楊曉峰，林智欽，薛 堯，鄭瓊林

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）

模塊化多電平換流器MMC的環(huán)流抑制技術(shù)綜述

楊曉峰，林智欽，薛 堯，鄭瓊林

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）

模塊化多電平換流器（MMC）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)帶來了內(nèi)部環(huán)流問題，這將直接影響MMC的系統(tǒng)損耗和內(nèi)部運(yùn)行特性。最近幾年中，關(guān)于MMC環(huán)流問題的研究取得了重大進(jìn)展。首先概述了MMC環(huán)流理論分析的進(jìn)展，在討論相應(yīng)的環(huán)流控制面臨的挑戰(zhàn)基礎(chǔ)上，綜述了前沿的環(huán)流抑制技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，并就未來研究方向進(jìn)行了探討。

模塊化多電平換流器；環(huán)流抑制；橋臂電流；負(fù)序；諧振控制；重復(fù)控制

引言

作為一種有前途的高壓、大容量電壓源型拓?fù)?，模塊化多電平換流器 MMC（modular multilevel converter）近年來獲得了廣泛的研究，并在HVDC項(xiàng)目中獲得了成功的商業(yè)化推廣［1,2］。2010年世界首個(gè)基于MMC的柔性直流輸電工程—美國的Trans Bay Cable工程投入運(yùn)營，我國已經(jīng)建成投運(yùn)的上海南匯柔性直流輸電示范工程、舟山五端柔性直流輸電工程、廣東南澳三端柔性直流輸電工程等均采用MMC拓?fù)?。然而，MMC自身也存在一些不足。MMC各相的上橋臂和下橋臂電流中除了承擔(dān)交流網(wǎng)側(cè)輸出的功率分量外，也存在一部分諧波偏置分量，該分量僅在MMC內(nèi)部流通，而對(duì)其直流側(cè)和交流側(cè)的功率輸出沒有影響，則把該電流分量定義為環(huán)流［3,4］。環(huán)流疊加在各相的上橋臂電流或者下橋臂電流內(nèi)，一方面提高了功率開關(guān)器件額定電流容量，增大了系統(tǒng)成本；另一方面增加了損耗，并使功率開關(guān)管發(fā)熱嚴(yán)重，甚至燒毀，影響裝置使用壽命。文獻(xiàn)［5,6］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MMC的公共直流母線輸入/輸出功率存在一定的低頻脈動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響MMC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行［7-9］。因此，開展MMC的環(huán)流機(jī)理研究，分析引起環(huán)流的不同因素，進(jìn)而提出合理的環(huán)流控制技術(shù)，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

抑制系統(tǒng)環(huán)流是提高M(jìn)MC性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，國內(nèi)外機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，有力促進(jìn)了MMC技術(shù)在更多應(yīng)用領(lǐng)域的推廣和發(fā)展。本文在分析造成MMC環(huán)流主要因素的基礎(chǔ)上，針對(duì)國內(nèi)外MMC環(huán)流控制方法的研究現(xiàn)狀和最新研究成果，進(jìn)行了詳細(xì)的分類闡述，并展望其發(fā)展和應(yīng)用前景。

1 MMC的環(huán)流分析

一些文獻(xiàn)在分析橋臂輸出功率時(shí)往往忽略環(huán)流中的二倍頻脈動(dòng)分量，而僅考慮環(huán)流的平均值iDC/3［10，11］。但這種假設(shè)未考慮不同相橋臂之間的能量交換，適用于分析HVDC系統(tǒng)等負(fù)載和交流電網(wǎng)高度對(duì)稱的特定應(yīng)用場合。然而，MMC系統(tǒng)的子模塊采用直流電容為儲(chǔ)能元件，直流電壓的脈動(dòng)較大，通常需要在各橋臂電流中疊加一部分平均電壓控制分量iZAVj（其中相數(shù)j=a,b,c），以滿足動(dòng)態(tài)均壓和穩(wěn)壓控制的需要。同時(shí)，各相橋臂之間也存在著相間有功電流流動(dòng)iZAVj，用于實(shí)現(xiàn)不同相橋臂之間的有功能量轉(zhuǎn)移和傳遞，其實(shí)質(zhì)也是調(diào)節(jié)各相橋臂子模塊的直流電容電壓穩(wěn)定。圖1展示了MMC的環(huán)流分布示意及環(huán)流模型。MMC的環(huán)流iZj對(duì)主電路的影響可以等效為兩個(gè)電流控制的電壓源，即激勵(lì)源iZj在2個(gè)橋臂電感上產(chǎn)生的2個(gè)環(huán)流壓降u-ZLj，參考方向如圖1所示。其中，uPj、uNj分別為上、下橋臂端口電壓；iPj、iNj分別為上、下橋臂的橋臂電流，起傳遞功率的作用；uLPj、uLNj分別為上、下橋臂電感壓降 （表示上橋臂電流iPj和下橋臂電流iNj在橋臂等效電阻和電感上產(chǎn)生的壓降）。根據(jù)文獻(xiàn)［12］的結(jié)論，環(huán)流的定性表達(dá)為

