模块化多电平变换器关键问题研究综述

魏晨华 ， 杨 岩 ， 谢 阳 ， 卫 超

（1.西北工业大学 航海学院，陕西 西安 710072；2.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065）

随着电力电子技术的快速发展，传统多电平电压源型变换器（voltage source converter，VSC）在可再生能源并网、城市电网供电、电机传动等工业领域[1]都发挥着积极的作用，并在这些年取得了很大进展。但在许多高压大功率应用领域，传统的多电平电压源型变换器拓扑结构已经无法满足更高的电压和功率等级的要求。当前，比较常见的电压型多电平变换器拓扑可以分为中点钳位型和单元级联型两大类。中点钳位型随着电平数的增加，其所需的电子器件数量也会急剧增加，从而使得成本快速升高，令其在工程实践中有一定的限制。相比于钳位型多电平变换器，级联型多电平变换器无需大量的钳位器件，模块化结构设计方便系统扩容和引入冗余控制模式，直流电容电压易于实现软件均压控制。然而，由于其没有公共的直流母线，在遇到需要有功能量处理的场合，其各单元分别需要独立的直流供电电源，需要多绕组隔离变压器进行整流，从而使得系统的复杂程度和成本极大的升高。其次，级联型结构无法直接运用于高压直流输电等场合。

针对上述问题，德国学者Marquardt R.提出了模块组合多电平变换器（modular multilevel converter，MMC）的拓扑结构[2]。MMC不仅采用了模块化的结构设计，同时还拥有公共直流母线，从而可以直接运用于中高压大功率有功变换场合。MMC通过调整子模块串联个数来实现电压和功率等级的灵活变动，可以扩展到任意电平输出。相对于传统的多电平变换器，MMC结构有着明显较小的谐波含量以及电磁干扰。另外，由于能量分散地存放在桥臂各个子模块当中，系统故障穿越能力得到了提升。

综合以上论述，MMC型拓扑结构已经成为当前热点研究对象。本文在对MMC拓扑工作机理进行阐述的基础上，并对MMC的主电路参数设计、系统建模、直流电压控制技术以及脉冲调制技术进行分析和总结。最后，对MMC的应用前景和发展趋势做出展望。

1 MMC的拓扑和工作原理及特点

1.1 MMC的拓扑结构

图1（a）为模块化多电平换流器拓扑结构示意图。换流器由多个桥臂组成，每一相的上下两个桥臂构成一个相单元，每个桥臂由n个模块和一个电抗器La串联而成。每个子模块包含两个IGBT和两个续流二极管以及一个储能电容。由图1（b）可知，当T1开通T2关断的时候，子模块电容被接入桥臂，此状态称为投入。当T2开通T1关断的时候，子模块电容从桥臂中切除，子模块输出电压为零，此状态称为切除。当T1与T2均关断的时候，子模块进入闭锁状态，此状态主要出现在子模块充电或是故障时，在正常工作时不会出现此状态。

图1 MMC基本结构图Fig.1 Basic structure of MMC

1.2 MMC相对于传统换流器的技术优势

MMC结构在运用于高压大功率场合具有明显的技术优势，主要体现在以下方面：

1）高度模块化的拓扑结构。MMC主电路和控制电路均采用模块化结构设计，通过调节子模块数量，可灵活调整MMC系统电压和功率等级，便于系统扩容，且缩短设计周期。

2）易于冗余设计。MMC的结构特点决定了其系统拥有多种开关组合，易于冗余工作设计。

3）可替代性强。MMC的单元模块采用容量相同的储能电容和开关器件，当单元模块遇到故障时，具有很强的可替代性，便于系统更换维护。

4）具有公共直流母线。MMC无需进行直流侧滤波，可避免直流侧短路引起的浪涌电流及系统机械破坏的风险，不仅提高了系统可靠性，而且降低了系统成本[2]。另外，公共直流母线的存在使得MMC可以工作在背靠背系统中。

5）模块电容电压易于均衡。在三相对称的稳态和动态工况下，由于MMC换流器6个桥臂的结构和状态相一致，所有桥臂都符合能量自然平衡的规律。因此，只需控制好桥臂内部的电容电压平衡，各个桥臂之间无需附加平衡控制，从而使得均压控制得到了简化，降低了系统成本。

6）具有较低的谐波含量和电磁干扰。由于MMC的等效开关频率较高，使其具有较低的谐波含量和电磁干扰，电路中仅需很小的滤波电感，有助于简化主电路器件，降低系统运行成本。

