新型模块化多电平换流器通用平台的研究

陈宏　李武华

摘 要 为了提高学生在高压直流输电方面的科研能力，探索模块化多电平换流器的扩展配置，提出把专业知识和应用实践结合起来，设计制作了新型模块化多电平换流器通用平臺的方案，采用 T型全桥子模块的拓扑重构，串行通信的MMC层次化控制方案，提升了数据传输的容量和速度，具有通用性和可扩展性。整个新型模块化多电平换流器通用平台达到最高直流电压2KV，最大容量100KW，子模块电容4800uF，桥臂电抗器10mH的技术指标。实践证明，自制新型模块化多电平换流器通用平台，实现 MMC灵活配置，培养专业人才，是实现科研成果转化为工程应用的重要实践典范。

关键词 高压直流输电 模块化多电平换流器 全桥子模块 串行通信

中图分类号：TM721.1                                  文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.07.011

AbstractIn order to improve students' research ability on the high voltage direct current transmission and explore the expansion configuration of modular multilevel converter， the new modular multilevel converter universal platform is proposed to design and fabricate with the combination of the specialty knowledge and the practical application. The key technologies including T-type full-bridge sub-module topology and the serial communication in Hierarchical control scheme are utilized for the universal requirement and scalable demand to improve the capacity and speed of communication. The working parameter can reach the 2KV direct grid with 100KW capacity， 4800uF sub-module capacitance， and 10mH bridge arm reactor. It is demonstrated by the practical experience that self-fabricated new modular multilevel converter universal platform can realize the flexible MMC configuration and cultivate the specialty researchers， which is the vital practical example to convert the scientific results into the engineering application.

Keywords flexible high voltage direct current transmission; modular multilevel converter （MMC）; full-bridge sub-module; serial communication

0引言

在我国西部地区电力充足、东部地区电力紧缺的实际状况中，电力能源的运输显得尤其重要。预计到2020年，我国将发展成为以特高压为骨干输电网架，西电东送容量超过1.5亿kW的巨型交直流电网。[1]高压直流输电（high voltage direct current，HVDC）比交流输电具有更高的经济性、可靠性、稳定性。[2]高压直流输电技术没有感抗、容抗、同步等等的无功问题，电能损耗小，传输线路建设造价低，电压分布平稳，传输效率高，节能效果好，因此高压直流输电技术在大功率远距离输电中具有明显的优势，是电力电子技术应用领域的前沿技术，也是智能电网的关键技术。

模块化多电平换流器 （ modular multilevel converter ， MMC ）无需大量 IGBT 串联、器件承受电压变化率低、输出波形谐波含量较低，已成为柔性直流输电领域的发展趋势和研究热点。[4]MMC基于模块化设计，可以实现电压和功率等级的灵活变化，适合用于直流输电。[5]具有对器件一致触发动态均压要求低、扩展性好、输出电压波形品质高、开关频率低、运行损耗低等诸多优点。[6]纵观目前学术界和工业界所搭建的MMC样机，其控制系统功能设计通常较为单一，通用性较差，难以实现MMC样机全状态运行变量的准确控制和监测;此外，现有工程样机往往针对某一特定子模块拓扑开发，在硬件上缺乏扩展能力。

因此在高校的实践教学中，开展新型模块化多电平换流器通用平台的自制设计，实现多种电平柔性直流输电，把电力电子及电力传动技术和电力传输的应用实践相结合开展实践研究，使高年级本科生和研究生更深层次地理解专业知识，为高年级本科生和研究生的教学研究，提供了实践应用平台，对于提高高压直流输电的研究水平，探索高压直流输电的新技术，培养高压直流输电的科研技术人才都有积极的促进作用。

1新型MMC通用平台的设计实践

在设计实践中包含对新型MMC通用平台的原理认识，设计制作和运行分析三个方面的实践工作。

1.1 新型MMC通用平台的工作原理

HVDC输电以其在长距离大容量输电、海底电缆输电和非同步联网等领域的独特优势而得到了广泛应用，高压直流输电的核心设备是换流器，换流器是实现交直流电相互转换的设备，当其工作在整流（ 或逆变） 状态时，又称为整流器（ 或逆变器）。 [7]已有的电压源换流器高压直流输电（voltage source converter based high voltage direct current transmission，VSC—HVDC）是一种基于电压源换流器和自关断器件的新型输电技术，提高电网的电压及频率稳定性，具有交流电流谐波含量低、直流电压恒定等特点。[8]电压源换流器开关频率过高而导致的较大损耗、电压等级低、绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor， IGBT）器件串联引起的静态、动态均压和电磁干扰等，3电平、多电平拓扑具有输出特性差、难以模块化生产，需要大量额外的独立直流电源，并且其拓扑中不存在公共的直流正、负极母线，因而不适用于高压直流输电领域。[9]MMC克服了VSC的技术难题，目前半桥和全桥MMC是高压大功率柔性直流输电的热点研究对象，MMC的拓扑结构比VSC技术的2电平和3电平拓扑好，尤其是避免了VSC输出特性差的缺点，MMC能够有效降低能量损耗。图1是MMC的拓扑结构。[9]

