近年來，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多個半橋子模塊級聯(lián)來獲得較高的電壓等級，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)營的Trans Bay Cable Project柔性直流輸電工程和2014年7月投入運(yùn)營的舟山柔性直流輸電工程中每個換流站的MMC子模塊達(dá)到200個以上。

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，無論是傳統(tǒng)均壓策略還是各類優(yōu)化均壓策略，都需要給每個子模塊配置電壓傳感器來獲得各子模塊的電容電壓。隨著子模塊個數(shù)的增加，這種子模塊電容電壓檢測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，國內(nèi)外學(xué)者主要從調(diào)制策略和觀測器的角度進(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?，獲得了較好的電容電壓自平衡效果。
• 有學(xué)者在每個開關(guān)周期中對PWM脈沖進(jìn)行交換，使子模塊循環(huán)導(dǎo)通，保證每個子模塊的開通和關(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)者研究了一種無需子模塊電壓傳感器的基頻固定脈沖的調(diào)制方式，通過調(diào)整子模塊脈沖波形使每個子模塊能量一致。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，且無需測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)觀測器來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，但是觀測器算法復(fù)雜，當(dāng)子模塊數(shù)量很多時，實(shí)現(xiàn)難度較大。
• 有學(xué)者在每個橋臂僅配置一個電壓互感器，通過橋臂電流和子模塊開斷狀態(tài)來預(yù)測子模塊電容電壓。
• 有學(xué)者在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過在特定時刻直接測量到的子模塊真實(shí)值對預(yù)測到的子模塊進(jìn)行校正，但MMC所有子模塊校正一次所需要的時間較長，尤其是MMC子模塊數(shù)量很多時，對子模塊進(jìn)行校正所需要的時間更長。
• 有學(xué)者采用最近電平逼近調(diào)制方式，對子模塊電壓進(jìn)行分組檢測，考慮采樣系統(tǒng)的延遲特性對子模塊電壓測量精度的影響，提出了基于采樣電壓延遲補(bǔ)償?shù)淖幽K電壓測量方法，但沒有對MMC子模塊過電壓問題進(jìn)行研究。

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

圖11 單相九電平MMC實(shí)驗(yàn)平臺

總結(jié)

MMC分組檢測中，由于子模塊電容電壓不能實(shí)時被檢測到，從而使得橋臂子模塊可能出現(xiàn)過充電造成子模塊出現(xiàn)過電壓的問題，本文針對此問題，提出了一種基于強(qiáng)制投入的子模塊過電壓防護(hù)策略。

該策略在負(fù)載接入運(yùn)行前對橋臂子模塊電容電壓進(jìn)行預(yù)檢測以消除初始階段子模塊出現(xiàn)的過電壓；在負(fù)載接入運(yùn)行中對具有過電壓趨勢的子模塊進(jìn)行檢測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。該子模塊過電壓防護(hù)策略較為簡單，實(shí)用性較強(qiáng)，對柔性直流輸電中MMC少傳感器的應(yīng)用和推廣具有一定的意義。