7）故障穿越能力强。由于MMC模块单元直流储能量大，当网侧发生故障时，功率单元不会放电，直流母线电压仍然平稳运行，因而具有很强的故障穿越能力。

8）开关损耗小。MMC实际开关频率较低，故开关损耗小。

9）逻辑器件少。相对于传统多电平换流器，在相同电平数情况下，MMC具有逻辑器件较少的特点，在很大程度上降低了系统成本，且有较高的可靠性。

综合上述优点，MMC在高压直流输电、中高压电机传动、电能质量治理等中高压大功率领域具有广泛的应用前景。

2 MMC关键技术问题的研究分析

2.1 MMC的主电路建模研究

如图1所示，由于3个相单元的对称性，直流电流在3个相单元内均分，即流过每个相单元的电流为Idc/3；又由于上、下桥臂的对称性，交流相电流在上、下桥臂内均匀分配，即流过每个桥臂的交流电流为相电流的一半。则a相上、下桥臂中的电流为：

稳态条件下，直流电流在换流电抗上造成的电压降为0，因此换流电抗无法提供直流电压支撑，换流器的直流电压Udc是子模块中的电容来提供的。由此得到：

ap点的电压为:

联立（3）（4）两式可得：

根据电路结构的对称性，总有功功率和无功功率由上、下两个换流器（MMC拓扑实际上是上、下两个完全相同的半桥级联型换流器构成的）平均分担。MMC的运行特点决定ap与an点、bp点与bn点、cp点与 cn点分别是3对等电位点。

文献[3]提出MMC的每一个桥臂都可以等效为一个受控电压源 Uki（k=a、b、c 分别代表 abc 三相，i=1、2 分别代表上下桥臂）。将上、下桥臂的换流电抗看成并联关系。将两个换流电抗合并成一个电抗值等于原来电抗值一半的电抗后，主电路结构得到了极大的简化，从而有利于控制系统的设计。但这种等效模型是一种理想的上下桥臂完全对称的情况，实际电路中，交流电网能量很难平衡，所以这种等效电路模型是用于MMC建模和控制的一种虚拟的理论模型。文献[4]建立了电磁暂态数学模型，分别对MMC交、直流侧进行了模型分析，指出直流侧电压的动态特性与各子模块电容电压、桥臂电流以及直流电流等因素相关。此模型的建立对研究MMC子模块电容均压起到了重要的指导作用。文献[5]建立了开关函数模型，结合瞬时功率分析，又进一步建立了MMC的时域解析模型，最后对建立的模型进行了仿真验证。文献[6]对MMC的状态空间数学建模进行了分析，并设计了相应了控制系统。

2.2 MMC的主电路参数设计

MMC的主电路参数设计包括桥臂电感和功率单元电容参数的设计。主电路参数的合理选择，直接影响到MMC电路的稳态、动态响应特性。文献[7]借鉴了实际工程中抑制电容电压波动的电容值设计思路，根据一个周期内充放电能量关系，推出了满足试验能力要求的电容值表达式：

试中k为回路电流比例系数，ε为电压纹波率，Pdc为电路传递的直流功率，子模块电容额定直流电压U01。文献[8]通过对MMC的内部环流分析，由环流峰值反推出了MMC桥臂电感值：

但这种方法忽略了直流分量和高阶分量，桥臂电感值的精确度受到影响。

近些年，关于直流电容参数选取的研究相对较多。文献[2]通过分析桥臂能量脉动，结合子模块电压纹波系数ε（0＜ε＜0.5），给出了直流电容参数表达式：

文献[7]借鉴了实际工程中抑制电容电压波动的电容值设计思路，根据充电功率引起子模块电容电压脉动，得出子模块电容电压时域解析表达式，子模块电容电压中除了含有恒定的直流分量外，还包括幅值与电容值成反比的基频和2倍频波动量，但忽略了直流电容电压脉动与MMC系统运行状态的关系。

2.3 MMC的调制策略

调制策略作为影响多电平变换器输出性能的关键技术，已经受到了国内外学者的广泛研究。对于调制算法优劣性的判断标准为变换器输出电压形式逼近参考调制电压的程度，并重点表现在输出电压的谐波含量以及总谐波畸变率THD（total harmonic distortion）上。多电平调制技术包括：阶梯波调制技术、最近电平逼近（nearest level control，NLC）技术、空间矢量脉宽调制 （space vector pulse width modulation，SVPWM）技术、脉宽调制（pulse width modulation，PWM）技术等。