式中：iZdj為有功環(huán)流分量；iZqj為無功環(huán)流分量。二者與MMC的交流側(cè)和直流側(cè)的外部傳輸功率有關(guān)，無法通過控制手段消除，且表現(xiàn)為差模性質(zhì)，因此iZdj和iZqj也稱為不控環(huán)流。相間環(huán)流分量iZALj、平均電壓控制分量iZAVj不影響MMC的外部特性，由三相橋臂投入電壓總和不平衡造成，可以通過控制手段加以調(diào)節(jié)控制，且表現(xiàn)為共模性質(zhì)，因此iZALj和iZAVj也稱為可控環(huán)流（或電壓控制環(huán)流分量），兩者是實(shí)現(xiàn)直流電容電壓控制的載體?，F(xiàn)有文獻(xiàn)在討論MMC的環(huán)流問題時(shí)主要集中于對(duì)內(nèi)部可控環(huán)流特性的定量分析和抑制。

圖1 MMC的環(huán)流分布及模型Fig.1 Circulating current distribution and circulating current model of MMC

文獻(xiàn)［13］通過瞬時(shí)能量平衡關(guān)系，忽略環(huán)流引起的橋臂高次諧波電壓，以及相應(yīng)產(chǎn)生的高次諧波電流，分析了MMC內(nèi)部諧波環(huán)流的產(chǎn)生機(jī)理，并指出其主要為二倍頻負(fù)序分量。文獻(xiàn)［14］則在分析環(huán)流產(chǎn)生的機(jī)理基礎(chǔ)上指出，MMC環(huán)流中主要包括直流分量和偶數(shù)次諧波，不含奇數(shù)次諧波，且2次、4次等低次諧波所占比重最大，2次呈負(fù)序性質(zhì)，4次呈正序性質(zhì)。綜上所述，MMC的環(huán)流中主要包括2次、4次、6次等偶次諧波分量，其中2次諧波分量占主導(dǎo)，其幅值最為顯著。

1.1 環(huán)流的產(chǎn)生原因

MMC的環(huán)流問題歸根結(jié)底是電流控制問題，MMC橋臂中的共模電壓降是產(chǎn)生環(huán)流的直接原因［15］，而造成橋臂共模電壓降的原因主要包括如下4個(gè)方面。

（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。MMC的三相橋臂在直流側(cè)并聯(lián)連接，而由于MMC的瞬時(shí)能量儲(chǔ)存于懸浮的獨(dú)立直流電容中，各相之間能量分配的不平衡，直接導(dǎo)致?lián)Q流器內(nèi)部環(huán)流的存在［12,13,16］。 文獻(xiàn)［3］指出，即使采用直流電源代替子模塊中的電容，環(huán)流依然會(huì)產(chǎn)生。這意味著，環(huán)流與MMC的結(jié)構(gòu)、調(diào)制技術(shù)以及開關(guān)組態(tài)緊密相關(guān)。當(dāng)MMC上、下橋臂的電阻、電感不對(duì)稱時(shí)，環(huán)流的主要成分將不僅包括直流分量和2次諧波分量，同時(shí)包括了基頻無功分量，在控制器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)這種情形加以考慮［17,18］。與此同時(shí)，MMC環(huán)流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性由橋臂電感、等效內(nèi)阻及上下橋臂端口電壓共同決定，鑒于MMC的橋臂電感值LPj/LNj遠(yuǎn)小于負(fù)載阻抗，因此相比于輸入和輸出電流，環(huán)流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響更大［19］。

