多电平换流器技术

电力电子专题课程
结课作业
题目：多电平换流器技术
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班级：研电1206
任课老师：韩民晓
一多电平换流器技术概述
按照输出电压的电平数，换流器可以分为两电平换流器和多电平换流器。

两电平换流器的拓扑结构如图1-1所示，图中采用的开关器件是带反并联二极管的IGBT，通过控制可关断器件的导通和关断，在换流器输出端将直流电容电压的正极性(p)与负极性(n)电压分别引出，实现直流电能与交流电能互相转换。

两电平换流器的主要优点有：电路结构简单，电容器数量少，占地面积小，所有阀容量相同等优点。

但是，在许多应用场合，两电平换流器的阀需要承受的电压很高，所以单个阀需要串联大量开关器件，由此带来串联器件的静态、动态均压问题。

两电平换流器还会产生很高的阶跃电压，对交流设备极为有害。

为了避免出现上述技术难题，于20世纪80年代，一种新型的换流器新思路——多电平换流器开始出现，并受到了越来越多的关注。

所谓多电平换流器是指换流器输出电压波形中的电平数等于或者大于3的换流器，如三电平、五电平、七电平等。

所谓电平数，是指换流器输出电压波形中，从正的最大值到负的最大值之间所含的阶梯数。

多电平换流器降低了两电平换流器对开关器件开关一致性和均压性的要求，可通过合适的调制方式减少开关器件的开关损耗，同时保持交流侧较低的谐波，降低了换流器的阶跃电压。

n
图1-1两电平换流器主电路
二多电平换流器拓扑
经过多年的发展，按照多电平换流器的结构特点，主要形成了以下几种多电平换流器拓扑：(1)二极管钳位型多电平换流器；(2)飞跨电容型多电平换流器；
(3)级联型多电平换流器；(4)模块化多电平换流器（MMC）。

2.1二极管钳位型多电平换流器
二极管钳位型多电平换流器的主电路拓扑如下图所示。

N
p
图2-1二极管箝位型三电平换流器主电路
如图2-1所示，二极管钳位型三电平换流器每相都需要4个主开关器件、4个续流二极管、2个钳位二极管，VT a1与与VT a2同时导通时，输出端a 对中性点O 点的电平为+U dc /2；当VT a 2与VT a3同时导通时，输出端与O 点相连，因此它的电平为0；当VT a3与VT a4同时导通时；输出电平为-U dc /2，所以每相桥臂能输出3个电平状态，由三相这种桥臂组成的变换电路就叫做二极管钳位型三电平换流器。

每相桥臂都有三种工作状态，输出三种电平。

二极管钳位型多电平换流器的输出电压如下图所示：
u ao u bo u co U dc -U dc U dc -U dc U dc -U dc t
t
t
图2-2二极管箝位型三电平输出电压波形
这种换流器的特点是电路结构和控制方式比较简单，便于双向功率流动的控制，
功率因数控制也方便。

缺点是电容分压的均压比较复杂和困难。

由于拓扑本身的原因造成的中点电位不平衡问题，是制约二极管钳位多电平换流器应用的主要原因。

2.2 飞跨电容型多电平换流器
飞跨电容型多电平换流器也称为电容钳位型多电平换流器，是由法国学者T.A.Meynard和H.Foch于1992年首先提出的。

该换流器结构不存在二极管钳位型多电平换流器中主、从功率开关的阻断电压不均衡和钳位二极管反向电压难以快速恢复的问题。

图2-3为飞跨电容型多电平换流器的主电路拓扑。

N
p 图2-3飞跨电容型三电平换流器主电路
飞跨电容型三电平输出电压波形和二极管箝位型三电平输出电压波形类似，这里不再累赘。

飞跨电容型三电平换流器与二极管钳位型三电平换流器相比，其优点是： (1)在电压合成方面，开关状态的选择具有更多的灵活性； (2)由于飞跨电容的引进，可以通过在同一电平不同的开关组合，使直流电容电压保持平衡； (3)可以控制有功功率和无功功率的流量。

