近年來(lái)，模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）因具有模塊化設(shè)計(jì)、輸出波形質(zhì)量好、便于四象限運(yùn)行、器件開(kāi)關(guān)頻率低、故障處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在柔性直流輸電、中高壓電力傳動(dòng)及電能質(zhì)量調(diào)節(jié)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

模塊化多電平變流器通過(guò)多個(gè)半橋子模塊級(jí)聯(lián)來(lái)獲得較高的電壓等級(jí)，而現(xiàn)有的柔性直流輸電系統(tǒng)中，模塊化多電平變流器每相橋臂子模塊數(shù)量龐大，如2010年正式投入運(yùn)營(yíng)的Trans Bay Cable Project柔性直流輸電工程和2014年7月投入運(yùn)營(yíng)的舟山柔性直流輸電工程中每個(gè)換流站的MMC子模塊達(dá)到200個(gè)以上。

數(shù)目如此多的子模塊使得傳統(tǒng)的PWM調(diào)制策略不再適用于子模塊數(shù)多的MMC的應(yīng)用，因此，以上提到的直流輸電工程中MMC的調(diào)制方式均采用了最近電平逼近控制（Nearest Level Control, NLC）算法。而在最近電平逼近調(diào)制（Nearest Level Modulation, NLM）下，無(wú)論是傳統(tǒng)均壓策略還是各類(lèi)優(yōu)化均壓策略，都需要給每個(gè)子模塊配置電壓傳感器來(lái)獲得各子模塊的電容電壓。隨著子模塊個(gè)數(shù)的增加，這種子模塊電容電壓檢測(cè)方法不僅增加了系統(tǒng)的成本，還增加了數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

為了減少子模塊電壓傳感器的使用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從調(diào)制策略和觀測(cè)器的角度進(jìn)行研究。

• 有學(xué)者結(jié)合脈沖循環(huán)分配的策略，提出了基于脈寬補(bǔ)償?shù)碾妷浩胶饪刂品椒ǎ@得了較好的電容電壓自平衡效果。
• 有學(xué)者在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中對(duì)PWM脈沖進(jìn)行交換，使子模塊循環(huán)導(dǎo)通，保證每個(gè)子模塊的開(kāi)通和關(guān)斷具有相同的條件，從而使得子模塊電容電壓達(dá)到均衡。
• 有學(xué)者研究了一種無(wú)需子模塊電壓傳感器的基頻固定脈沖的調(diào)制方式，通過(guò)調(diào)整子模塊脈沖波形使每個(gè)子模塊能量一致。該方法可以在基頻情況下實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓均衡控制，且無(wú)需測(cè)量子模塊的電容電壓和其他附加的反饋控制。
• 有學(xué)者都是對(duì)調(diào)制方法進(jìn)行改進(jìn)，非常適用MMC橋臂子模塊數(shù)量很多的情況，但是這些方法都是建立在子模塊參數(shù)一致的條件下，并沒(méi)有考慮電容參數(shù)不一致的影響。
• 有學(xué)者提出了基于2n分組控制的方法以減少M(fèi)MC傳感器使用的數(shù)量，但是該文獻(xiàn)同樣沒(méi)有考慮子模塊電容出現(xiàn)偏移的影響。文獻(xiàn)[15-17]提出了自適應(yīng)觀測(cè)器來(lái)估算子模塊電容電壓，取得了較好的估算精度。
• 有學(xué)者將卡爾曼濾波與自適應(yīng)觀測(cè)器結(jié)合以減少電力電子系統(tǒng)噪聲干擾。
• 有學(xué)者的研究可以減少傳感器的使用，但是觀測(cè)器算法復(fù)雜，當(dāng)子模塊數(shù)量很多時(shí)，實(shí)現(xiàn)難度較大。
• 有學(xué)者在每個(gè)橋臂僅配置一個(gè)電壓互感器，通過(guò)橋臂電流和子模塊開(kāi)斷狀態(tài)來(lái)預(yù)測(cè)子模塊電容電壓。
• 有學(xué)者在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)在特定時(shí)刻直接測(cè)量到的子模塊真實(shí)值對(duì)預(yù)測(cè)到的子模塊進(jìn)行校正，但MMC所有子模塊校正一次所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是MMC子模塊數(shù)量很多時(shí)，對(duì)子模塊進(jìn)行校正所需要的時(shí)間更長(zhǎng)。
• 有學(xué)者采用最近電平逼近調(diào)制方式，對(duì)子模塊電壓進(jìn)行分組檢測(cè)，考慮采樣系統(tǒng)的延遲特性對(duì)子模塊電壓測(cè)量精度的影響，提出了基于采樣電壓延遲補(bǔ)償?shù)淖幽K電壓測(cè)量方法，但沒(méi)有對(duì)MMC子模塊過(guò)電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行研究。

綜上所述，針對(duì)MMC子模塊電容電壓少傳感器檢測(cè)中出現(xiàn)子模塊過(guò)電壓的問(wèn)題，本文在橋臂子模塊分組檢測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)子模塊過(guò)電壓產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提出子模塊過(guò)電壓防護(hù)策略。在負(fù)載接入前對(duì)子模塊進(jìn)行預(yù)檢測(cè)，以快速得到每個(gè)子模塊電容電壓真實(shí)值，防止子模塊過(guò)充電；在負(fù)載接入時(shí)，設(shè)置子模塊閾值電壓，當(dāng)測(cè)量得到子模塊電容電壓平均值超過(guò)閾值電壓時(shí)，采用基于直接可測(cè)情況的子模塊電容電壓測(cè)量方法獲得該組中每個(gè)子模塊電容電壓真實(shí)值，進(jìn)而對(duì)子模塊電壓正確排序，避免過(guò)電壓的發(fā)生。

圖11 單相九電平MMC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

總結(jié)

MMC分組檢測(cè)中，由于子模塊電容電壓不能實(shí)時(shí)被檢測(cè)到，從而使得橋臂子模塊可能出現(xiàn)過(guò)充電造成子模塊出現(xiàn)過(guò)電壓的問(wèn)題，本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種基于強(qiáng)制投入的子模塊過(guò)電壓防護(hù)策略。

該策略在負(fù)載接入運(yùn)行前對(duì)橋臂子模塊電容電壓進(jìn)行預(yù)檢測(cè)以消除初始階段子模塊出現(xiàn)的過(guò)電壓；在負(fù)載接入運(yùn)行中對(duì)具有過(guò)電壓趨勢(shì)的子模塊進(jìn)行檢測(cè)以獲得該子模塊電容電壓真實(shí)值，使其參與正常排序，限制其電容電壓的進(jìn)一步攀升，從而防止過(guò)電壓的出現(xiàn)。本文所提出的策略在不影響MMC穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，能夠有效防止子模塊過(guò)電壓的發(fā)生。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法有效、可行。該子模塊過(guò)電壓防護(hù)策略較為簡(jiǎn)單，實(shí)用性較強(qiáng)，對(duì)柔性直流輸電中MMC少傳感器的應(yīng)用和推廣具有一定的意義。