（2）電壓控制影響。MMC的子模塊電容電壓波動(dòng)將會(huì)在輸出電壓中引入諧波，同時(shí)將會(huì)使得輸出電壓實(shí)際值與給定值之間出現(xiàn)偏差，這將直接引入共模電壓，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)流的產(chǎn)生［20，21］。MMC子模塊電容電壓的主要諧波為基頻分量，這將導(dǎo)致橋臂子模塊輸出電壓中出現(xiàn)2次諧波分量，通過橋臂阻抗作用產(chǎn)生2次環(huán)流；如果不加以合理控制，2次環(huán)流將進(jìn)一步產(chǎn)生一系列偶次電流諧波分量，疊加在橋臂電流中，帶來更多危害［22-24］。在不增加附加控制的情況下，因MMC橋臂子模塊電容電壓與設(shè)定值間存在直流偏差和交流偏差，使得調(diào)制出的橋臂電壓含有各次諧波成分，從而導(dǎo)致橋臂間出現(xiàn)更多的諧波環(huán)流分量［25］。當(dāng)然，MMC多電平調(diào)制模式下交流輸出電平切換瞬間也會(huì)帶來開關(guān)頻率處的諧波分量；但該環(huán)流分量通常容易濾除，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)系統(tǒng)的影響有限［26］。

（3）死區(qū)時(shí)間影響。文獻(xiàn)［27］分析了開關(guān)脈沖死區(qū)時(shí)間和IGBT通態(tài)飽和壓降均對(duì)MMC的諧波環(huán)流、輸出諧波及電容電壓產(chǎn)生的影響。死區(qū)時(shí)間對(duì)MMC的影響，本質(zhì)上是由MMC子模塊發(fā)生投切造成的，任一采樣時(shí)刻子模塊同時(shí)投切的數(shù)量越多，由此導(dǎo)致相單元總電壓會(huì)出現(xiàn)短暫的過壓（或欠壓）的機(jī)率增大，死區(qū)的影響越大［28］，因此物理開關(guān)頻率越高，則死區(qū)的影響越顯著。在中壓傳動(dòng)應(yīng)用中，MMC橋臂中的子模塊數(shù)量較少，為獲得較好的交流輸出特性，通常載波頻率較高?？紤]到輸出電流的等級(jí)，死區(qū)時(shí)間的影響將變得越發(fā)重要。

（4）不對(duì)稱運(yùn)行的影響。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，采用傳統(tǒng)d-q解耦控制的MMC系統(tǒng)，負(fù)序分量經(jīng)過坐標(biāo)變化成為2次諧波分量，而PI控制不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行無靜差控制，從而在直流側(cè)產(chǎn)生2倍頻波動(dòng)［29］。交流系統(tǒng)不對(duì)稱時(shí)，MMC各相單元的平均功率將不再相等，從而導(dǎo)致各相環(huán)流中的直流分量不再相等［30］。文獻(xiàn)［31］在研究死區(qū)時(shí)間對(duì)單個(gè)子模塊影響基礎(chǔ)之上，考慮最壞情況，根據(jù)橋臂電流方向、子模塊狀態(tài)、橋臂投入模塊數(shù)等因素結(jié)合MMC運(yùn)行原理推導(dǎo)出了采用階梯波調(diào)制和電容電壓排序算法下死區(qū)時(shí)間對(duì)MMC系統(tǒng)影響的通用數(shù)學(xué)模型，因而具有一定的工程應(yīng)用借鑒意義。

1.2 環(huán)流的影響

由于MMC本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)帶來了橋臂環(huán)流問題，環(huán)流雖然不會(huì)對(duì)MMC的交流輸出特性產(chǎn)生影響，但環(huán)流疊加在橋臂電流上使之發(fā)生畸變，不僅會(huì)減少電力電子器件的設(shè)計(jì)裕量，還會(huì)增加系統(tǒng)的損耗，甚至威脅著功率器件和電容的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此對(duì)二倍頻環(huán)流進(jìn)行抑制是十分必要的。通過環(huán)流抑制方法的正確實(shí)施，消除/降低系統(tǒng)的諧波環(huán)流，可獲得如下有益的效果：①有效降低橋臂電流的幅值，減小系統(tǒng)損耗，節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)營成本；②降低直流電容電壓紋波，有助于減小直流電容量，從而進(jìn)一步降低一次投資成本［32，33］；③降低直流側(cè)功率脈動(dòng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 MMC環(huán)流抑制技術(shù)綜述

