法以及MMC工作原理在文献中都冇i羊细的介绍
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。
文献[11 ]详细介绍了几种载波控制方式在MMC中的应用，包括层叠载波法PD、 反相层叠载波法POD、交替反相层叠法APOD、锯闪波载波移相saw-tooth法和移相 栽波法PS。文章通过对各种控制方式的比较，发现采用移相载波法的输出电压谐波 域
小，载波层叠法的谐波最大。
1，移相ft波
”鼸糲 < ■ ISfSI
5 ■ If
6
幽交替及相
波 7 ■反相 6 _ 1金蒙波
图1-2 MMC采用各种载波法调制输出电iii谐波
图1-2为文献[11]中通过仿真得到的各谐波阶次，图中可以看出，移相载波调制 法谐波最小，移相锯齿波调制次之。采用层叠载波调制方法，谐波较大，而利用改进 的层叠载波方法，通过每个载波周期，载波信号层次旋转一次，使得各个电容电丨玉相
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互f衡，谐波大大减小。在MMC中还可以将各个电容电压进行排序后进行脉冲信号 分配，也起到了平衡电容电压的作用。
文献[12] [13] [14] [15] [16]中利用载波方式提出了几种控制策略，并分别对几种 控制进行了仿真分析，通过对每个子模块电容电压和每一桥臂电容电压与期望值的差 值进行反馈控制，控制系统环流，调整正弦调制波，来对脉冲进行控制和分配。文献 [17]着重介绍了利用开环控制的MMC在高性能电机中的应用，由于输出谐波较低， 所以不需要降额使用。文中重点研究电机电流控制器和变流器控制之间的关系，采集 输出电流来构成闭环控制系统，不需要釆集大量电压信号，在该控制策略下系统对负 载变动响应较快，动态性能比较好。
文献[35]从信号采集系统和执行机构延时对系统响应速度的影响角度来论述^通 过分析表明，MMC中的线电流、相电流和直流环节电流为状态空间变量，基于此建 立了系统的五阶状态空间模型，并分别建立了考虑执行机构延迟和传感器延迟的离散 域时间模型，并设计了系统观测器和电流控制器。如图所示。文章还将该模型应用于 一套400MVA系统上进行实验验证，试验结果表明，采用观测器和优化的控制系统 补偿了系统采样延迟所造成的影响，阶跃响应结果达到了预期值。
图1-3加入传感器延迟和观测器的MMC状态空间模型 文献[38]描述了时
域中的MMC变流器系统，建立了线性时变（LTV)模型。通 过该模型，得到了系统稳定运行状态。不同的运行点与MMC的参数设计密切相关， 研究了在桥臂电流中加入二次谐波优化后的性能优化以及不同电感下的运行状况，通 过LTV模型得到了优化的不同电流下的运行点。根据开关状态和电流方向，并利用 PLECS软件得到了器件的结温变化曲线图，由于结果是根据实际运行状况得到，所
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以该结论可以用来计算器件开关损耗。
文献[18] [19] [20]通过建立系统的数学模型，提出了一种新型的PWM控制策 略，它是利用线电压合成原则，利用面积等效的原则来合成PWM。并且通过在参考 电压中加入三次谐波，有效消除了输出电压的三次谐波，输出相角可控。文中给出了 电容电压排序的均压算法，通过将电容电压大小排序，并且根据电流流入桥臂和流出 桥臂方向不同，选择性开通或关断子模块，实现了子模块电容电压均衡。
文献[21][22]主要研究了5￥?_方法在141^(：中的应用，该控制策略基于〇^ 坐标变换，将三相交流变换为两相正交空间，同时控制三相输出电压和直流母线电压, 通过对有功和无功的控制，实现系统功率控制。该方法还可以有效控制共模电压。文 中还介绍了对MMC预充电的策略，该预充电采用将充电电源串联在主回路里，选择 性开通某一子模块，实现对该子模块的预充电。
文献[23]介绍了基于星型斩波单元的MMC在STATCOM中的应用，分析了系统 有功和无功的控制方法，由于MMC输出电压跳变较小，所以在负载变化的时候，输 出过压过流可能性较小。
文献[24]和[25]重点介绍了 MMC在轻型直流输电中的应用，文献[24]介绍了子 模块与
MMC拓扑及相应工作原理，针对此新型变流器拓扑结构，结合高压直流输电 领域，提出了
一种基于幂和理论的改进型多电平基频开关调制策略，与通常策略所使 用的数字迭代技术，如“牛顿-拉夫逊”法相比，显著简化运算、降低计算量，且能 求出开关角的所有解；文献[25]从换流臂桥臂功率脉动与能量脉动的角度，结合子模 块电压纹波系数，对其子模块电容参数进行了合理设计。针对子模块电容电压均衡问 题，提出了一种切实可行的均压策略，有效保证了子模块电容电压处在相同的等级范 围，同时给出了一种简单有效的子模块电容预充电策略。
文献[37]从通用多电平逆变器角度，论述了 MMC的起源，并且提出了一种改进 的MMC拓扑结构，该结构比常见的MMC拓扑结构多了一个中间模块，由于这种拓 扑结构的新颖性，该结构的调制与控制策略也一并进行了介绍。Dr. FangZheng Peng 在综合了多种箝位型多电平电路的特性后，在2000年的IAS年会上提出了一种通用 型的多电平拓扑结构，如图l_4a所示，其余所有的拓扑结构，如二极管箝位型、电 容箝位型等都可以由这种通用型结构延伸而来。它不需要借助附加的电路来抑制直流 侧电容的电压偏移问题，从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平结构。
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