一种新型模块化多电平变换器子模块拓扑
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584
2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
SM 1
SM 1 SM 2 SM n
SM 1 SM 2 SM n
+
n 个 SM
SM 2 SM n
L L
SM 1 SM 2 SM n
L L
SM 1 SM 2 SM n
L L
SM 1 SM 2 SM n
桥 臂
Udc
子 模 块 -
相单元
us
Uc
0.00
t
图3
半桥输出的电压值 585
2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
(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，该结构可以产生 0,1,2 三种电平状态。
表 1 子模块的工作状态
模式 1 2 3 4 5 6 T1 1 1 0 0 0 0 T2 0 0 1 1 0 0 iSM >0 <0 >0 <0 >0 <0 USM UC UC 0 0 UC 0 状态 投入 投入 切除 切除 闭锁 闭锁
由表 1 可知子模块可以输出的电压大小只有 Uc 和 0 两种电平状态，即如图 3 所示。
VT1
VD1
U C1
VT3
VT2
VD2
UC2
图5
[ ]
新型子模块简化图
该子模块共有四种运行状态 7 ：1、VT1，VT2，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）表示运行模式 4。图中箭头表示电流的方向。
587
2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
表 2 新型子模块的工作状态
模式 1 2 3 4 5 6 7 8 T1 1 1 0 0 0 0 0 0 T2 0 0 1 1 0 0 0 0 T3 0 0 0 0 1 1 0 0 iSM >0 <0 >0 <0 >0 <0 >0 <0 USM 2 UC 2 UC 0 0 UC UC 2 UC 0 状态 投入 投入 切除 切除 投入 投入 闭锁 闭锁
2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
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
（新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： 模块化多电平换流器 （modular multilevel converter， MMC） 是应用于电压源换流器直流输电 （voltage
[ - ]
1) 半桥结构的子模块 8 9 用 us(t)表示调制波的瞬时值，Uc 表示子模块电容电压的平均值。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，则该相单元输出的电压为 0。上下桥臂的输入子模块总数应该是恒定值，且大小 为 n。 根据最近电平的原理可知，每个时刻， 下桥臂和上桥臂需要投入的子模块 ndown 和 nup 可以分别表示为：
1
模块化多电平换流器的子模块
Hale Waihona Puke Baidu
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，上下两个桥臂构成一个相单元。 根据 MMC 的模块化设计，六个桥臂具有对称性，各子模块的电气参数和各桥臂电抗值都是 [ ] 相同的 5 。
ndown
u n round s 2 U c
（2-1）
588
2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
nup n ndown
u n round s 2 U c
（2-2）
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≤nup,ndown≤n。 由分析可知得到的上下桥臂应该导通的子模块的个数事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有重要的意义。 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， 上式中 ndown 和 nup 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 n 2 N ，由此式可以看出新拓扑可以 在实现同样电平的基础上使子模块的总数减半。Ndown2 表示下半桥臂导通子模块中输出的电 平为 2 的子模块数，Ndown1 表示下半桥臂导通子模块中输出的电平为 1 的子模块数，同理有 Nup2，Nup1。确定上下桥臂分别要导通的个数的方法如下： 由式（2-1）,（2-2）可以得到理论上应该导通的电容数分别为 ndown 和 nup ，则三电平 导通子模块应满足下式 （2-3） ndown 2 Ndown 2 Ndown1
VT1
VD1
VT1
VD1
VT3
VT3
VT2
VD2
VT2
VD2
(a)
VT1 VD1
VT1
VD1
VT3
VT3
VT2
VD2
VT2
VD2
(b)
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2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
VT1
VD1
VT1
VD1
VT3
VT3
VT2
VD2
VT2
VD2
(c)
V T1
VT1
VD1
V D1
图 1 MMC 换流器拓扑
(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构，由两个 IGBT 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。
VT1
VD1
iSM
UC
VD2
uSM
VT2
图2
子模块结构图
每个子模块都是两端元件， 通过两个开关单元 VT1 和 VT2 的作用， USM 可以同时在两种 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。