MMC三相間的橋臂電壓之和不一致是引起環(huán)流的主要原因，目前采取的環(huán)流抑制CCS（circulating current suppression）方法可以分為2種基本類型：硬件方法和軟件方法，如圖2所示。

圖2 環(huán)流抑制方法分類Fig.2 Classification of CCS

2.1 基于硬件的MMC環(huán)流抑制方法

通過上面的分析可知，MMC環(huán)流的諧波特性主要體現(xiàn)為2次諧波分量。從硬件角度而言，可通過增大橋臂電感量的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流幅值的抑制［18,34］，然而該方法只能被動(dòng)地減小電流，不可能完全消除環(huán)流；此外，增大橋臂電感值會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并增加裝置體積和系統(tǒng)損耗，提高成本。通過在原有橋臂電感之間串聯(lián)LC二倍頻諧振濾波器Lf和Cf，如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流中的2次諧波分量有針對(duì)性的抑制［15］。但該方法同樣會(huì)帶來MMC系統(tǒng)的體積、重量和成本增加等不利影響。

2.2 基于軟件的MMC環(huán)流抑制方法

根據(jù)文獻(xiàn)［12,35］的結(jié)論，則MMC第j相上、下橋臂端口電壓之和的參考值分別為

式中，ej為MMC的等效交流輸出電壓，通過系統(tǒng)電流控制環(huán)節(jié)的輸出得到。而環(huán)流修正值uZLj用于抑制環(huán)流中的低次諧波分量幅值。

該方法稱之為環(huán)流壓降控制方法［12,36］，是目前主流的MMC環(huán)流抑制方法，其控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。這種環(huán)流控制器實(shí)際上是在各橋臂電壓上減去環(huán)流交流成分在電感上的壓降uZLj，抵消橋臂不平衡電壓對(duì)整個(gè)橋臂電壓的影響。采用附加控制器，能夠在不增加硬件設(shè)備的情況下，消除換流器環(huán)流，減小子模塊電容電壓波動(dòng)，是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法［25］。

圖3 基于無源濾波器的環(huán)流抑制方法Fig.3 Main circuit filter tuned for CCS

圖4 含環(huán)流抑制的系統(tǒng)控制框架Fig.4 Control block diagram of MMC with CCS

2.2.1 基于二倍頻負(fù)序坐標(biāo)變換的方法

文獻(xiàn)［37,38］針對(duì)二倍頻諧波環(huán)流提出了一種二倍頻負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的環(huán)流抑制控制器CCSC（circulating current suppressing controllers），通過將環(huán)流電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分解為直流量，利用比例積分（PI）控制器實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制效果，如圖5所示。由于該方法需用到二倍頻負(fù)序坐標(biāo)變換和電流相間解耦環(huán)節(jié)，增加了MMC控制系統(tǒng)的運(yùn)算量。在實(shí)際應(yīng)用中，一方面因采樣頻率及電網(wǎng)頻率的變化、鎖相環(huán)性能等因素的影響會(huì)造成正負(fù)序分量分解誤差，使得正負(fù)序分量控制相互影響，從而影響控制效果；另一方面由于正負(fù)序分解帶來的延遲也降低了控制器帶寬和穩(wěn)定性。這種控制策略盡管能夠很好地抑制2次環(huán)流，但由于考慮其他次諧波，故存在一定的局限性。此外，該方法僅適用于三相系統(tǒng)，無法推廣到單相或者四線制及以上的MMC系統(tǒng)。

圖5 基于負(fù)序坐標(biāo)變換的環(huán)流抑制器Fig.5 CCS based on negative-sequence coordinates transformation

2.2.2 通用環(huán)流抑制方法

為解決上述問題，文獻(xiàn)［12］提出了一種基于MMC環(huán)流模型的通用環(huán)流抑制 UCCS（universal circulating current suppressing）策略，如圖6所示。通過實(shí)時(shí)檢測橋臂電流，計(jì)算得到環(huán)流分量并進(jìn)行抑制，從而無需二倍頻負(fù)序坐標(biāo)變換和相間解耦環(huán)節(jié)，控制思路更加簡潔。UCCS不僅適用于三相MMC的控制，同時(shí)適用于任意相數(shù)MMC的控制，通用性強(qiáng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明UCCS可顯著抑制環(huán)流中的低頻交流分量，進(jìn)而降低環(huán)流對(duì)橋臂電流、公共直流輸入/輸出功率脈動(dòng)的影響，但由于實(shí)際工程中測量系統(tǒng)存在誤差，環(huán)流抑制效果容易受到影響。

