模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Con- verter, MMC）采用子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有開關(guān)器件應(yīng)力小，電壓、電流波形質(zhì)量高，輸出電壓調(diào)節(jié)靈活等特點，因此在高壓直流輸電和電能變換領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

當MMC應(yīng)用于高壓直流輸電時，有如下兩個問題必須考慮。

1、如何處理直流側(cè)線路短路故障

直流系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，較低的阻尼導致電流上升率較高，且不同于交流故障，沒有電流過零點，從而電流清除難度要大于交流系統(tǒng)。

當前主要有以下幾種方法切斷故障電流：

• 1）依靠換流站交流斷路器，但交流斷路器故障切除時間通常在45～150ms之間，不利于故障快速切除和系統(tǒng)恢復；
• 2）其次安裝直流斷路器對直流側(cè)故障進行隔離，目前國內(nèi)外僅有為數(shù)不多的幾個公司完成了直流斷路器樣機研制，這些樣機還沒有廣泛的工程成功應(yīng)用案例，成本高且技術(shù)仍然不成熟。
• 3）換流器采用具有故障抑制能力改進型子模塊代替半橋子模塊實現(xiàn)短路故障清除。例如，具有并聯(lián)抑制功能的鉗位二極管子模塊及其改進拓撲；實現(xiàn)串聯(lián)抑制功能的串聯(lián)雙子模塊和跨接三電平和五電平拓撲，為減少功率器件數(shù)量的閉鎖后儲能電容非對稱充電的混合拓撲，利用雙向阻斷能力絕緣柵雙極型晶體管構(gòu)成的阻斷型拓撲。

上述改進型拓撲無一例外都是通過采用單一閉鎖模式實現(xiàn)直流故障抑制。全橋拓撲具有直流故障電流非閉鎖抑制功能，但是相對于半橋子模塊拓撲所需功率器件較多。而全橋子模塊+半橋子模塊構(gòu)成的混合拓撲雖然可以實現(xiàn)直流故障非閉鎖抑制，但故障抑制期間，半橋子模塊處于旁路狀態(tài)。

總之，無論是改進型拓撲直流故障閉鎖抑制，還是全橋+半橋拓撲直流故障非閉鎖抑制，都存在全部或部分子模塊處于閉鎖或旁路狀態(tài)，而由于子模塊取能電路影響，可能會導致電容電壓發(fā)散。

2、電容電壓均衡問題

MMC中子模塊電容相互獨立，電容電壓均衡依賴于均壓控制，而均壓控制復雜程度又直接取決于MMC子模塊數(shù)目。隨著子模塊數(shù)目增加，均壓控制對計算量和數(shù)據(jù)采集速度要求日趨嚴苛，由此帶來一系列子模塊電容均壓問題。

• 有學者研究了電容電壓排序均衡控制策略，該策略具有原理清晰、實現(xiàn)簡單的特點。但排序均衡需要對所有模塊電容電壓進行實時排序和選擇，占用運算資源較多，可能會在控制環(huán)節(jié)引入較大延遲，降低MMC電流動態(tài)跟蹤特性。
• 有學者針對載波移相調(diào)制策略，為每個子模塊附加獨立電容電壓控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了無需排序的電壓均衡控制，但控制環(huán)節(jié)增加了均壓控制復雜度。
• 有學者提出一種減少傳感器的電容電壓分組均衡控制策略以提高均壓效率，但不能應(yīng)對組內(nèi)部電容參數(shù)差異引起的誤差。
• 為實現(xiàn)模塊間電容能量交換，解決電容電壓均衡問題，有學者在相鄰子模塊電容上串接鉗位二極管，提供能量通道，設(shè)計了一種MMC新拓撲，但是需要借助輔助變壓器才能實現(xiàn)相內(nèi)電壓平衡。
• 有學者提出一種具備自均壓能力MMC拓撲，在保留MMC模塊化特性的同時，采用二極管鉗位方法，將各個子模塊電容電壓鉗位在最底端子模塊和最頂端子模塊電容電壓之間，使得MMC在子模塊投切過程中自發(fā)實現(xiàn)電容電壓均衡。這種方法控制簡單，但是保持最底端和最頂端子模塊電容電壓平衡電路可能需要承受較高的絕緣電壓。

針對上述問題，新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室等單位的研究人員，提出了一種具有直流故障阻斷和內(nèi)部電容自均壓能力的自阻自均壓子模塊拓撲。

首先利用鉗位電路和開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一種多電平子模塊拓撲，研究其電平輸出特性，實現(xiàn)閉鎖和非閉鎖直流故障抑制。然后為減少電容電壓排序均衡所耗費控制系統(tǒng)計算資源，提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度，在多電平子模塊拓撲基礎(chǔ)上根據(jù)并聯(lián)電路電壓相等原理，設(shè)計子模塊內(nèi)部均壓電路，形成自阻自均壓復合型子模塊拓撲，并研究其均壓控制策略。最后通過PSCAD/EMTDC仿真模型驗證所提拓撲的直流故障抑制特性及均壓控制策略的有效性。

圖1 非STATCOM模式直流故障非閉鎖抑制效果

圖2 STATCOM模式直流故障非閉鎖抑制效果

研究人員指出，在不改變現(xiàn)有控制策略的基礎(chǔ)上，該新型拓撲利用鉗位電路和開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了多電平輸出和直流故障抑制。通過內(nèi)部并聯(lián)自均壓電路實現(xiàn)了均壓功能，將參與排序均衡控制的子模塊數(shù)量降低為一半，緩解了子模塊數(shù)量過多計算量和數(shù)據(jù)采集壓力較大的問題。同時該拓撲還可以根據(jù)直流故障導致的過電流程度，選擇不同抑制模式，以獲得不同抑制效果。

以上研究成果發(fā)表在2020年第18期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“自阻自均壓模塊化多電平換流器子模塊拓撲及控制”，作者為張建坡、崔滌穹、田新成、趙成勇。