VT1
VD1
C1
U C1
iSM
VT3
uSM
VT2
VD2
C2
UC2
图4
新型子模块结构图
由图 4 可知，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 模块多了中间一个小型的 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 5。
source converter-high voltage DC，VSC-HVDC）的新型多电平换流器拓扑。MMC 采用模块化设计，通过调 整子模块的串联个数可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。 普遍子模块 （半 桥、全桥结构子模块）的输出为 0、1 两种电平，该文则是提出了一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑 结构并介绍了其相应的工作原理。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 IGBT，而且减少了子模块的总数，从而减小了换流站的占 地面积。文中成功的将 NLM 调制策略应用到新型拓扑上，并且针对该拓扑给出了相应的电容电压调制策 略。在 PSCAD 仿真环境中搭建基于 NLM 的 11 电平两端 MMC-HVDC 输电系统，仿真结果表明子模块电 容，直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。
VT3
VT3
VT2
VD2
VT2
VD2
(d)
图6
子模块的四种运行状态
现对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，不过当系统处于刚启动，或者是某些故障状态时 三个 IGBT 会闭锁。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；当电流从交流输出端 向正母线方向流动时，电流会从下面的各续流二极管 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，此时的电流仍然可以双向 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 逐步流向正直流母线，此时子模块电容放 电。该工作状态，电流可以双向流动，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， 此时的电容电压不受影响； 当电流从交流输出端方向向正直流 母线方向流动时，电流会从各自下面的续流二极管 VD2 不经子模块电容逐步流向正直流母 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 关断的状态，电流仍然可以双向流动。 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(虽然电流也可以从续流二极管 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 经电容逐步流向正直流母线，此时电容 C2 放电。该工作状态，电 流可以双向流动，不管电流那个方向都会流经 VT3，此模块用来单独控制电容 C2，对于维 持电容 C1，C2 的电压有很重要的作用。 由上面的分析可得到具体开关状态，如表 2 所述，其中 1 表示导通，0 表示关断。
关键词：模块化多电平换流器 高压直流输电 新型拓扑结构 最近电平逼近 电容电压平衡
0
引言
世界范围内电力工业需要采用更加灵活、经济、环保的输配电方式来迎接技术、经济与 环境方面的挑战，因此，先进电力电子装置的需求变得日益迫切。电压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积极作用，并在近些年来取得了很大的发展。 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、经济性和可靠性都有很大的影响。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 存在的主要问题是过 高开关频率带来的过高开关损耗、IGBT 串联带来的静态、动态均压和电磁干扰，另外，对 器件的开关一致性要求很高；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大的 [ - ] 难度 1 5 。 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——模块化多电平换流器 6 。MMC采用模块化设计，通过调整子模块的串联个数可 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 电压的谐波含量， 输出电压非常平滑且接近理想正弦波形， 因此在网侧不需要大容量交流滤 波器；开关器件的开关频率低，开关损耗也就相应的减少；由于MMC拓扑将能量分散存储 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。
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。因此可以称之为 三电平子模块结构，输出的电压波形如图 7 所示。
us
2Uc
Uc
0
t
图7
新拓扑的输出的电压值
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 2 ：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同的调制波幅 值,利用基波和谐波解析表达式设定相应的几组开关角 ,工作时根据系统运行条件查表确定 输出哪组开关角,其优点是能很好地控制谐波,缺点是动态特性差,计算量随着电平数的增大 而急剧增大,适用于电平数不太多的场合。电压逼近调制策略有空间矢量控制(SVC)和最近 电平逼近调制(NLM),其原理是使用最近的电压矢量或电平瞬时逼近调制波,适用于电平数 很多的场合。当电平数太多时 , 电压矢量数会很多 ,SVC 的实现较复杂 , 因此 , 对用于 VSC-HVDC 输电的 MMC(电平数极多),NLM 具有相对的优势。 (1) 2.1 NLM 在 MMC 上的实现
