文 | 过目不忘鲁状元

编辑 | 过目不忘鲁状元

序

随着电力系统的不断发展和电力需求的增长，电力电子变压器（PET）作为一种新型的电力传输和分配设备，具有了广泛的应用前景。

除了具有传统电力电压器的功能，PET不仅能实现上述对所接装置的有效管理，以提高电能传输效率，而且能改善提高电能质量。

近年来逐渐兴起的模块化多电平变换器（MMC）拓扑，因具有高压直流母线，允许高压直流形式电能的直接接入，提高了PET在直流网络中的适用性。

研究基于MMC的电力电子变压器，不仅为微电网接口的智能化、通用化、多功能化、实用化，提供了切实可行的解决方案，也为能量路由器的能量传输提供更为灵活的方案。

因此，我们对MMC型PET进行建模和拓扑结构优化，深入研究MMC型PET的关键技术，希望能够为其性能提升和应用推广提供有力支持。

具有直流故障穿越能力的拓扑结构

自2000年起，随着级联H桥变换器拓扑结构的兴起，研究基于CHBC拓扑的PET装置已成为各单位研究的基本拓扑，并都致力于研究基于此拓扑的实验样机。

与CHBC拓扑相比，MMC拓扑具有高压直流端口，适用于高压直流输电等需要传输有功功率的场合，可直接与柔性直流网络相连。

并且它还具有网侧和负载侧电压、电流和功率灵活可调的特点，也非常适合用于微网智能接口，因此将MMC拓扑结构应用于PET中，具有十分重要的研究价值和非常广泛的应用前景。

MMC应用于柔性直流网络中时，还存在直流短路故障的问题，目前已有较多文献提出了改进方法。

但是，它还存在故障清除时间较长、故障清除后由子模块种类不同导致的电容电压不一致、以及预充电过程较长的问题，这些对装置重启和子模块电压平衡都带来了较大的困难。

因此，我们首先了解了MMC型多端口PET的拓扑结构和工作原理，分析了该拓扑的数学模型，然后分析MMC中发生直流短路故障的机理。

根据分析结果，我们提出了一种改进的混合MMC拓扑结构，该拓扑结构不仅增强了故障穿越能力，而且可以根据不同电压等级的应用场合，使用相应的快速预充电策略，来加快预充电的速度。

除此之外，针对MMC型PET可能出现器件成本较大的问题，我们提出了一种混合型MMC型PET的拓扑结构。

该结构可以有效降低开关器件、辅助电路和中高频变压器的数量，并且使用尽可能少的器件，实现了直流故障穿越能力，使得装置结构更为紧凑。

MMC型PET的基本拓扑及工作原理

MMC型PET的结构中主要包含三个部分，如下图所示，分别是MMC，多个DAB输出并联系统和低压变换器，其中，MMC部分的主要功能是提供高压交流和高压直流的端口，并且为DAB提供低压直流接口。

DAB部分的主要功能，是将能量在高压端口和低压端口之间进行传递，主要通过MMC中的子模块电容为中介来实现。

而低压变换器部分的主要功能，是为PET提供低压交流端口，以及在低压交流和低压直流端口之间，进行能量传递。

这样，MMC型PET就拥有了高压交流、高压直流、低压交流和低压直流，四个不同电压等级和形式的端口。

每个子模块的直流侧，分别与一个DAB的直流侧相连接，所有这些DAB的另一个直流侧则并联在一起，形成MMC型PET的低压直流端口。

每个DAB是由两个全桥结构单元和一个中高频的变压器组成，其中，全桥单元有利于电能在DAB中的双向流动，中高频变压器起到了电压等级变换和隔离的作用。

MMC型PET的低压交流端口，则是在低压直流端口连接了一个低压变换器来实现的。

针对MMC型PET应用于高压直流网络需要面对的直流短路故障问题，我们提出了一种改进的MMC拓扑结构以应对，该结构中除了包含传统的HBSM，还有具备直流故障穿越能力的MSDSM和ADSM。