阶梯波调制技术就是通过阶梯波的叠加来逼近正弦波，其实质就是对参考电压量化逼近的过程。但因阶梯波实质上是逼近正弦波，因而在电平数较低时，会带来大量的谐波分量，相对来说更适用于电平数较多的系统中。文献[9]提出的最近电平逼近调制技术实质上属于阶梯波调制的范畴，它是将上、下桥臂调制电压参考值分别除以单个子模块电容电压，然后最近取整作为最终投入的子模块个数，并对相应的子模块触发序列脉冲。因其控制周期较短，因而具有较高的实时性。相对来说更适合运用于电平数较多的系统中。此方法的优点是有较好的调制波跟随性能和较小的谐波含量。不足在于输出电压依靠直流总线电压或移相角来调节，以至动态调节困难，NLC技术还会导致各个模块输出功率不均衡，并产生严重的环流问题。文献[10]对MMC可以使用的几种调制策略进行了比较，当MMC用于高压大功率场合时，最近电平逼近技术有着优于其他调制策略的特点（如：开关损耗小、谐波含量低、总谐波畸变率低）。

多电平空间矢量脉宽调制技术是从两电平空间矢量脉宽调制技术的基础上拓展而来的。由于其电压空间矢量数与输出电平数呈立方增长关系，所以当SVPWM技术运用于更高电平数的系统时，控制算法将会变得非常复杂。文献[11]通过比较SVPWM算法与SPWM算法在电平数较低的情况下（不超过3电平），证明了SVPWM算法使得直流电压利用率相对SPWM算法提高了1.15倍；相比于SPWM算法，SVPWM算法更易于数字电路的实现；SVPWM算法下系统的调制度饱和区加大，使得系统可靠性提高；SVPWM算法有着比SPWM算法更低的总谐波畸变率和更少的谐波含量。文献[12]分析一种适用于MMC的多电平空间矢量分解方法。所需要的参考电压分解为前置矢量和两电平基本矢量，因而MMC多电平空间矢量可立即转化为两电平空间矢量算法，该方法不仅简化了运算，并且可以扩展到任意电平数的MMC系统中。由于空间矢量算法具有高冗余度，为空间矢量分解的选择也带来了方便。以上的方法虽然会简化运算，但其运算会过多的占用DSP芯片资源。同时，参考矢量的分解也会带来一定的谐波，而且过多的矢量分解会带来过高的开关损耗。

脉宽调制技术主要是由载波层叠 （Carrier Disposition PWM，CD-PWM）脉宽调制技术和载波移相 （Carrier Phaseshifted SPWM，CPS-SPWM）脉宽调制技术组成的。将载波层叠调制技术运用到MMC系统时，由于其具有较高的开关频率和开关损耗，以及开关频率不同而导致的较高的谐波含量，因此，CD-PWM方法不适用于MMC系统。文献[13]通过对比不同载波调制技术下MMC的输出特性，得出载波移相脉宽调制技术因其各功率单元具有相同的开关频率，更小的谐波含量，且有利于电容电压的均衡，更适合运用于MMC系统。文献[14]采用载波移相脉宽调制技术，在较低的开关频率下实现了较高的等效开关频率，因此开关损耗小，谐波含量少。

当电平数很高时，PWM算法的简单性、快速性以及尽量占用较少的硬件资源成为主要因素。文献[6]通过三相输出电压参考值得到其中一相上桥臂开关状态平均值，根据伏秒等效原则，得出了开关状态函数，并通过抹去最小脉冲和反转模块开关状态实现了降低开关频率。

2.4 MMC的子模块电容均压策略

影响模块化多电平换流器性能优劣的一个重要因素是保持子模块电容电压的均衡，使得各功率开关器件承受相同的电压应力，以及各模块电容电压处在一个相同的电压水平。目前，大多数均压策略是通过自身平衡控制算法来实现，也有一小部分是通过外部平衡控制电路来实现。虽然外部平衡控制电路的方法能够大大简化控制的算法设计，但新增加的外部电路无疑会增大系统成本，并且降低了系统可靠性。通过自身平衡控制控制算法实现均压的方法经济性和可靠性则更强，问题在于如何实现系统中有功、无功能量的交换。