圖6 通用環(huán)流抑制技術(shù)Fig.6 Universal circulating current suppression

2.2.3 諧振控制方法

鑒于傳統(tǒng)PI控制方法無法完全跟蹤周期性交流諧波分量的不足，文獻(xiàn)［39,40］設(shè)計(jì)了針對(duì)MMC環(huán)流中的特定次諧波的零穩(wěn)態(tài)誤差比例諧振PR（proportional-resonant）控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部環(huán)流諧波分量的無差控制，這將有助于降低環(huán)流帶來的負(fù)面影響。因此采用一個(gè)或者一組諧振控制器［41,42］實(shí)現(xiàn)MMC環(huán)流中特定次諧波的抑制，其原理如圖7所示。一般來說，各次環(huán)流隨著頻率的增加幅值減小，因此對(duì)于6次及以上的諧波可不用考慮。

圖7 基于諧振控制的環(huán)流抑制器Fig.7 CCS based on resonant control

然而，PR控制器的實(shí)現(xiàn)過程中，存在諸如不易實(shí)現(xiàn)及電網(wǎng)頻率偏移情況下不能有效抑制諧波的不足。為此，文獻(xiàn)［33,43］設(shè)計(jì)了基于準(zhǔn)PR控制器的分相環(huán)流抑制器進(jìn)行環(huán)流抑制，通過增加陷波器/或者基于二階廣義積分器和直流積分器相配合的交流環(huán)流分量提取環(huán)節(jié)，以提高控制效果。

由于MMC系統(tǒng)的采樣頻率和處理頻率不高，基于諧振控制的方法中，環(huán)流控制器的控制帶寬通常很低，進(jìn)而造成高次諧振控制器無法正常發(fā)揮作用。同時(shí)額外的諧振控制器將進(jìn)一步降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，甚至造成暫態(tài)過程中系統(tǒng)的不穩(wěn)定［44,45］。為此，文獻(xiàn)［39］提出可通過增加橋臂電流比例負(fù)反饋環(huán)節(jié)來對(duì)PR環(huán)流抑制器進(jìn)行優(yōu)化的方法，以提高環(huán)流抑制器的穩(wěn)定性以及快速抑制能力。此外文獻(xiàn)［46］提出一種基于比例-積分-諧振PIR（proportional-integral-resonant）控制的 MMC環(huán)流控制器，為了得到MMC橋臂中的二倍頻環(huán)流，該文同樣采用了陷波器環(huán)節(jié)，研究表明PIR控制方法的動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于CCSC技術(shù)。

然而，上述方法是建立在三相電網(wǎng)電壓和輸出電流均為對(duì)稱的前提下，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)故障或者需要輸出三相不平衡電流時(shí)控制效果較差。為解決該問題，文獻(xiàn)［47,48］采用了正負(fù)序兩套旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下獨(dú)立電流跟蹤控制方案，將正負(fù)序電流分別轉(zhuǎn)換到正負(fù)序下的直流量。但是由于采用兩套旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)分別跟蹤而構(gòu)成4個(gè)電流內(nèi)環(huán)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)調(diào)整困難。文獻(xiàn)［37,49,50］提出了在αβ靜止坐標(biāo)系下的PR控制，相比于Park變換需要具有延時(shí)特征的鎖相環(huán)節(jié)，Clark變換矩陣為實(shí)矩陣，可以在瞬間完成，因此上述“Clark+PR”扥控制器結(jié)構(gòu)具有較快的響應(yīng)速度。