与SDSM相比，MSDSM和ADSM中分别增加了电阻Rd和Rad，这些电阻加快了故障能量的耗散，进一步地增强了MMC的直流故障穿越能力，减少了故障清除时间。

通过仿真分析可知，MMC中所包含的等效电阻越大，故障清除时间越短，HBSM和MSDSM的电容电压变化量越小，有利于快速重启系统。

除此之外，我们所提出的改进拓扑，为加快系统的预充电速度，提供了多种选择。

我们还根据不同电阻配置条件和应用场合，提出了三种分组充电策略和两种ADSM投切方法相结合的方案，来调整充电路径中的总等效电阻，以充分利用所允许的电流裕度。

与传统方法相比，所提出的快速预充电策略不仅有效减少了预充电时间，而且有助于避免子模块，因其辅助电路消耗能量所造成较大的电压跌落。

对于四端口MMC型PET基本拓扑面临的开关器件和辅助电路增多问题，在保证直流故障穿越能力和预留高压直流端口的前提下，我们提出了更为简洁和紧凑的拓扑结构，进一步简化了。

随后，我们通过仿真和实验，验证了所提拓扑在不同分组充电策略下的可行性和有效性。

多模块直流电压测量技术

根据上面的实验结果，我们在MMC型PET的高压侧，采用了模块化多电平变换器来连接高压直流网络和高压交流网络。

这是为了充分利用模块化多电平变换器，因具有较高模块化、灵活性和可扩展性的特点，以适应高压场合中的应用。

在MMC中，每相含有上下两个桥臂，每个桥臂中又都是由多个串联的子模块组成。

由HBSM构成的MMC典型拓扑结构和基于不同测量技术的传感器位置如下图所示。

在传统的D-MT中，传感器连接在每个SM的直流侧，也就是直接测量SM中的电容电压，而O-MT和SIC-MT的传感器则连接到桥臂中多个串联子模块的交流侧。

为了MMC型PET的稳定运行，子模块的电容电压平衡控制和环流控制，是MMC控制策略中必不可少的部分。

而一般情况下，为了准确地操作控制系统，控制系统中每一个采样时刻，都需要获取所有子模块的电容电压和每个桥臂的电流。

在SIC-MT中，每个子模块的电容电压值都是由SIC-MT提供的，因此SIC-MT在MMC控制系统中的作用如图所示。

我们所提出的SIC-MT采样频率，等于桥臂交流侧电压等效开关频率的两倍，所选择的采样时刻是桥臂中每个载波为峰值和谷值的时刻，为了便于说明，在以下的分析中只选择A相的上桥臂作为研究对象。

除此之外，为了提高电压的估计精度，需要在每一个采样时刻更新该桥臂上所有子模块的电压，以便使子模块的估计电压始终与实际电压保持接近。

在每一个采样时刻，由于桥臂电流引起的电容电压变化，需要进行积分计算。因此，准确的积分计算方法，是SIC-MT对电压进行准确估计的必要条件。

在两个相邻的采样时刻之间，当采用CPS-PWM时，都会投入或旁路掉某一个子模块，所有其他的子模块均保持之前的开关状态。

通常情况下，这些子模块的电容电压变化量，是可以根据子模块的不同运行状态，以及如下所示的梯形法则，在每一个采样时刻计算得到的。

针对基于HBSM的典型MMC拓扑，和具有直流故障穿越能力的混合型MMC拓扑，我们提出了一种基于采样瞬时分类的子模块电压测量技术，和一种基于主从传感器结构配置的子模块电压测量技术。

这样做的目的是降低系统硬件复杂度，提高子模块的电压估计精度，扩大多模块电压测量方法的应用范围，特别是电压较高的应用场合，以及增强子模块和传感器故障诊断的能力，从而保护系统安全。

在SIC-MT中，重点分析了不同采样时刻的子模块运行规律和电容电压变化规律，增加了准确度较高的电压校正环节，避免了误差累积，从而进一步降低电压误差。

与此同时，我们还考虑了子模块直流侧所并联的辅助电路和平衡电阻或DAB时，对电压估计精度的影响，并提出了电压修正方案。

针对电压传感器在实际应用中，可能会出现的电压测量范围和带宽限制等问题，提出了一种分组测量策略。

与D-MT相比，该技术大大减少了传感器的数量，而与O-MT相比，虽然所提出的SIC-MT计算过程增加了，但是并没有增加过重的运算负担和采样要求。

这样不仅提高了电容电压估计的准确性，而且在电压传感器的数量以及测量电压范围和带宽限制之间，实现了最优配置。

仿真和实验结果验证了该方法的有效性，在MS-MT中，充分利用了所增加的从传感器的测量值，为子模块电压校正提供了更多准确的电压变化量，提高了电压测量的精度。

特别是，在预充电过程中，使用主从结构的传感器配置方式不仅能够满足不同子模块的电压测量要求，而且提供了子模块单个短路故障的诊断方案。

在直流故障穿越过程中，由于从传感器可以直接监测电压会升高的FBSM电压，因此MS-MT在直流短路故障条件下，比只用主传感器进行测量的技术，能更好地保护混合型MMC。