2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
SM 1
SM 1 SM 2 SM n
SM 1 SM 2 SM n
+
n 个 SM
SM 2 SM n
L L
SM 1 SM 2 SM n
L L
SM 1 SM 2 SM n
L L
SM 1 SM 2 SM n
桥 臂
Udc
子 模 块 -
相单元
us
Uc
0.00
t
图3
半桥输出的电压值 585
2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
(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，该结构可以产生 0,1,2 三种电平状态。
表 1 子模块的工作状态
模式 1 2 3 4 5 6 T1 1 1 0 0 0 0 T2 0 0 1 1 0 0 iSM >0 <0 >0 <0 >0 <0 USM UC UC 0 0 UC 0 状态 投入 投入 切除 切除 闭锁 闭锁
由表 1 可知子模块可以输出的电压大小只有 Uc 和 0 两种电平状态，即如图 3 所示。
VT1
VD1
U C1
VT3
VT2
VD2
UC2
图5
[ ]
新型子模块简化图
该子模块共有四种运行状态 7 ：1、VT1，VT2，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）表示运行模式 4。图中箭头表示电流的方向。
587
2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
表 2 新型子模块的工作状态
模式 1 2 3 4 5 6 7 8 T1 1 1 0 0 0 0 0 0 T2 0 0 1 1 0 0 0 0 T3 0 0 0 0 1 1 0 0 iSM >0 <0 >0 <0 >0 <0 >0 <0 USM 2 UC 2 UC 0 0 UC UC 2 UC 0 状态 投入 投入 切除 切除 投入 投入 闭锁 闭锁
2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
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
（新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： 模块化多电平换流器 （modular multilevel converter， MMC） 是应用于电压源换流器直流输电 （voltage
[ - ]
1) 半桥结构的子模块 8 9 用 us(t)表示调制波的瞬时值，Uc 表示子模块电容电压的平均值。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，则该相单元输出的电压为 0。上下桥臂的输入子模块总数应该是恒定值，且大小 为 n。 根据最近电平的原理可知，每个时刻， 下桥臂和上桥臂需要投入的子模块 ndown 和 nup 可以分别表示为：
1
模块化多电平换流器的子模块
Hale Waihona Puke Baidu
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，上下两个桥臂构成一个相单元。 根据 MMC 的模块化设计，六个桥臂具有对称性，各子模块的电气参数和各桥臂电抗值都是 [ ] 相同的 5 。
ndown
u n round s 2 U c
（2-1）
588
2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
nup n ndown
u n round s 2 U c
（2-2）
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≤nup,ndown≤n。 由分析可知得到的上下桥臂应该导通的子模块的个数事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有重要的意义。 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， 上式中 ndown 和 nup 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 n 2 N ，由此式可以看出新拓扑可以 在实现同样电平的基础上使子模块的总数减半。Ndown2 表示下半桥臂导通子模块中输出的电 平为 2 的子模块数，Ndown1 表示下半桥臂导通子模块中输出的电平为 1 的子模块数，同理有 Nup2，Nup1。确定上下桥臂分别要导通的个数的方法如下： 由式（2-1）,（2-2）可以得到理论上应该导通的电容数分别为 ndown 和 nup ，则三电平 导通子模块应满足下式 （2-3） ndown 2 Ndown 2 Ndown1
VT1
VD1
VT1
VD1
VT3
VT3
VT2
VD2
VT2
VD2
(a)
VT1 VD1
VT1
VD1
VT3
VT3
VT2
VD2
VT2
VD2
(b)
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2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
VT1
VD1
VT1
VD1
VT3
VT3
VT2
VD2
VT2
VD2
(c)
V T1
VT1
VD1
V D1
图 1 MMC 换流器拓扑
(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构，由两个 IGBT 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。
VT1
VD1
iSM
UC
VD2
uSM
VT2
图2
子模块结构图
每个子模块都是两端元件， 通过两个开关单元 VT1 和 VT2 的作用， USM 可以同时在两种 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。
VT1
VD1
C1
U C1
iSM
VT3