但是，飞跨电容型三电平换流器也有其缺点： (1)每个桥臂上需要一个钳位电容，成本高，且不易封装； (2)控制方法比较复杂，实现困难。

2.3级联型多电平换流器
级联型H桥逆变器由若干功率单元级联而成，每个单元有其独立的直流电源。

其主电路拓扑结构如图2-4所示：
该电路为单相N单元级联型逆变器，其输出波形所含电平数为2N+1，所含电平数越多，则谐波含量越低，开关所承受的电压应力越低。

级联型多电平逆变
器，是采用具有独立直流电源的H 桥作为基本功率单元级联而成的一种串联结构形式，它不存在直流电容分压的问题。

因此也不存在直流电容分压的均压问题，相对于箝位型多电平逆变器，在控制上简单了很多。

图2-4 三相级联型多电平逆变器拓扑
同二极管箝位型逆变器及飞跨电容型逆变器相比，级联型逆变器不需要大量的箝位二极管或电容，也不存在中间直流电压中性点偏移问题；采用模块化安装，结构紧凑；而采用载波相移的控制策略，其计算量不会随着输出电平数的增多而变得更加复杂。

当然，级联H 桥型变流器也有不足之处，主要就是在需要提供有功功率的场合必须采用独立直流电源。

显然，在不需要提供有功功率的场合比如静止无功补偿器、电力有源滤波器(APF)等，级联型多电平变流器具有更大的优势。

2.4模块化多电平换流器
模块化多电平换流器的拓扑如图2-5所示，其基本的电路单元称为子模块，各相桥臂均是通过一定量的具有相同结构的子模块和一个阀电抗器串联形成。

U d
图2-5 模块化多电平换流器的结构
MMC的子模块由一个作为开关单元的IGBT半桥和一个直流储能电容构成，如图2-6所示。

自模块n-1
图2-6 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T1和T2的作用，U SM可以同时在两种电流方向的情况下进行电容电压U C与0之间的切换。

一个子模块共有三种开关状态：(1)子模块上下IGBT均关断，此状态为闭锁状态，一般在故障与启动时使用。

(2)子模块中上IGBT导通，下IGBT关断，子模块端口电压等于子模块中电容电压，这样根据电流的方向来决定电容处于充电或是放电状态，此状态为投入状态。

(3)子模块中上IGBT关断，下IGBT导通，子模块的端口电压等于0，子模块中电容被旁路，子模块电容电压保持稳定，此状态为切除状态。

MMC具有下列优点：
(1)MMC可以运用较低的开关频率得到较优的输出电压波形，低开关频率带来器件开关损耗及系统总损耗的降低，提高了换流器系统的效率、可靠性及经济性。

(2)具有模块化的构造特点，极易扩展到不同的电压等级及功率等级，满足不同等级的工程需求，具有较强的灵活性。

(3)MMC的元件采用在工业应用上成熟的标准部件，并且可以容易地被替换为最新型的器件。

(4)具有较强的故障保护能力。

通过子模块单元结构上的改进，配之以一定的开关器件，即可实现换流器阀的冗余设计。

(5)能够实现低电平台阶变化的多电平电压输出，降低了电压变化的幅度和梯度，有效缓解了换流器阀承受的电气应力，同时，具有较优的波形品质及较低的谐波含量，
然而MMC也存在着缺点，主要表现如下：(1)同样的直流电压等级下所使用的开关器件数为两电平VSC串联时的2倍，经济性略低。

(2)电容电压的平
衡问题。

(3)相单元间的环流问题。

三多电平换流器调制策略
1） SPWM 调制
SPWM 调制通过比较正弦调制波和载波得到脉冲波来控制开关器件的通断时刻，PWM 在大范围的调制比内具有很好的性能，并且电压利用率高，适合于实时控制。

但是该种调制方式造成开关器件的开关频率比较高，相应的开关损耗也高。

比较适合三电平换流器，当电平数比较高时该种调制方式不再适用。

2）空间矢量调制
空间矢量调制算法属于基频PWM调制，它依据三相电压空间矢量在空间矢量图上的位置选出合适的开关状态及开关时刻。

SVM能大大降低开关频率、消减计算量、消除或减少共模电压、有助于电容电压平衡、波形畸变小，能适用于多相系统或三相不平衡系统错误!未找到引用源。

但是，由于空间矢量的数目是电平数的立方，当电平数很高时，各状态对应的空间矢量冗余度很高，如何定位并在较短时间挑选出合适的空间矢量都会相当困难，甚至无法执行。

3）特定次谐波消去法
应用于较高电平换流器的特定次谐波消去法因其输出波形呈现阶梯状又称为阶梯波调制法。

特点是触发角度(θ1, θ2, …, θM)先根据欲消去的任意某些次谐波离线计算出来，使得器件的开关频率降低、谐波畸变率减少。

其缺点是触发角度的计算是基于稳态波形的傅里叶级数，通过求解一系列超越方程组得到的，动态性差，难以实现在线实时计算。

4）载波移相调制策略
载波移相调制技术是多重化和 SPWM 技术的有机结合，该调制策略指，对于每个桥臂中的 N 个子模块，均采用较低开关频率的 SPWM，并具有相同的频率调制比 kc和幅度调制比 m，使它们对应的三角载波依次移开 1/N 三角载波周期，即2Π/N 相位角，然后与同一条正弦调制波进行比较，产生出 N 组 PWM 调制波信号，去分别驱动 N 个子模块单元，来决定它们是否投入或切除。

