一种新型模块化多电平变换器子模块拓扑

1、2012年中国电机匸程学会h流输电与电力电子专委会7术年会论文集一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑赵成勇，李路遥，翟晓萌，杨柳(靳能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京102206,中国)摘要：模块化多电半换流器(modular multilevel converter. mmc)是应用尸电床源换流器!流输电(voltage source converter-higli voltage dc, vsc-hvdc)的新刘多电平涣流器拓扑.mmc采用模块化设计，通过调 整子枣块的串联个数町以实现电斥及功率等级的灵活变化，并h可以扩展到任盘电半输出。普遍子模块(半 桥、全桥结构子模块)的

2、输出为0、1两种电平，该文则圧捉出了一种新型模块化参电平换流器子模块拓扑 结构并介绍了其相应的工作原同.该种子模块可以输出0.1.2三种电平，与原有的半桥结构相比，在输出同 样电平数的情况下，该新型拓扑可以节省25%的1gbt,而且域少了子模块的总数，从而减小了换流站的占 地面积.文中成功的将nlm调制策略应用到新熨拓扑卜.，并r针对该拓扑给出了相应的电容电压调制笫 略。任pscad仿戌环境中搭建基于nlm的11电平两端mmc-hvdc输电系统，仿真结果表明子模块电 容，fl流电压以及谐波均满足要求.验证了所提策略的正确性与有效性.关键词：模块化篡电平换流器高斥直流输电新型柘扑结构最近电平逼近

3、电容电压平衡0引言世界范圉内电力工业需要采用更加灵活、经济、环保的输配电方式來迎接技术、经济与 坏境方面的挑战，因此，先进电力电子装置的需求变得口益迫切。电斥源换流器型直流输电 (vsc-hvdc)的技术优势使其在可再生能源并网、无源网络供电.城市电网供电、异步 交流电网互联等领域都发挥了枳极作用，并在近些年来取得了很人的发展。vsc是 vsc-hvdc输电系统中的核心组成部分，vsc拓扑结构及调制策略对vsc-hvdc的运行 特性以及vsc-hvdc工程的有效性、经济性和町靠性都有很人的影响。目前已投运的 vsc-hvdc多采用两电平vsc或三电平vsc拓扑结构。两电平vsc存在的主要问题是

4、过 高开关频率带来的过高开关损耗、igdt串联带来的挣态、动态均压和电磁干扰，另外.对 器件的开关-致性要求很高：三电平vsc存在的主要问题为直流侧的均压和直流侧中性点 存在的3次谐波电流影响。上述两种拓扑结构也给vsc的设计、布局及装配带来了极人的 难度冋。为了解决上述vsc的问题.西门子公司提出了一种适用于hvdc和facts的新型vsc拓 扑结构一一模块化多电平换流器。bmic采用模块化设计，通过调整子模块的串联个数町 以实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出，减小了电磁干扰和输出 电圧的谐波含量，输出电压非常平滑且接近理想正弦波形，因此在网侧不需要人容量交流滤 波器：

5、开关器件的开关频率低.开关损耗也就相应的减少：由于mmc拓扑将能最分散存储 在桥臂的各个子模块电容中，提高了故障穿越能力。mmc的这些特点提高了高压直流输电 系统的经济性可靠性和适应性。1模块化多电平换流器的子模块图1为mmc的拓扑结构，它由六个桥臂构成，其中每个桥臂由若干个相互连接且结构 相同的子模块(sub module, sm)与一个电抗器l串联构成，上下两个桥臂构成-个相单元。 根摞mmc的模块化设计，六个桥臂貝仃刈称性，各子模块的电气参数和各桥臂电抗值都是 相同的!=1!=mn个sm6、相讹元图1 mmc换流器拓扑桥子 模 块(1)半桥两电平拓扑的工作原理mmc子模块一般采取半桥的结

6、构，由两个igb7和一个直流储能电容构成，如图2所 示。usm为子模块的输出电压，ism为该子模块所在桥臂的电流，uc为子模块的电容电压。5852012年中国电机匸程学会h流输电与电力电子专委会7术年会论文集#2012年中国电机匸程学会h流输电与电力电子专委会7术年会论文集每个子模块都是两端元件，通过两个开关单元vt和vt?的作用，usm 以同时在两种 电流方向的情况下进行电容电压uc与0之间的切换。具体开关状态如表1所述，其中1表 示导通.0表示关断。表1子模块的工作状态愧式titium状态110>0uc投入210<0uc投入301>00切除401<00切除500&g