uSM
VT2
VD2
C2
UC2
图4
新型子模块结构图
由图 4 可知，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 模块多了中间一个小型的 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 5。
source converter-high voltage DC，VSC-HVDC）的新型多电平换流器拓扑。MMC 采用模块化设计，通过调 整子模块的串联个数可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。 普遍子模块 （半 桥、全桥结构子模块）的输出为 0、1 两种电平，该文则是提出了一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑 结构并介绍了其相应的工作原理。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 IGBT，而且减少了子模块的总数，从而减小了换流站的占 地面积。文中成功的将 NLM 调制策略应用到新型拓扑上，并且针对该拓扑给出了相应的电容电压调制策 略。在 PSCAD 仿真环境中搭建基于 NLM 的 11 电平两端 MMC-HVDC 输电系统，仿真结果表明子模块电 容，直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。
VT3
VT3
VT2
VD2
VT2
VD2
(d)
图6
子模块的四种运行状态
现对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，不过当系统处于刚启动，或者是某些故障状态时 三个 IGBT 会闭锁。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；当电流从交流输出端 向正母线方向流动时，电流会从下面的各续流二极管 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，此时的电流仍然可以双向 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 逐步流向正直流母线，此时子模块电容放 电。该工作状态，电流可以双向流动，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， 此时的电容电压不受影响； 当电流从交流输出端方向向正直流 母线方向流动时，电流会从各自下面的续流二极管 VD2 不经子模块电容逐步流向正直流母 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 关断的状态，电流仍然可以双向流动。 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(虽然电流也可以从续流二极管 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 经电容逐步流向正直流母线，此时电容 C2 放电。该工作状态，电 流可以双向流动，不管电流那个方向都会流经 VT3，此模块用来单独控制电容 C2，对于维 持电容 C1，C2 的电压有很重要的作用。 由上面的分析可得到具体开关状态，如表 2 所述，其中 1 表示导通，0 表示关断。
关键词：模块化多电平换流器 高压直流输电 新型拓扑结构 最近电平逼近 电容电压平衡
0
引言
世界范围内电力工业需要采用更加灵活、经济、环保的输配电方式来迎接技术、经济与 环境方面的挑战，因此，先进电力电子装置的需求变得日益迫切。电压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积极作用，并在近些年来取得了很大的发展。 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、经济性和可靠性都有很大的影响。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 存在的主要问题是过 高开关频率带来的过高开关损耗、IGBT 串联带来的静态、动态均压和电磁干扰，另外，对 器件的开关一致性要求很高；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大的 [ - ] 难度 1 5 。 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——模块化多电平换流器 6 。MMC采用模块化设计，通过调整子模块的串联个数可 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 电压的谐波含量， 输出电压非常平滑且接近理想正弦波形， 因此在网侧不需要大容量交流滤 波器；开关器件的开关频率低，开关损耗也就相应的减少；由于MMC拓扑将能量分散存储 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。
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。因此可以称之为 三电平子模块结构，输出的电压波形如图 7 所示。
us
2Uc
Uc
0
t
图7
新拓扑的输出的电压值
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 2 ：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同的调制波幅 值,利用基波和谐波解析表达式设定相应的几组开关角 ,工作时根据系统运行条件查表确定 输出哪组开关角,其优点是能很好地控制谐波,缺点是动态特性差,计算量随着电平数的增大 而急剧增大,适用于电平数不太多的场合。电压逼近调制策略有空间矢量控制(SVC)和最近 电平逼近调制(NLM),其原理是使用最近的电压矢量或电平瞬时逼近调制波,适用于电平数 很多的场合。当电平数太多时 , 电压矢量数会很多 ,SVC 的实现较复杂 , 因此 , 对用于 VSC-HVDC 输电的 MMC(电平数极多),NLM 具有相对的优势。 (1) 2.1 NLM 在 MMC 上的实现