基金项目十国家科技支撑计划重大项目20108处00816；高等学校学科创新引智计划出08013.

　　MMC是应用于电压源换流器直流输电voltagesource拓扑。该文介绍了0的拓扑结构及相应的工作原理。针对该新型换流器拓扑的特点及其在高压直流输电领域中的应用，提出种新颖的适用于模块化多电平换流器的载波移相调制策略相比，该策略动态调节能力强，且使，诮系，开关频率的同时，亦具有良好的谐波特性。换流器中子模块根据子模块能量均分和电压均衡两种原则，结合换流器拓扑结构特点和调制策略，提出种子模块电容电压平衡控制策略，有效确保各子模块电容电压处于相同的动态变化范围。

　　仿真结果验证了所提策略的正确性与有效性。

　　制技术；环流；电容电压平衡0引目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，电压源换流器喂直流输电0050肌6converterhighollageDC，VSCHVDC6jfefi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17，并在近些年取得很大发展。8，菏牵じ，只00输电系统中的核心组成部分，其拓扑结构及调制策略对8，0的运行特性以及8 00工程的有效性经济性和可靠性都有很大的影响8.目前己投运的8，0多采用两电平，50或平，8拓扑结构。叫电180存在的主要问是过高开关频率带来的过高开关损耗10丑1串联带来的静态动态均压和电磁干扰，另外，对器件的开关致性要求很高；电平，80存在的主要问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。1述两种拓扑结构也给0的设汁布局及装配带来了极人的难度。

　　为了解决上述80的问，西门子公司提出了种适用于100和，0的新型8，私峁躬模块化多电平换流器6.采用榄块化设计，通过调整子模块的串联个数可以实现电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，开关损耗也相应减少；由于0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。

　　讪然西门广水建的世1肯个采的流输屯1程丁糅88301北叫120年3月在美国投入商业运行，但是目前国内外学术界对MMC型电压源换流器直流输电技术的研究相对较少，诸如调制策略电容电压平衡控制故障保护等关键技术还没有得到完全解决，亟待深入研究。

　　扑结构，仅就换流器的外部特性及优缺点进行叙述。文献1314提出种适用于电机调速的具有高开关频率的多电平空间矢量调制方式，但其不适用于需尽可能降低损耗的高压大容量的8，100输电领域。文献15得到了电容电压参数设计的达式，且提出种引入附加开关点的电容电压平衡控制策略，但是并没有提出相关的MMC调制方式，预充屯程斤也作完，文献19的存电比平衡策略中子模块电容电压参考值只考虑了交流侧电压对其影响，没有考虑到直流侧电压的变化对其影响，因此不适合在8，10，菏涞缌煊蛴τ谩，的戍用，提出种新颖的适叩于松块化多电平换流器的，5，推出采用该调制策略的厘厘0运行时的输出波形傅里叶级数达式。该策略动态调节能力强，且使40在较低开关频率的ll时，亦！VYl良好的谐波特性。MMC子模块间的屯容屯压1衡问，以的研宄难点之。本文根据子模块能量均分和电压平衡两种原则，结合换流器拓扑结构特点和调制策略，提出了种子模块电容电压平衡控制策略，确保各子模块电容电压处于相同的等级范围。该电容电压平衡控制策略可使厘，工作在很低的开关频率，且各子模块电容电压无需排序，减少了8丁的开关次数，使厘1模块化多电平换流器的拓扑与工作机理其中每个桥臂由若干个相互连接且结构相同的子submodule，SM个电抗器串联构成，上下2个桥臂构成个相笮元。根掘10的校块化设计，6个桥臂。有对称性，各子模块的电参数和各桥臂电抗值都是相同的。与以往，80拓扑结构显著不同的是，模块化多电平换流器在直流侧正负极之间没有直流储能电容。

　　每个子模块邡足两端元件，通过2个开关艰元丁1和丁2的作用，1可以同时在2种电流方向的情况下进行电容电压，与，之间的切换。具体开关状态如1所述。其中，1导通，0关断。

　　由于换流器中3个相单元具有严格的对称性，以3相为例。户点和点换流器直流侧的正负母线，它们相对于参考中性点，的电压分别为。2和。2.，1和2分别是相上下桥臂可控电压源电压为3相交流输出侧的电压。可以得到将式1中的上下两式相加，得到由式1可知，相交流电压的输出是通过对相单元中上下桥臂处于投入状态的子模块个数进行调整而得到的；由式2可知，直流电压等于相单元中上下桥臂电压之和，即保证相单元中在任何时刻投入的子模块个数都相同，这些是厘正常工作的必备条件。

　　由于厘0中3个相单元具有严格的对称性，并且相单元中上下2个桥臂同样也具有严格的对称性，因此直流电流4在3个相单元间被均分，3相的输出端电流也被上下2个桥臂均分为2部分。