由此可得，MS-MT能够满足混合MMC在不同工况下的测量要求，仿真和实验结果验证了MS-MT的有效性和实用性。

这对于MMC型电力电子变压器，与中高压直流网络相连中的稳定运行，具有一定的参考和应用价值。

控制策略

在MMC中，所谓的子模块电容电压平衡控制一般包含两个阶段，一个是预充电阶段，在这一阶段中需要将所有子模块电容电压从零充电到额定电压，另一个则是MMC运行阶段。

MMC中含有大量的子模块，这些子模块的硬件参数不可能完全相同，在运行过程中，子模块的充放电过程也不可能完全相等。

因此子模块电容电压之间必然存在着不平衡，而电容电压的平衡与否，直接决定系统的稳定运行和MMC的输出性能。

然而，子模块电压平衡与调制策略是直接相关的，例如，在阶梯波调制中，一般会选择子模块电容电压排序的算法。

在载波层叠的调制中，电压平衡算法一般会与调制方法相结合，使开关频率较高的触发脉冲在子模块间循环以此来实现动态平衡。

而在载波移相的控制策略中，由于开关频率相对较高，为了控制的快速性，所以一般选择闭环控制方式，即在子模块调制信号中叠加电压的调节分量。

由于我们研究的应用场合是在配网中，子模块数量一般从十几到几十，所以选择采用CPS-PWM作为调制策略。

对于单个的子模块来说，采用电压闭环进行电压调节是最为直接的，其控制框图如图所示，调节速度可以直接通过调整比例系数Kp1来实现。

其中分别给出了x相上桥臂和下桥臂中子模块的控制框图，两者之间的区别是电压差值所产生的调节分量正负不同，这是由于MMC运行特征和上下桥臂电流方向设定造成的。

每个子模块的电压闭环控制，实质上就是根据电容电压高低和电流方向调整，当电容电压小于额定值时，如果电流方向是给电容充电，则延长充电时间，如果电流方向是给电容放电，则减少放电时间。

相反，当电容电压大于额定值时，如果电流方向是给电容充电，则减少充电时间，如果电流方向是给电容放电，则延长放电时间。

我们在分析MMC工作原理和多DAB输出并联系统工作原理的基础上，对它们控制策略展开研究。

并且我们还针对MMC型PET的拓扑结构特点，找到这两部分的结合点，即子模块电容电压平衡控制，以降低装置硬件复杂度和减少系统控制负担为目标。

通过理论分析，我们提出了在多DAB输出并联系统中，实现子模块电容电压平衡的MMC型PET整体控制策略。

接着，通过仿真和实验，我们验证了各部分及整体的控制效果，为器件数量较多的高压大容量电力电子变压器硬件和软件的简化，提供了一定的参考意义。

结语

通过上述的实验与计算，我们深入探讨了MMC型电力电子变压器的关键技术研究，包括拓扑结构设计、控制策略等多个方面。

MMC型电力电子变压器作为电力系统中的重要组件，其性能和可靠性对整个电力系统的运行都具有重要影响。

在拓扑结构设计方面，我们介绍了不同的拓扑结构以及优化方法，帮助研究人员根据具体应用需求选择最合适的结构，并提高了系统的效率和性能。

在控制策略方面，我们讨论了不同的控制目标和方法，使MMC型电力电子变压器能够灵活应对各种工况和需求。

通过深入研究这些关键技术，我们可以不断提高MMC型电力电子变压器的性能，使其更好地满足电力系统的需求，提高电力系统的稳定性和可靠性。

随着电力需求的不断增长和电力系统的不断发展，MMC型电力电子变压器将继续发挥重要作用，为电力系统的可持续发展做出贡献。

在未来的研究中，我们还可以进一步深入研究MMC型电力电子变压器的新技术，如智能控制、材料创新等，以不断推动其性能的提升，为电力系统的未来发展开辟新的可能性。