将投入的各子模块输出电压相叠加，从而得到 MMC 的桥臂PWM 输出电压波形。

5）载波层叠脉宽调制
载波层叠脉宽调制方法是双极性PWM调制技术在多电平领域的拓展，根据三角载波之间相位关系的排列不同，可分为同相层叠式、正负反相层叠式和交替反相层叠式三种其中同相层叠式谐波性能最好，尤其是线电压谐波性能，交替反相层叠式次之，正负反相层叠式最差。

6）最近电平逼近法
最近电平逼近控制也称作量化取整法，原理与数字电路中的A/D变换类似。

它的工作机理是从换流器所能生成的电平中选择与调制波采样值最接近的作为控制指令，然后，触发相应数目的子模块产生所需的电平输出。

使用 NLM 策略的 MMC 在较大的工作范围内都具有很好的调制波跟踪能力和较低的谐波水平。

适用于电平数比较高的情况。

四模块化多电平换流器的典型应用模块化多电平换流器在柔性直流输电（VSC-HVDC）中有着典型的应用。

已有柔性直流输电工程采用的VSC主要有三种，即两电平换流器、二极管箝位换流器和模块化多电平换流器（MMC）。

而MMC拓扑结构具有制造难度低、损耗小、阶跃电压低、波形质量好、故障处理能力强等几个明显的优势。

MMC在VSC-HVDC受到了国内外学者的广泛关注，MMC_HVDC工程在全世界范围内不断得到应用。

表1列举了国内外的一些MMC_HVDC工程。

表1 全球范围内已建成或在建的MMC-HVDC实际工程
工程名称容量
/MW
直流电
压/kV
直流电缆/km 换流
器拓
扑
设备
供应商
投运
时间
备注
海底地下
TBC （美国）400 ±200 86 - MMC Siemens 2013
城市
供电
南汇柔性直流
输电示范工程（中国）18 ±30 8 - MMC
中电
普瑞
2011
风电
并网
INELFE （法-西）2*1000 ±320 - 60 MMC Siemens 2013
电网
互联
BorWin2 （德国）800 ±300 125 75 MMC Siemens
2013 风电
并网
DolWin1 （德国）800 ±320 75 90 CTL ABB 2013
风电
并网
DolWin2 900 ±320 45 90 CTL ABB 2015 风电
（德国）并网
HelWin1 （德国）576 ±250 85 40 MMC Siemens 2013
风电
并网
HelWin2 （德国）690 ±320 85 45 MMC Siemens 2015
风电
并网
SylWin1 （德国）864 ±320 160 45 MMC Siemens 2014
风电
并网
大连柔性直流
输电工程（中国）1000 ±320 50 - MMC 待定2014
城市
供电
南澳多端柔性
直流输电工程（中国）200 ±160 40
MMC
（4/5
）
待定
2013
-2015
海岛风
电并网
舟山多端柔性
直流输电示范工程（中国）400 ±200 141
MMC
（5）
待定2014
海上风
电并网
及海岛
供电
五结论
本文介绍了四种多电平换流器的拓扑结构：二极管钳位型多电平换流器、飞跨电容型多电平换流器、级联型多电平换流器和模块化多电平换流器。

其中二极管钳位型多电平换流器和飞跨电容型多电平换流器是应用较早的多电平换流器，其电路结构和控制方式比较简单，但是只适用于电平数较低的场合，当电平数增加时，这两种多电平换流器所用的钳位二极管和飞跨电容数量将急剧增加，导致电路结构和控制方法变得很复杂。

而级联型多电平换流器和模块化多电平换流器则适用于电平数较高，功率较大的工作场合，如高压直流输电。

其中模块化多电平换流器在柔性直流输电工程中应用广泛，列举了国内外应用MMC 的直流输电工程。

最后，介绍了多电平换流器中常用的调制方法，其中SPWM 调制主要适用于三电平换流器的调制，空间矢量调制因算法的复杂一般指适用于电平数较低的场合，特定次谐波消去法可以消去特定次的谐波，但是难以实现在线实时计算，载波移相调制策略和最近电平逼近法适用于电平数较高的场合，在电平数很高时最近电平逼近法更加具有优势。