模块化多电平拓扑结构在统一潮流控制器中的应用

连天

（建德市供电局，浙江 建德 311600）

1 概述

近些年，在中高压领域得到广泛应用的模块化多电平（M M C）技术，因其采用了子模块（S M）级联的多电平拓扑结构，更能适应高电压、高功率要求而得到学界的关注。与两电平拓扑或者三电平的拓扑相比，M M C技术具有以下特点：首先在桥臂中直接串联的各子模块可处于任意的工作状态，这样可有效避免了动态均压问题。其次多电平的输出减少了输出电压的谐波含量使得输出电压波形质量有了较大的提高，并可以减小交流滤波器的容量。模块化的架构便于容量的拓展以及维护的灵活、方便，模块冗余的配置也极大的提高了系统运行的可靠性。

本文根据M M C技术在中高压电网中的具体应用，提出了基于模块化多电平技术的新型统一潮流控制器（M M C-U P F C）的拓扑结构，并结合传统载波移相技术，分析了M M C换流器的调制技术和子模块电容均压方法，提出了一种可极大减少开关动作次数的脉宽调制策略，具有一定的工程意义。

2 M M C-U P F C系统与拓扑结构

2.1 M M C-U P F C系统接线

M M C-U P F C系统接线如图1（a）所示。由两个通过公用直流母线连接的换流器组成，采用并联和串联方式接入系统。并联侧换流器1通过从系统吸收有功用以建立直流母线电压，并可向接入点插入幅值可调的无功电流，实现无功补偿，串联侧换流器2则通过耦合变压器向系统注入相位、幅值均可调节的电压，从而实现对线路潮流的调节。

图1

2.2 M M C-U P F C拓扑结构

M M C拓扑结构见图1（b）所示。换流器由上下各3个桥臂单元组成，分别构成了三相交流输出的控制桥臂，各桥臂由等量的子模块级联而成，同相的上下两个桥臂分别串联限流电抗器L 0而组成相单元，为了增加换流器工作的可靠性，在各桥臂分别设置了冗余子模块。

子模块由二只输出端均反相并联了二极管的绝缘栅双极型晶体管（I G B T）的半桥和一个直流储能电容C组成，控制其触发极S 1、S 2，便可控制子模块的工作状态,子模块可定义为三种基本工作状态：

（1）I G B T均关断的输出闭锁状态，正常情况下不会出现此状态；（2）仅有下I GB T触发导通的模块切除状态，子模块输出零电压；（3）仅有上I G B T触发导通的模块投入状态，子模块输出电容电压。

此外每个子模块还设置旁路开关S B，以实现在子模块故障时旁路开关动作隔离故障子模块的作用，避免子模块故障时影响换流器的正常工作。

2.3 M M C运行分析

如图2所示：Vdc、Idc分别表示直流母线电压和电流，Vj（j=a,b,c）、Ij（j=a,b,c）分别表示j相输出电压和输出电流，Vpj、Vnj分别表示各相上下桥臂的子模块电压，则对应的桥臂电流则可表示为：

上式中Izj表示j相桥臂的环流，（1）+（2）便可得出其与桥臂电流的关系为：

图2

由K V L定理，可得出以下关系：

上式中Vdiff_j为j相的不平衡电压。由（4）、（5）两式可以得出以下结论：

（a）j相交流输出电压只与该相上下桥臂模块电压以及桥臂电流有关；

（b）j相环流只与直流母线电压和该相上下桥臂模块电压有关；

阻塞网络的设计形式和数量应根据具体情况而定，阻塞网络中的电感、电容的选用与阻塞频率大小和频率的间隔有关，间隔越小，功率损耗就越大，对电感电容的耐压、功率要求就越大。常用的阻塞网络有先串联后并联网络和串联回路的并联谐振网络，整个阻塞网络最终的谐振点应与被阻塞的频率一致。