2.2.4 重復(fù)控制方法

對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)偶次諧波環(huán)流分量抑制時(shí)，PR控制器實(shí)現(xiàn)較困難?；趦?nèi)模原理的重復(fù)控制器通常用于對(duì)周期性參考值的無誤差跟蹤，對(duì)特定次頻率及其整數(shù)倍頻率點(diǎn)處的諧波具有無窮大增益。因此相關(guān)學(xué)者把重復(fù)控制引入對(duì)MMC環(huán)流的抑制中，并取得了不錯(cuò)的效果，見圖8。文獻(xiàn)［45］提出了PI和重復(fù)控制的環(huán)流抑制方法，如圖8（a）所示。并對(duì)比了多PR控制和數(shù)字嵌入式重復(fù)控制器的環(huán)流抑制方法的原理和效果，該方法同時(shí)適用于單相和三相系統(tǒng)，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同偶次環(huán)流分量的有效抑制。但該文提出的重復(fù)控制器和PI控制器為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，對(duì)PI控制器和重復(fù)控制器的設(shè)計(jì)帶來了不必要的限制。為此文獻(xiàn)［22］提出了上述問題的改進(jìn)方法，如圖8（b）所示，PI和重復(fù)控制器為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，放寬了PI控制器設(shè)計(jì)上的限制。

圖8 基于重復(fù)控制的環(huán)流抑制器Fig.8 CCS based on repetitive control

2.2.5 其他方法

前文分析了死區(qū)時(shí)間對(duì)環(huán)流的影響，通過降低系統(tǒng)的控制頻率，有助于減輕死區(qū)效應(yīng)［49］，但是降低系統(tǒng)控制頻率會(huì)使得MMC輸出電壓的總諧波畸變率增大［52］，且該方法不能從本質(zhì)上解決問題。若任意采樣時(shí)刻一個(gè)橋臂內(nèi)部只有部分子模塊發(fā)生投入（或切除）操作，不出現(xiàn)一部分子模塊需要投入的同時(shí)而另一部分子模塊需要切除，則死區(qū)效應(yīng)將大大降低，開關(guān)頻率會(huì)隨之降低，根據(jù)這一原則，在不降低采樣頻率的前提下，通過優(yōu)化閥組級(jí)控制器中的均壓策略，合理地安排觸發(fā)脈沖，降低了死區(qū)的影響［28］。

環(huán)流跟直流電壓控制直接相關(guān)，通過對(duì)橋臂電壓與期望值的偏差量進(jìn)行補(bǔ)償，能夠消除橋臂電壓的偏差，從而抑制換流器橋臂間的環(huán)流［25,53］，但該方法需要用到所有功率單元的直流電容電壓，對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)采集環(huán)節(jié)提出了較高的要求。文獻(xiàn)［54］提出了MMC的連續(xù)模型，并研究了HVDC輸電應(yīng)用中MMC負(fù)序電流分量的開環(huán)控制方法，但該模型實(shí)質(zhì)上忽略了載波頻率的低頻模型，僅適用于分析MMC的外特性，而無法用于分析MMC內(nèi)特性。為了消除MMC的二倍頻諧波環(huán)流，文獻(xiàn)［55］建立了換流器內(nèi)部數(shù)學(xué)模型，從能量的角度分析了MMC內(nèi)部的動(dòng)態(tài)特性，并提出了一種基于能量估計(jì)的開環(huán)平衡控制策略，一定程度上抑制了諧波環(huán)流的大?。煌瑫r(shí)該方法在保證系統(tǒng)控制效果的前提下，有效減少了需要測量的系統(tǒng)變量。然而，該控制策略依賴于橋臂的等效阻抗，該阻抗很難進(jìn)行精確測定。

文獻(xiàn)［56］利用瞬時(shí)功率平衡關(guān)系得到三相上、下子模塊電容電壓參考值，通過調(diào)制策略和排序算法使子模塊電容電壓不平衡程度降低，進(jìn)而抑制環(huán)流。文獻(xiàn)［57］則提出了一種模塊數(shù)可變動(dòng)選擇的改進(jìn)階梯波調(diào)制環(huán)流抑制策略，通過改變橋臂投入的子模塊數(shù)量，讓MMC上、下橋臂投入電壓的總和維持在直流電壓附近；但每相橋臂投入的子模塊總數(shù)變化增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度。

2.3 MMC的環(huán)流利用

MMC通過公共直流母線實(shí)現(xiàn)三相橋臂之間的有功能量交換，因而三相MMC適用于需實(shí)現(xiàn)負(fù)序平衡的應(yīng)用場合［7,58］，其實(shí)現(xiàn)負(fù)序能量傳遞的基本載體就是環(huán)流在三相橋臂之間的可控流動(dòng)。這種情況下，MMC的三相直流環(huán)流分量的幅值將不再相等。