　　可以得到3相上下桥臂电流为根据0中个相单元的对称性，1相，相与3相具有上述同样的工作机理。

　　2MMC的调制策略要实现系统高性能和高效率的运行，不仅要有适当的电路拓扑结构作为基础，还要有相应的调制策略作为保障。针对火功率多电平换流器，前般有如几种调制策略阶梯波脉宽调制消除特定次谐波调制多载波，技术多电平电压空间矢量控制载波移相脉宽调制技术。其中，阶梯波脉宽调制虽然算法简单，但是输出电压的调节依；1流总线电压或移相角，动态调1；困难。开关1欠数的多少受电容电压平衡控制影响，损耗不定明！1减少；消除特定次谐波调制技水计烊几关点的时候需解非线性超越方程，计算复杂，般通过离线查法完成控制，动态特性差；多电平电压空间矢拧制中电平数与电压空间矢量数成立方关系，闪此该技术在电平数较高时会受到限制。因此，针对从用于，0，00领域的，0需要电平数多的特点，采用易于实现的，撕1更具，优势，1该技术能够在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果。具有良好的谐波特性。

　　2载波分量。当=饥嫌以饥=2 3，时，可得载波谐波3边带谐波分量。当=讲嫌7+，山式57可，采用05个子模块输出电压为单个子模块的倍呈线性放大；等效开关频率提高倍，巨。3以为偶数，载波谐波不存在；当7+，为偶数时，边带谐波不存在。因此，该技术能在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果，具有良好的谐波特性。

　　在，0的1相单兀中，使1下2个桥臂的调制波相互反相，这样在任意时刻每个相单元中上下2个桥臂被触发投入的模块个数互补于，从而保证在任意时刻每个相单元都有个子模块投入。调制波的相角参考如2.

　　3电容电压平衡控制策略3.1控制要求为实现MMC中各子模块的电容电压平衡，文献16所述的做法以控制与盼测系统，要不断地检测同个桥臂内的各子模块电容电压和桥臂电流，然后通过软件对子模块电容电压进行排序，*后根据桥臂电流的方有选择性地投入或切换相应的子模块。这种方法操作简单，砧更件上的实现，但是为了实现保证各子模块电容电压的致性，必须在极短的时间内监测并控制各个子模块的轮换，这样势必造成子模块中的开关单元频繁开通和关断，从而增大了换流器的开关损耗。针对这种问，结合，88胃调制方式，提出了种新模块的开关频率。然后根椐调制波的变化来决定子模块的触发状态，从而调节其充放电时间，进而实现桥臂中各子模块的电容电压平衡。

　　3.2相单元间的环流换流器中的3个相单元并联于直流侧母线上，在运行时每个相单元产生的直流电压很难保持严格致，因此就有环流在3个相单元间流动，4为MMC换流器内部的环流原理。

　　由于3的换流器的各相单元结构是对称得到环流达式其它相单元依次类推。

　　由式89可以得出，环流只存在于换流器内部，独立于换流器外部所接电源或负荷。尽管桥臂电抗可以限制环流的大小，但是相单元间环流的存在仍会使桥臂电流发生畸变，也会对电容电压平衡产生定影响，所以就有必要采用合适的控制策略对电容电压平衡和环流进行协同控制。

　　3.3控制策略乎衡控制分2个部分。

　　1能1均分控制。该部分的作用是保诎每个相单元中若干子模块电容电压的平均值跟踪它的参考值，从而使能量均，的分配到这些子模块中。控制结构5.

　　坏流是在各模块1循环流通的，并且+受负荷侧电流的影响，可以设计个独立的环流控制内环来实现对环流的调节。电压外环采用，1调节器，控制相单元中平均电容电压值跟踪电容电压参考值，1调节器的输出作为电流给定；电流内环也采用1调节器，控制环流跟踪给定环流参考值的变化，其输出作为电容电压平衡控制调节量。例如，叱叱时，环流参考值。；增加。电容电压控制中的独立电流环迫使环流实际值跟踪环流参考值。因此环流控制环的反馈控制使叱在不受负荷侧电流的影响下跟踪它的参考俏〃，率流向换流器；如果101就为负，这样与31合成为流向换流器方向的功率。相反，当心1叫，换流器为1流侧提供能！4，上桥忾的电容放电如果冰叫为负它们合成的功率流向1流侧；13时，拖为，它们介成的功率也是流向直流侧。

　　根据上述原则，下桥臂电容电压调节量叫。为3.4结合电容电压平衡控制量的的调制策略根据3的等值电路，可得每个子模块电容电压的参考值+上析臂13，今+告下桥臂由式1314可知，本文中设定的每个子模块电容电压参考值不仅受换流器交流侧电压影响，而且也受实际直流侧电压变化的影响。而文献19目压设为定值，这是与本文有显著区别的。

　　电压均衡控制。该部分的作用是使桥臂上若干子模块的电容电压跟踪其参考值。控制结构如电压环采用比例调节器，控制子模块电容电压跟踪电容电压参考值，其输出为电容电压平衡控制调节量。以人相上桥臂为例，由于电容电压平衡控制是根据，下桥臂电流方向来调节的此。

　　器应该从直流侧来获取能量为桥臂上的电容充电，如果410，职为正值，这样就与41合成正的功在式1314中加入电容电压平衡控制量，可得*终参与到载波移相调制策略的调制波幅值，每个桥臂采用个不同相位的角载波与幅值为巧的个子模块调制波进行比较，生成相对独立的况组，调制信号，分别驱动上桥臂个，模块的功率器件，决定它们是投入或是切除。将投入的各子模块输出电压叠加，得到440的桥臂胃输出电压波形。

　　2无功功率参考值保持不变，直流电压在=28时由10调节至9.结果13.