7、t;0uc闭備600<00由表1可知子模块可以输出的电压人小只令uc和0两种电平状态，即如图3所示。图3半桥输出的电压值(2) 1.2新型三电平拓扑的工作原理由上图可知半桥子模块可以产生1, 0两种电平状态本文则是在此半桥结构的基础之上 提出了一种新型拓扑结构如图4所示，该结构町以产生0,1,2三种电平状态。由图4町知，该子模块主要由三个igbt和两个电容组成，相对于原来的半桥结构该子 模块务了中间一个小型的h桥结构，此结构起到了一个双向开关的作用，当vt3导通时半 桥中间的线路无论电流的方向如何都会处于导通状态.因此该拓扑可以简化为图5o该子模块共有四种运行状态叫1、vt1, vt2,

8、 vt3均闭锁：2. vt1开通，vt2和 vt3均关断；3、 vt2开通，vt1和vt3均关断；4、vt3开通，vt1和vt2均关断；图 6分别示意出了四种子模块运行模式，其中图6(a)表示运行模式1：图6(b)表示运行模式 2:图6 (c)表示运行模式3;图6 (d)表示运h怏式4。图中箭头表示电流的方向。5872012年中国电机工程学会ii流输电与电力电子专委会7术年会论文集图6子模块的四种运行状态现対该四种运行方式进行分析，运行模式（1）： igbt vt1, vt2. vt3均处于闭锁状 态，在正常状态下是不会出现该种状态的.不过卄系统处于刚启动，或者是某些故障状态时 三个igbt会

9、闭锁。当电流从正母线方向向交流输出端流动时，电流会从上面的各续流二极 管vd1经过子模块的两块电容逐步流向交流输出端，此时电容充电：半电流从交流输岀端 向正母线方向流动时，电流会从卜面的各续流二极管vd2不经电容充电而逐步流向交流正 母线方向，此时的子模块电容是出于被旁路的状态。运行模式（2）： igbt vt1开通.vt2和vt3关断的状态，此时的电流仍然町以双向 流动。当电流从正母线向交流输出端方向流动时，电流会从续流二极管vd1经子模块两块 电容逐步流向交流输出端，此时子模块被充电；当电流从交流输出端向正直流母线方向流动 时电流会从各子模块的两块电容经igbt vt1逐步流向匸直流母线，

10、此时了模块电容汶 电。该工作状态，电流町以双向流动.不管电流从什么方向流动，子模块输出端总会引出子 模块电容电压：子模块内的两块电容可以同时充放电，这取决于电流的方向。运行模式（3）： igbt vt2开通、vt1和vt3关断的状态，此时电流依然可以双向流 动，当电流从正直流母线向交流输出端方向流动时，电流会从各igbt vt2不经子模块两 块电容逐步流向交流输出端.此时的电容电汗不哽影响：为电流从交流输出端方向向正直流 母线方向流动时，电流会从各自下面的续涼二极管vd2不经子模块电容逐步流向正直流m 线方向，此时子模块的电容也不受影响。运行模式（4）： igbt vt3开通、vt1和vt2关

11、断的状态，电流仍然町以双向流动。 当vt3打开时相当于图5的等效开关闭合，此时当电流从正直流母线向交流输出端方向流 动时电流会从vt3经电容c2逐步流向输出端（虽然电流也町以从续流二极管vd1流通， 但是会选择电压低的路径），此时电容c2充电。当电流从交流输出端方向向正直流母线方 向流动时，电流会从vt3经电容i丄人罷向正直流母线，此时电容c2放电。该工作状态，电 流门j以双向流动.不管电流那个方向都会流经vt3,此模块用来单独拎制电容c2.甘于维 持电容cl, c2的电压有很重要的作用。由上面的分析可得到貝体开关状态，如表2所述，其中1表示导通，0表示关断.表？新型子模块的工作状态模式t1t

12、2t31"u«状态1100x)24投入2100<02uc投入30100切除4010<00切除5001>0uc投入6001ouc投入7000>02uc闭锁s000<00闭锁由表2可以明显看出新型拓扑输出的电压值有三档即2uc, uc, 0。冈此可以称z为 三电平子模块结构，输出的电压波形如图7所示。图7新拓扑的输出的电斥值2调制策略对于mmc的调制策略一般分为pwm调制和多电平阶梯波调制，其中多电平阶梯波调 制分为两类叫 多电平消谐波调制和电压逼近调制。多电平消谐波调制根据不hkhi波幅 值，利用基波和谐波解析表达式设定相应的儿组开关角工作时根据

