MMC拓扑结构优化分析

MMC是一种多电平换流器，三相MMC的拓扑结构如图8-43a所示，图中换流器由三个相单元8组成，三个相单元并联连接形成直流母线P-N，每个相单元包含上、下桥臂（T1、T2、…、T6），称之为换流阀，桥臂由（为使换流器能输出零电平，桥臂子模块数目为偶数）具有相同结构的8个子模块7和一个电抗器L串联组成，上、下桥臂电抗器的连接点是换流器的交流侧电气接口，三个交流接点A、B、C对外可接三相负载。子模块的结构如图8-43b所示，其主要包括两个功率开关管IGBT及反向并联的二极管、电容、电子开关、晶闸管。两个IGBT串联后与电容并联，下部的IGBT两端为功率单元引出点X1、X2，电子开关管6、晶闸管5与下开关管1并联，电子开关管6用于旁路控制，开关闭合时将子模块旁路；晶闸管在MMC直流侧短路被触发，承担大部分的短路电流，将二极管2卸载，避免其被击穿。

图8-43　MMC的拓扑结构图

MMC的子模块有三种工作状态：①上开关管导通、下开关管关断，子模块输出端电压为U_c，电容被充电或者放电，该工作方式称为投入状态，子模块的充放电取决于电流方向，可以利用这一点设计子模块电压的均衡控制；②上开关管关断、下开关管导通，子模块输出电压为0，子模块电容被旁路，电压不变，该工作称为旁路状态，该状态子模块输出电压总为0，可实现子模块的冗余设计；③上下开关管全关断，子模块输出电压取决于电流的方向，若电流由X2流入，输出电压为电容电压，反之输出电压为0，称为闭锁状态，该状态下子模块电容会被充电或者旁路。前两种工作方式为MMC正常状态下的工作方式，在启动换流器时电容的充电过程中或故障状态子模块才会处于闭锁状态。(https://www.xing528.com)

图8-44　MMC输出电平构成方式

MMC正常工作过程中，子模块电容电压需保持在一定电压范围内，通过控制子模块的工作状态，MMC上、下桥臂等效于可控电压源。在任意时刻，保证每个相单元处于投入状态的子模块数目不变（不考虑冗余设计，需投入单个桥臂包含的子模块数目），即上桥臂每增加一个投入的子模块，下桥臂必须由一个子模块变为旁路状态，反之亦然，这样就保证了MMC的直流母线电压恒定。改变投入的子模块在上、下桥臂间的分配关系，单个桥臂中处于投入状态的子模块数目发生变化，换流器的交流侧输出电压的电平数随之变化，整个相单元的子模块数目越多，得到的交流电压越接近于正弦波。如图8-44所示，MMC相单元有8个子模块，相单元投入的子模块数保持为4。当上桥臂投入4个子模块，下桥臂旁路4个子模块，MMC输出电压为-2U_c；当上桥臂投入3个子模块，下桥臂投入1个子模块，MMC输出电压为-U_c；上、下桥臂各有2个子模块处于投入状态，其他子模块被旁路，MMC输出电压为0；当上桥臂投入1个子模块，下桥臂投入3个子模块，MMC输出电压为U_c；当上桥臂旁路4个子模块，下桥臂投入4个子模块，MMC输出电压为2U_c。