　　由810可，在系统无功功，发生翻转时，桥臂中子模块电容电压依然保持良好的致性且能稳定在相同的等级范围，从而保证直流母线电压和系统输送的有功功率保持不变由3可，在直流电压参考量发生变化时，于模块电容电压也同样实现了动态调节，这样就能保证直流母线电压和系统输送的有功功率的灵活调节。

　　由9和12可知，直流母线电压的波动范围比单个子模块的电容电压波动范围小。这是由于上下桥臂的调制波是相互反相的，所对应的桥臂子模块电容电压波形也是相互反相。，上下桥臂中的若干个子模块处于投入状态时，其电容电压波形叠加，波形中的波动部分相互抵消，由此产生的，流母线电压的波动范围就比单个子模块的电容电压波动范围小。这种特性既能保证直流电压的稳定又能减少直流侧的谐波。

　　4仿真研究在PSCAD仿真环境中搭建基于CPSSPWM的电平两端，000输电系统。其中每个相单元有20个子模块构成，上下桥臂各有10个。交流侧系统参数为两侧交流侧额定线电压6.12，换流电感=0.1等效损耗电阻=0.02直流侧系统参数额定电压。=1换流器桥臂电抗=0.及=5，各子模块电容电压参考慎为lkV.CPSPWM调制频率为200Hz.在仿真中，对整流器采用定直流电。压和定无功功率控制，逆变侧采用定有功和定交流电压控制。下面以整流侧的仿真结果为例来介绍。

　　1直流电趟恒定，无功功率参考值在户2 3时由14，阶跃到结果810，制策略和电容电压平衡策略，所设计的控制系统实现了直流电压的定值控制及传输功率的灵活调节。

　　当调节无功功率时，对有功和直流电压的影响较小；调节直流电压时，对其它量则有些影响。

　　5结论制策略，该策略能够在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果，且具有良好的谐波特性。

　　结合088丽调制策略，提出了种子模块电容电压平衡控制策略，确保各子模块电容电压处于同的冷级范之内且能保持电1变化的致性，从而保证直流电压的稳定和功率的动态调节。

　　由个干投块中器件开关频率都是相同1较低的，电容电压无需排序，这就避免了因排序导致的过多的犯8丁开关次数，从而降低厘，嚎，厮鸷摹，在，8，氚疋丁0，教ㄉ洗罱，吮1电平波动，范围控制在10以内，明该电容电压平衡控制策略具有良好的性能且能实现动态调节。

　　致谢缶此感谢华北电力大学科研基金资助项目李庚银，吕鹏飞，李广凯，等。轻型高压直流输电的发展和展望习。电力系统自动化，2003，27415.

　　张桂斌，徐政，王广柱。基于，父的直流输电系统的稳态建模及其非线性控制习。中国电机工程学报，2002，胡兆庆，毛承雄，陆继明。种新的优化协调控制在轻型直流输电中的应用习。中国电机工程学报，2005，赵成勇，李金丰，李广凯。基于有功功率和无功功率独立调节的VSCHVDC控制策略J.电力系统自动化，2005，尹明，李庚银，李广凯，等。30只00连续时间状态空间模型及其控制策略研究习。中国电机工程学报，2005，罗湘，汤广福，查鲲鹏，等。电压源换流器高压直流输电换流阀的试验方法习。电网技术，2010，345 2取湘，汤广福，查鲲鹏合成实验方法在80，00换流阀短路电流实验中的应用习。电网技术，2010，347913.

　　丁冠军，丁明，汤广福，等。新型多电平0子模块电容参数与均压策略习。中国电机工程学报，2009，丁冠军，汤广福，丁明，等。新型多电平电压源换流器模块的拓扑机制与调制策略习。中国电机工程学报，2009，李建林，赵栋利，赵斌，等。载波相移8级联型变流器及其在有源电力滤波器中的应用。中国电机吴洪洋，何湘宁。多电平载波，胃法与8胃法之间的本质联系及其应用习。中国电机工程学报，2002，赵昕赵昕1985，男，硕士研究生，主要研究方向为高压直流输电，新型输配电技术及赵成勇1964，男，教授，博士生导师，主要研究方向为高压直流输电与系统尺丁03建模等，吗2，沈江李广凯1975，男，博士，副教授，主要研究方向为高压直流输电，新型输配电技术，电能质量分析与控制等，吨让饶宏196男，教授级高级工程师，长期从事交直流电力系统及尚压直流输电黎小林1963，男，高级工程师，工学硕士，从事直流输电和，0丁8方面的研究。

　　责任编辑王剑乔