图1中子模块的开关状态如表1所示。

MMC具有半桥型电路和全桥型电路的应用模式。半桥型MMC损耗小，全桥型MMC输出三种电平，可以解决直流侧短路的故障。[10]但是柔性直流输电的高压大功率电网中，电压等级高，子模块数目多，测试工作量大，这是研制新型MMC通用平台的技术挑战。

1.2设计制作

在新型MMC通用平台的工程设计制作中，需要完成平台的配置，拓扑结构建立和通信方案制作3个方面的工作。

1.2.1 新型MMC通用平台的配置

MMC在高压直流输电的电网中工作时，由多个控制器协调工作、信息交互量大，为此建立的系统配置如图2所示。

主要的参数如表2所示。

1.2.2 新型MMC通用平台的拓扑结构

MMC的工程设计的需要满足电压等级高，系统容量大，子模块数目多，可靠性要求高，测试组装工作量大，控制系统复杂等要求。实现直流电压2KV，额定容量100KW的系统参数中工作。通过集成化可控设计和层次化MMC通信方案实现新型MMC通用平台的设计。

在设计集成化的可控设计采用的T型全桥模块如图3所示，集成化功能模块，灵活可控。

对图3所示的T型全桥通过拓扑重构，衍生出不同的子模块拓扑运行工作，制作了25电平MMC工程样机。同时在MMC控制部分合理安排输入输出通道制作板卡式结构，实现主控制器硬件灵活配置，满足后期扩展的需要。

1.2.3 新型MMC通用平台的通信方案

根据图2中新型MMC通用平台的系统配置，在MMC控制系统中根据系统任务的需要，采用层次华通信的方案，如图4所示，模块分类，串行通信，提升数据容量和可靠性。

在图4中，根据通信时序和优先级别，对MMC控制系统按照层次化通信方案划分为模组控制、站点控制和站级控制三个层次，采用串行通信工作方式，提升信息传输的容量和可靠性。其中模组控制和站点控制之间采用光纤通信，站级控制和站点控制采用网线通信，融合了集中控制与分布式控制的优点。

1.3 运行分析

新型MMC通用平台的总设计的子模块的输出电压为桥臂电压的1/N，N为子模块的数目，输出电流为桥臂电流。如图5所示。

图5中的子模块的输出包含直流和交流分量。子模块A相电压和电流的计算公式为：

在整流和逆变时的电压、电流波形如图6所示。可以看出子模块电流均包含直流分量和交流分量，由此导致子模块电容存在基频和二倍频电压波动，其电容电压波动大小与实际应用是一致的，说明新型MMC通用平台的运行符合实际应用中直流输电的需要。

图6 新型MMC通用平台子整流和逆变时电压、电流波形

2新型MMC通用平台的设计实践效果

2.1 解决实践难题

新型MMC通用平台利用全桥子模块及其扩展拓扑集成实现25电平柔性直流输电，满足平台通用性和可扩展的需求，采用串行通信的MMC层次化控制方案，提升了数据传输的容量和速度，新型MMC通用平台解决了柔性直流输电的高压大功率电网中，电压等级高，子模块数目多，测试工作量大的技术难题，把电力电子及电力传动技术和电力传输的应用实践相结合开展实践设计，不仅推动科研人员的工作实践能力的提高，而且达到了很好的技术实践效果。

2.2 自制设备提供研究平台

设计的新型MMC通用平台把电力电子及电力传动技术和通信、电子信息方面的专业知识结合起来，为高压直流输电的理论联系实践提供了良好的研究平台。新型的MMC通用平臺，使得进一步研究和探索高压直流输电技术成为可能，尤其在客户化应用中，针对不同发电环境的复杂情况做灵活配置，解决工业应用的实际问题提供了良好的测试平台和应用前景，而且为高年级本科生和研究生成为高压直流输电技术的专业科研力量，提供了人才培养平台。

3结语

大学创新教学旨在实现“让每一位学生发自内心地学习”， 实践法是促进或检验学生知识掌握与应用情况的重要方法。[11]自研自制新型MMC通用平台的设计，利用全桥子模块及其扩展拓扑集成实现25电平柔性直流输电，满足平台通用性和可扩展的需求，提升了数据传输的容量和速度，在主控制器硬件设计方面实现了控制器资源的灵活配置，实践表明，设计新型MMC通用平台实现了工程应用和专业知识的有效结合，不但提高了高年级本科生和研究生的科研能力，而且激发学生的学习兴趣、对新技术开展实践探索。既可以调动专业探索的科研兴趣，又能够把研究成果应用于工程实践，实现科研成果的实际转化，具有重大的社会实践意义。

参考文献

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