13、系统运行条件杳表确定 输出哪组开关角，其优点定能很好地控制谐波，峽点足动态特性差，计算量随看电平数的增人 而急剧增人，适用于电平数不太多的场合。电斥逼近调制策略有空间矢最控制(svc)和最近 电平逼近调制(nlm),其原理是使用最近的电压欠量或电平瞬时逼近调制波,适用丁电平数 很多的场合。当电平数太多时，电压矢最数会很多，svc的实现较复杂，因此，对用于 vsc-hvdc输电的mmc (电平数极多),nlm jwj相对的优势。(1) 2.1 nlm在mmc上的实现1) 半桥结构的子模块用4(t)表示调制波的瞬时值，q表示子模块电容电斥的平均值。一个桥臂含有的子模 块数n通常是偶数。每个相单元中

14、只有n个子模块被投入。如果这n个子模块由上、下桥臂 平均分担，则该柑单元输出的电斥为0。上卜桥臂的输入子模块总数应该是恒定值，h人小 为m根据最近电平的原理m知，每个时刻.卜桥臂和上桥臂需要投入的子模块ndown和nup 可以分别表示为：ilm = + round (2-1)dwn 2 口式中：round (x)表示取与x最接近的整数.受子模块数的限制，有0冬门如“冬口。 由分析町知得到的上卜桥臂应该导通的子模块的个数爭实上就是需要导通的电容的个数。这 个对三电平子模块的导通白更要的意义。2) 三电平子模块式(1),式(2)可以很好的说明最近电平逼近在mmc应用的原理。对于半桥两电平 的子模块

15、，上式中1如叭和分别表示了下桥臂和上桥臂分别需要投入的子模块个数，但是 对于三电平子模块来说.可以输出的电平有2、1、0则导通的模块数有相应地不同。设上下桥臂分别含有子模块数为n,满足公式11=2-n,由此式町以看出新拓扑町以 在实现同样电平的基础上使子模块的总数减半。表示下半桥臂导通子模块中输出的电 平为2的子模块数，ndonl表示卜半桥臂导通子模块中输出的电平为1的子模块数，同理右 nuq nupi。确定上下桥臂分别要导通的个数的方法如下：(2-3)由式(2-1) , (2-2)町以得到理论上应该导通的电容数分别为nawn和，则三电平 导通子模块应满足卞式ndoim = 2 “如心 +&#

16、171;vp = 2-nup2 + nupl<>4)上式依据的是导通电容总数恒定的原则，并且应该满足0wndk2+nd6.niwn, 0w nup?十npiwn。假如上半桥臂总共有含有子模块的个数为5,因此最人可以输出电压值为 1ouc.现在需要导通的电容数是5(即二5).则可以选择导通输出电平为2的子模块1块, 输出电平为1的子模块3块，关断的子模块1块，hp (1,3,1)：或者是选择导通输出电平为 2的子模块2块.输出电平为1的子模块1块.关断的子模块2块，即(2,1,2);也可以选 择导通输出电平为2的子模块0块，输出电平为1的子模块5块，关断的子模块0块，ep (0,5,

17、0)。不同的选择可以结合电容的平衡控制策略使得各电容上的电压接近相等。(2) 2.2电容的平衡控制策略为实现mmc中各子模块的电容电压平衡，文献10所述的做法是：控制与监测系统需 要不断地检测同一个桥臂内的齐子模块电容电压和桥臂电流，然后通过软件对子模块电容电 压进行排序，最后根据桥臂电流的方向有选择性地投入或切换相应的子模块。本文所采取的电容平衡控制策略也是基于排序的方法，但是存在一定的不同。仍然以上 半桥臂有5个子模块为例，上半桥臂可以输出的最大电压值为10uc；1、当上半桥臂所需输出的电压值uarmw5uc时.则仅仅考虎导通两块电容的中下而一 块(运行模式4),即仅仅对uc2进行排序.然

18、后根据桥臂电流的方向有选择的投入或切换 相应地子模块。2、当上半桥臂所需要输出的电压值uam>5uc时.则需要同时考虑导通ucl和uc2, 此时gwucl+uc2的值进行排序。若 眩导通的电压值为偶数ffl(2nuc),此时均让子模块 输出两电平，即( 0, 0)：若需要导通的电压值为奇数值(2nuc+uc),此时上半桥臂导 通子模块输出为两电平的占n个，输出为一电平的有1个，即(m 1, 0)o在排序的过程中， ucl+uc2的排序优先级要犬于uc?的排序顺序.即先选择导通输出为2uc的子模块.然后 在剩余的子模块中对uc2进行排序,最后根据桥骨电流的方向有选择的投入或切换相应地 子模

