模块化多电平换流器拓扑综述

刘中芳

摘 要：模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）作为一种新型的高压大功率电能变换技术，已日益获得了各国研究人员的普遍关注。与传统两电平、三电平换流器相比，具有制造难度低、损耗小、阶跃电压小、波形质量高、结构模块化等优点。本文以专利申请为研究入口，分析了模块化多电平换流器（MMC）的专利申请概况，并对常见的模块化多电平换流器（MMC）子模块拓扑和模块化多电平换流器（MMC）的系统级拓扑进行了综述。

关键词：模块化多电平换流器；专利申请；拓扑；子模块

0 引言

和传统交流输配电技术相比，新型直流输配电技术以线路造价低、电能损失小、送电距离远、系统稳定性高等优势，在直流智能微网配电、交流电网的异步互联、风电场并网、海上平台供电和城市负荷中心供电等领域被广泛应用，成为未来电网发展的重要方向。

然而，当前直流输配电技术仍存在如下问题：（1）直流电网间缺乏统一的建设标准，不同输电工程采用不同的电压等级；（2）直流电网内，传统直流变换器拓扑难以满足高电压大功率的电压变换要求。为此，开展用于实现不同高压直流输电线路互联、可变换不同电压等级的高电压大容量直流变压器，是未来柔性直流输电技术的重要发展方向之一。

德国学者2001年提出了模块化多电平变换器（MMC）结构，其具有电压等级控制灵活、谐波含量少、开关损耗低等特点，因此受到了科研工作者的广泛关注，目前已经成为柔性直流输电系统换流站的首选拓扑。近年来，MMC的研究逐渐变得多元化，涌现出不少新型的MMC拓扑结构，因此本文以专利申请为入口，对MMC在拓扑方面近年来的研究进行梳理和分析，具有重要的理论价值和现实指导意义。

1 专利申请状况分析

1.1 申请量及申请人

针对MMC，作者在中英文专利库中对世界范围内的专利申请进行了检索。自2001年以来，有关MMC发明专利的申请量逐年上升，到2006～2007年有一个小高峰，在2009年有所下降，到了2014年又出现了一个最高值。其中，中国的申请量最大，其次是美国、韩国、日本、台湾、德国，中国和美国的申请量占到了总申请量的80%以上，中国的申请人中，国家电网的申请量遥遥领先。

2 相关的中国专利

2.1 MMC子模块拓扑

公开号为CN102739030A的专利申请公开了两种最为基本的MMC子模块结构，分别是半桥子模块HBSM和全桥子模块FBSM，HBSM是最早提出的、也是应用最广泛的子模块，上、下两个开关管互补导通，输出电压有电容电压和零两个电平，目前绝大部分已经建成的或者在建的基于MMC的直流输电工程均采用的是半桥子模块。但是半桥子模块不能通过阀控技术限制直流侧短路时的故障电流，因此全桥模块FBSM被提出。FBSM由4个IGBT和1个电容器构成，当系统发生短路故障闭锁后，FBSM具有故障电流的双向阻断能力。但从结构上看，FBSM所采用的开关器件数量是HBSM的2倍，将增加换流器的损耗和一次投资成本。

MMC由大量的子模块构成，子模块数越多，直流侧的电压可以越高，等效开关频率越高，交流侧输出电压的谐波含量越小，但是控制系统越复杂，控制成本越高，因此相关学者提出了一种折中的办法，将原来的子模块替换为传统的箝位型或者飞跨电容型三电平模块。公开号为CN105553314A的专利申请公开了中点箝位型子模块（neutral-point-clamped sub-module，NPCSM）、飞跨电容型子模块（flying-capacitor sub-module，FCSM）和T型多电平子模块（T-type multilevel sub-module，TMSM）拓扑，3种子模块拓扑均可输出3个电压0、Uc和2Uc，且无故障电流的阻断能力。由于需要均衡2个串联子模块的直流电容电压，造成控制系统设计复杂。

公开号为CN104638615A的专利申请公开了串联双子模块（series-connected-double sub-module，SCDSM）的拓扑，可输出5个电压，具有双向阻断故障电流的能力，且在结构上不存在耦合性，控制相对简单。

公开号为CN104993716A的专利申请公开了钳位型双子模块（clamp double sub-module，CDSM）拓扑，该子模块通过在全桥子模块中增加了一个IGBT、一个电容器和两个二极管，使子模块可输出3个电压2uc、uc、0，与全桥拓扑相比降低了单位电压需要的器件数量。该子模块正常运行时，钳位开关管一直导通，此时CDSM等效为两HBSM。当直流侧发生短路故障时，控制系统闭锁所有IGBT，此时的短路电流通路类似全桥子模块，短路电流将被闭锁。

公开号为CN104993716A的专利申请公开了一种混合双子模块，其包括4个开关和两个电容，能够输出4种电压，包括两倍电容电压、电容电压、零电压和负向电容电压，一个混合双子模块相当于两个半桥子模块，并具备全桥子模块的负电压特性，兼具器件少、容量高与直流故障穿越功能等优势。

公开号为CN105763089A的专利申请公开了一种自阻型子模块（self-blocking sub-module，SBSM），与FBSM相比，其省去了一个开关管，控制更简单，能输出3种电平。SBSM可以有效抑制阻断直流故障器件直流电容电压的升高，减小故障电流回路的时间常数，加快故障电流降为零的速度，应用于中频场合时，可以降低子模块电容值并有效抑制支路故障期间子模块电容电压上升。

上述子模块拓扑是比较常见的结构，总结后得出如下结论：虽然SCDSM结构较复杂，其构成的MMC具有较佳的输出效率；综合考虑制造成本和控制实现的难易程度，FBSM和SBSM具有相对较好的推广前景；FBSM、SBSM、SCDSM具有较强的抑制短路电流能力，其可靠性更强，具有更好的研究前景。

2.2 MMC系统级拓扑

传统的MMC系统都采用了一种类型的子模块，目前涌现了很多含有不同类型子模块的混合型MMC。

公开号为CN103633871A的专利申请公开了一种混合型MMC，其采用HBSM和FBSM混合级联，该拓扑不仅利用了FBSM具有输出电平数量和故障电流对称阻断能力的优点，而且优化了MMC的系统复杂性，在对HBSM的电容电压进行排序算法时，计算耗时更少效率更高，模块投入速度加快，能降低电容电压波动，使输出量的谐波含量较少。

公开号为CN105553314A的专利申请公开了一种基于三电平子模块和两电平子模块的混合型MMC，其采用NPCSM和HBSM混合级联，该拓扑相对于传统MMC能显著降低电容电压波动总量，并且能降低电容容量，提高功率密度，降低换流器成本，尤其适用于电机驱动，可显著降低电机工作电压和工作频率范围内电容电压波动。

还有很多专利申请公开了含有其他类型子模块的混合型MMC结构，这里不再一一列举。在实际应用中，设计混合型MMC，要兼顾系统的可靠性和控制系统复杂性。

3 总结和展望

本文通过专利申请着重分析了现有的MMC基本子模块拓扑和系统拓扑，能够使读者快速了解MMC当前的发展现状和不同拓扑的优缺点，同时，也值得注意，混合型MMC拓扑中各桥臂包含有不同的子模块，其充放电时间不完全相同，因此需要重新设计子模块电容电压波动抑制和平衡策略，在这方面亟待开展深入的研究。

参考文献

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（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心）