理想情況下，環(huán)流控制目標(biāo)使得環(huán)流趨于直流分量。然而，對(duì)于一些特定的應(yīng)用場合，為了保證MMC的正常可靠運(yùn)行，也可考慮向系統(tǒng)中注入一定的特定次諧波環(huán)流分量。2次諧波或者4次諧波注入法被認(rèn)為是一種降低電容電壓紋波的有效途徑［32,59］，但這種方法的效果依賴于MMC輸出電流的幅值和相位。通過向參考信號(hào)指令中注入零序分量結(jié)合高頻環(huán)流分量的方法，有助于降低電容電壓的低次紋波分量［60］，這種方式尤其適用于電機(jī)低頻啟動(dòng)過程或者電機(jī)的低速運(yùn)行傳動(dòng)工況，盡管通過諧波環(huán)流注入，可以有效增大MMC傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行范圍，但由此帶來的額外損耗。

3 結(jié)論

本文從不同角度對(duì)MMC的環(huán)流問題進(jìn)行了系統(tǒng)全面的梳理，在分析環(huán)流產(chǎn)生原因和影響的基礎(chǔ)上，著重綜述了MMC的環(huán)流抑制技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。但關(guān)于MMC環(huán)流的研究尚存在一些問題，亟待開展深入的研究。

（1）作為MMC拓?fù)涔逃刑卣?，環(huán)流除了對(duì)系統(tǒng)帶來的額負(fù)面影響之外，同時(shí)具有其獨(dú)特的作用，在特定應(yīng)用場合下，則需要對(duì)MMC的環(huán)流進(jìn)行合理的利用、調(diào)配，目前利用該特點(diǎn)的MMC在電能質(zhì)量控制、同相供電領(lǐng)域的應(yīng)用的研究正逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。

（2）對(duì)于MMC而言，實(shí)際運(yùn)行時(shí)子模塊電容電壓呈現(xiàn)低頻周期性波動(dòng)，而子模塊電容電壓與系統(tǒng)功率運(yùn)行點(diǎn)直接相關(guān)，可見系統(tǒng)功率運(yùn)行點(diǎn)也會(huì)影響環(huán)流，開展不同系統(tǒng)功率點(diǎn)下環(huán)流分析有助于提高環(huán)流抑制技術(shù)的適用性。

（3）系統(tǒng)發(fā)生常見短路故障時(shí)，橋臂放電電流的主要成分表現(xiàn)為環(huán)流形式，開展故障與環(huán)流的關(guān)系以及針對(duì)故障條件下的環(huán)流抑制策略研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

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Survey of Circulating Current Suppressing Technologies in MMC

YANG Xiaofeng,LIN Zhiqin,XUE Yao,ZHENG Trillion
（School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China）

The circulating current existing in the legs of modular multilevel converter（MMC）,caused by its own structure,directly affects the system loss and inner operation performance.Over the past decade,significant research has been done to address the technical challenges associated with the circulating current issues of MMC.In this paper,a general overview of the circulating current theoretical analysis and the corresponding control challenges are discussed,and a survey of state-of-the-art circulating current suppression technologies and the trends is presented.Finally,the future research direction is also pointed.

modular multilevel converter;circulating current suppression;leg current;negative sequence;resonant control;repetitive control

楊曉峰

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.58

：TM 46

：A

楊曉峰（1980-），男，通信作者，博士，講師，研究方向?yàn)槎嚯娖阶儞Q器技術(shù)，柔性直流輸電技術(shù)，電能質(zhì)量控制，E-mail: xfyang@bjtu.edu.cn。

林智欽（1988-），男，博士研究生，研究方向?yàn)槎嚯娖阶儞Q器控制，E-mail: 13117362@bjtu.edu.cn。

薛堯（1991-），男，碩士碩士生，研究方向?yàn)槟K化多電平換流器，E-mail: 14121489@bjtu.edu.cn。

鄭瓊林（1964-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殍F道供電與電力牽引、電能變換與質(zhì)量控制、高效電力變換器、光伏發(fā)電與并網(wǎng)研究，E-mail:tqzheng@bjtu. edu.cn。

2015-09-13

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)人才基金項(xiàng)目（2014RC 013）

Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities（2014RC013）