一种新型VSC—HVDC输电方式的研究

摘 要 本文介绍了模块化多电平换流器（MMC）的拓扑结构和工作原理，并对MMC可以使用的几种调制策略进行了比较，当MMC用于直流输电这样的高压大功率场合时，需要的电平数很多，而载波移相调制方法（CPS-SPWM）正适用于这类情况。提出了（CPS-SPWM）在MMC中的实现方法，给出了计算（CPS-SPWM）基波和各次谐波幅值的解析表达式。利用PSCAD/EMTDC下搭建的仿真系统对CPS-SPWM的基波和谐波特性进行了仿真。理论计算和仿真结果均表明使用CPS-SPWM策略的MMC在较大的工作范围内都具有很好的调制波跟踪能力和较低的谐波水平。

关键词 模块化多电平换流器 电压源换流器 高压直流输电 调制策略 载波移相调制 谐波 总谐波畸变率

一、模块化多电平换流器的结构和工作原理

（一）模块化多电平换流器的结构

模块化多电平换流器（MMC，即modular multil-evel converter）是由西门子公司首先提出的采用多个子模块串联的一种新型拓扑结构。每个子模块由一个IGBT的半桥和一个直流储能电容器组成。每个子模块都是一个两端器件，它可以同时在两种电流方向的情况下进行全模块电压和零模块电压之间切换。相比二电平拓扑，MMC技术具有明显优势：由于各子模块不需要同时导通，降低了桥臂电压变化率和电流变化率，使得开关器件承受的应力大为下降，同时输出电压的各次谐波含有率和总电压畸变率大大降低，从而可以减小甚至省去大容量的交流滤波器。其次，电抗器可以串联在上下桥臂间，使得直流侧短路时的故障电流上升率可以限制在很低的水平。最后，模块化的设计也使得容量升级更为容易。

目前工程上适用的VSC-HVDC均采用两电平电压源换流器和二极管箝位型三电平电压源换流器作为换流设备，采用开关管的串联来满足电网高电压和大功率的要求。需要体积庞大和笨重的滤波器等附属装置。[1，2]而多电平换流器输电MMC –HV DC能够有效地解决问题，但MMC-HVDC本身也存在缺陷，比如需要采用电容电压平衡策略。

（二）工作原理

每个桥臂由一个电抗器和n个子模块串联而成。每个子模块有工作投入、切除、闭锁3种开关状态。这样可以通过触发来控制子模块的输出电压。出于子模块设计和制造的目的，各子模块参数相同，且6个桥臂电抗值也相等。MMC正常工作有两个条件：第一，直流电压的维持，3个相单元中处于投入状态的子模块数都相当且不变；第二，三相交流电压的输出，就是通过对3个相单元上、下桥臂中处于投入状态的子模块数进行分配而实现对换流器输出电压的调节。

二、模块化多电平的控制系统

模块化多电平调制策略：

VSC-HVDC输电控制器根据设定的有功、无功功率和直流电压等指令得到调制波（工频正弦电压波）。MMC的调制策略就是如何通过投入、切除子模块来使MMC输出的交流电压逼近调制波。MMC调制策略可以分为以下几种调制方式：

第一，空间矢量脉宽调制策略SVPWM。文献提出了一种多电平空间矢量脉宽调制的参考电压的分解方法，可以将多电平的SVPWM算法问题简化成二电平的SVPWM算法问题。该算法简单、快速并且对任何电平数都通用。空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制具有数字简单快速的特点，但涉及电平数较多时，算法复杂度也随之增加。

第二，最近电平逼近法NLM。文献提出了用于MMC的最近电平逼近法（NLM），当MMC用于直流输电这样的高压大功率场合时，需要的电平数很多，而最近电平逼近调制正适用于这类情况。使用NLM策略的MMC在较大的工作范围内都具有很好的调制波跟踪能力和较低的谐波水平。最近电平逼近调制的原理是使用最近的电平瞬时逼近调制波，适用于电平数很多的场合。随着电平数的增多，最近电平逼近法更具有优势。

三、结语

本文介绍了MMC的拓扑结构和工作原理，比较了几种调制方法，并重点分析了CPS-SPWM这种方法，主要包括其基波和谐波特性的表达式，最终在PSCAD/EMTDC平台上对CPS-SPWM的两端MMC直流输电方式进行了仿真分析，给出了逆变器交流侧相电压、线电压和A相电压波形畸变率的波形图，仿真结果验证了载波移相调制策略的实用性和有效性。

（作者单位为嘉兴恒创电力设计研究院有限公司供配電服务分公司）

[作者简介：黄涛（1981—），男，浙江嘉兴人，本科，助理工程师。]

参考文献

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[5] 李金丰.电压源换流器高压直流输电控制策略及控制系统软件设计[D].华北电力大学，2004.

[6] 王长永，金陶涛，张仲超.基于CPS-SPWM技术的电流源有源滤波器的研究[J].电力系统自动化，2000（13）：11-14.

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