传统电容电压平衡控制方法的目标在于控制各子模块电容电压之间的差值。实现步骤如下：

1）通过检测装置测得桥臂中各个子模块的电容电压值。

2）检测流过桥臂的电流方向，以判断投入子模块的充放电情况。

3）控制器对子模块的电容电压值进行排序。当对投入子模块进行充电时，则将电容电压值较低的子模块投入，并将电压值较高的子模块切除。当对投入子模块进行放电时，则相反。

传统方法虽然能将各子模块电容电压的差值控制在一定范围内，但由每次排序结果的微小变化，各子模块的触发脉冲也要重新调整。导致了开关器件不必要的投切动作，增大了开关频率，使得开关损耗较高。据此，国内外学者广泛地提出了新的电容均压策略，以解决电容均压与开关损耗之间的矛盾。实际上，平衡控制的目标并不是仅追求各个子模块电容电压的差值范围，而是抑制各子模块电容电压相对其额定值的波动幅度。文献[15]提出了一种电容电压的优化平衡控制策略，在电容电压的额定值附近设定一组电压上、下限，并且引入保持因子的概念。从仿真结果中可看出，电容电压上、下限的间隔增大，开关器件的通断频率略有下降，而子模块电容电压波动幅度略有增大，其对系统性能的影响不明显。保持因子的细微变化便可导致开关器件的平均开关频率显著降低，随着保持因子的进一步增大，电容电压的波动幅度也会随之变大。此方法可在增加很小的电容电压波动的前提下，显著降低开关器件的通断频率。但只列出两组相近的电压上、下限进行仿真对比，并不能完全客观地说明其对系统性能的影响。其次，对于保持因子的取值范围，文章也没有明确指示。文献[16]在采用NLC调制策略的基础上，对子模块电容电压进行排序，根据桥臂电流方向直接选择相应的子模块进行触发的传统均压方法进行了改进。提出了子模块间最大电压偏差为判断依据的优化电压均衡控制方法，很大程度的减小了开关器件的通断频率，从而减小了换流器的开关损耗，但却忽略了各子模块电容电压相对其额定值的波动幅度。

针对一般电容均压策略开关频率过高的问题，结合CPS-SPWM调制策略，文献[17]提出了一种提前设定好子模块的开关频率，再根据调制波的变化来决定子模块的触发状态，从而调节充放电时间，以实现各桥臂电容电压均衡的目的。此文与以往方法（将直流侧电压设为定值）的最大区别在于考虑到直流侧电压变化的影响，具有良好的有功功率及无功功率传输性能。文献[18]提出了一种子模块间电容均压控制、电容稳压控制以及上、下桥臂间平衡控制的三闭环控制系统，通过PI调节后实现水平方向（不同桥臂间）的平均电压控制和竖直方向（同一桥臂内不同子模块电容）的电容均压控制。此方法无需对子模块电容电压进行实时排序，但由于引入大量的PI环节，极大地增加了系统的复杂性。文献[19]提出了一种电容电压附加平衡控制策略，其实质是通过调节能量在桥臂内部的分布来达到各子模块电容电压的均衡。此方法最大的优点是只需对各桥臂内部进行电压均衡控制，无需对桥臂间做电压平均控制，但一定要满足桥臂内所有子模块参考电压之和等于桥臂参考电压的N倍这一前提条件。

综上所述，基于自身平衡控制算法均压策略主要分两种：

1）子模块电容电压排序的方法。

2）通过闭环控制回路的均压方法。

采用电压排序法时功率器件的频繁投切势必增大了开关损耗，降低了系统效率。当采取闭环控制回路的方法又增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性。所以，采取何种均压策略还需根据工程实践的要求而定。

3 MMC的研究前景

到目前为止，对于MMC型换流器的研究已经有了大量的理论成果，但要在工程实践中实现这些理论成果还存在着很多问题。MMC换流器中关于环流抑制、故障穿越、电能质量治理等理论分析也亟待展开深入的研究。

1）MMC的数学建模：数学模型的建立对研究系统特性、主电路参数设计、控制器设计以及子模块电容均压等问题具有重要的理论指导意义。目前，绝大多数参考文献的建模工作均是假定MMC各功率单元特性一致的理想状态，这无法运用于分析MMC非对称运行工作状况下。实际电路中，储能器件数量庞大，各种数学模型的建立还需深入研究。

2）MMC的参数设计：电容值、电感值是决定换流器总成本、占地面积大小的重要因素之一，电容、电感参数设计的合理性将直接影响系统的经济性，因此需对参数设计做更多的研究工作。

3）MMC的调制策略：对于电平数比较低的应用场合，MMC的调制策略研究已经日趋成熟。但随着电平数的增加，MMC的脉宽调制技术和控制系统将会变得更加复杂，针对大功率应用场合中对开关损耗、输出波形质量等指标要求，提出更为高效的调制策略仍是MMC理论研究的重点问题。

4）MMC的子模块电容均压问题：子模块电容电压的均衡控制与换流器开关器件的通断损耗是一对无法避免的矛盾，如何合理实现电压均衡和较低的能量损耗，是未来展开一系列均压问题研究的理论前提。

4 结束语

本文从MMC换流器的拓扑结构入手，分析了MMC的工作原理及工作特性，并从数学建模、参数设计、调制策略、均压问题这几个方面对当前理论研究做了分析和总结。最后，对MMC的研究前景进行了展望。

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