3 M M C电容均压方法和调制策略

3.1子模块电容均压策略

图4 MMC-UPFC动态特性

在任意时刻，M M C的桥臂所级联的各子模块工作状态是不相同的，且子模块的投切操作也是不同步的，因此会造成子模块电容电压的不均等现象，对M M C稳定运行不利。而子模块由于元件、工艺等原因，造成模块参数的离散，也会使得其电容电压不均等，则需要采取辅助的电容均压技术。目前模块均压一般可采用如下方法实现：

（1）实时监测各子模块电容电压值；

（2）实时监测各桥臂的电流方向，用以判定子模块充放电情况；

图3 MMC-UPFC调制及电容均压策略

（3）根据已确定的各桥臂子模块数、各子模块电容电压及桥臂电流来确定所需投入的子模块。当子模块充电时，将桥臂上子模块的电容电压由低到高排序，并投入相应的子模块数，使其电压升高；同理，当子模块放电时，将桥臂上子模块的电容电压由高到低排序，并投入相应的子模块数，使其电压降低。

3.2调制策略

载波移相技术（P S P WM）常用于级联型多电平换流器的控制中。本文根据P S P WM的优点，结合电容均压技术与脉宽调制技术，提出一种可以有效降低I GB T动作频率，并较为方便实现电容均压的控制策略，其控制框图见图3所示。

对于每个桥臂由N个子模块级联而成的换流器来说，参考信号分别与N个三角波比较，两个相邻模块的三角波相位差为3 6 0/N。如果在某控制时刻需要有N O N个子模块开通，传统载波移相技术，是根据该时刻桥臂电流的方向，将所有子模块的电容电压按一定条件重新排序，然后选择排序前N O N个子模块开通。本文提出的调制方法，称为R F-P S P WM，该方法在任何一个控制周期中，都无需将所有电容电压重新排序，而是取本控制周期中所需开通的子模块数与上一周期中已开通的子模块数之间的差值ΔN O N，来确定这一控制周期所需开通的子模块数，具体可描述为：若ΔN O N>0：说明需开通ΔN O N个已关断的子模块，若该控制时刻桥臂处于充电状态，则将桥臂上已关断的子模块的电容电压由低到高排序，将排序前ΔN O N个子模块开通。同理，若该控制时刻桥臂处于放电状态，则将桥臂上已关断的子模块的电容电压由高到低排序，将排序前ΔN O N个子模块开通。若ΔN O N<0：说明需关断ΔN O N个已开通的子模块，若该控制时刻桥臂处于充电状态，则将桥臂上的子模块按电容电压由低到高排序，将排序前ΔN O N个子模块关断。同理，若该控制时刻桥臂处于放电状态，则将桥臂上的子模块按电容电压由高到低排序，将排序前ΔN O N个子模块关断。

由上述可见，P F-P S P WM技术能大量减少子模块的频繁切投操作，从而有效减少I G B T的动作次数，减少开关损耗。

4 仿真验证

为仿真分析方便，设U P F C未投入时，两侧系统没有功率交换。由图4（a）（b）可见，在t=0.2 s和t=0.4 s时，系统有功功率发生变化，在t=0.6 s时，系统无功功率发生变化，说明U P F C可对线路P和Q进行独立调节。由图 4（c）（d）可见，U P F C在进行潮流调节时，直流母线电压和子模块电容电压均能够保持稳定。

结语

本文提出了M M C-U P F C的拓扑结构，并对M M C运行进行分析，提出了一种能有效降I G B T动作频率和保持子模块均压的调制策略，得到了良好的控制效果，并搭建了仿真模型对所提出的策略进行验证，证实了所述策略的正确性和可行性。

[1]连霄壤．基于模块化多电平的统一潮流控制器拓扑设计[J].机电工程，2012.

[2]Hagiwara,M.;Akagi,H.;,“Control and Experiment of Pulsewidth -Modulated Modular Multilevel Converters,”Power Electronics,IEEE Transactions on ,vol.24,no.7,pp.1737-1746,July 2009.

[3]ABB提供TZW50型空压机维护手册[Z].