19、块。3 仿真研究在pscad仿真坏境中搭建基于nlm的11电平两端mmc-hvdc输电系统。其中每个相 单元有10个子模块构成，上下桥骨各有5个。交流侧系统参数为111-151 ：两侧交流侧额上復 电斥10 5kv,电感 抵=0 069田，等效损耗电阻r<q=5 8263qo直流侧系统参数：额定电斥 ud=10kvo换流器桥臂电抗&=0 0499h, r=50mq,各子模块电容电压参考值为lkv。在仿 真中，对整流器釆用定直流电压和定无功功率控制，逆变侧采用定有功和定交流电压控制。卜面以整流侧的仿真结果为例来介绍。1.100 1075 0350 qs2s 0s00 |jd mo

20、is 1j0200 s zz 2jbd tz 3w图8桥臂中5个子模块中电容电压° u<cret°too00isous2x02252 502.75300图9 ii流母线电压o.iao° t»®0090odbcoi77oodgd009000400030oxqdodk)oanisous2w2j52s0x?s3£0图10系统的总谐波含虽（thd）由图8可知上半桥臂子模块中的电容电压基本上町以维持在一个相对稳定的值，波动都 在±2.5%范圉内，因此町知文中提到的电容平衡策略是叮以实现电容电压平衡的。图9为 门渝母线电压，大小稳

21、定在10kv可以看见直流电乐跟踪设定值很理想.从而证明了文中 所采用的址近电平逼近法的正确性。图10显示的是系统的总谐波含量（thd）,基本上系统 在正常运行时的谐波含量都足处在2%附近，满足电能质虽中对谐波含虽的要求，这说明了 新拓扑运用到高压直流输电中不会增加系统的谐波含量。4结论1）提出了一种新型三电平子模块拓扑，该拓扑在实现相同电平输出时可以节省25%的 igbt,同时由于单个子模块可以实现两电平因而子模块的个数也会随着减少，使得换流 阀的总体体枳减少，同时该模型也存在一定的缺点，就足损耗会相应地增加。2）结合nlm调制策略，提出了适合此种拓扑的电容电压平衡控制策略，确保各子模 块电容

22、电压处于相同的等级范閘z内且能保持电压变化的一致性，从而保证直流电压的稳 定。3）在pscad/emtdc平台上搭建了 11电平的基于nlm调制策略的两端mmc-hvdc 输电系统模型，仿真显示电容电压在额定值lkv上下波动，范圉控制在±2 5%以内，表明 该电容电斥平衡控制策略具有良好的件能h能实现动态调节。参考文献1 boon-tech ooi xiao wang boost type pwm hvdc transmission system ieee trans on power delivery 1991, 6(4): 15571563.2 xiao wang, boon-t

23、ech ooi high voltage direct current transmission system based on5912012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会7术年会论文集voltage source conveiters. in peso190 record, vol 1 325-332.3 李庚银，吕鹏飞，李广凯，等.轻型高压直流输电的发展和展望j电力系统自动化， 2003, 27(4)： 1-5.4 尹明，李庚银，李广凯等.vsc-hvdc连续时状态空间模型及并控制策略研究j中 国电机工程学报2005, 25(18)： 34-39.5 赵听，赵成勇，李广凯，等.

24、釆用戦波移相技术的模块化衣电平换流器电容电压平衡控 制j)电机工程学报，2011, 31(21)： 49-516 dom j, huang h, and retzmann d. novel voltage source conventers for hvdc and facts applicantionc. cigre symposium. osaka. 2007.7 汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术m.北京.中国电力出版社，2010, 147-1578 管敏渊，徐政，居卿瑞，等.模块化多电平换流器型ii流输电的调制策略j.电力系统 自动化，2010, 34(2)： 48-50.9 冠军，汤广福，丁明，等.新型多电平电压源换流器模块的拓扑机制与调制策略j中 国电机工程学报.2009, 29(36)： 1-610 冠军,丁明，汤广福等.新型多电平vsc子模块电容参数与均压策略j.中国电机工 程学报，2009, 29(36)： 1-811 lesnicar a, blarquar