第1章绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
科技发展为社会的进步提供了强劲动力，而社会的进步又反作用于科技发展，对其提出了更高的要求。就电力行业而言，自从1875年法国巴黎建成第一家发电厂，标志着世界电力时代的来临；到现在仅我国年装机总容量就超过十亿千瓦，电力已经成为人类文明的依托，不可或缺。一盏昏黄的电灯早已容纳不下人类对电的需求与渴望，人们对电力提出了愈来愈高的标准：安全稳定、节能环保、快速大功率等等。这些极大程度上的促进了电力电子技术与设备的发展，高压大功率电力电子设备不断涌现，并被广泛应用于电力系统中，在远距离输电，电能质量综合治理等方面取得明显效果。
然而，现有电力电子器件，如IGBT等，在功率处理和开关频率控制上存在着对立与矛盾，其电压等级和电流容量均远远无法满足电力系统中高压大容量领域的要求。功率开关器件的相关制作技术在可预见的时间内较难取得革命性的突破，故而只能另辟蹊径，多电平变流技术应运而生。
多电平变流技术是在两电平变换的基础上发展起来的[1]，虽然理论上采用器件的直接串联可以用传统两电平变换器直接实现高电压大功率变换电路[2]，但实际中，受限于半导体器件制作工艺的发展较为缓慢，很难将用于串联的器件彼此间的差异限定在一定范围内，因而多个串联器件的同时开通或关断过程，必然存在开关器件的动态均压等难以预计的问题和各类风险，且所串联器件越多，整体发生故障的概率就越大，
系统可靠性堪忧。而对于依赖变压器以特种耦合方式来实现高电压、大容量能量变换的变流器设备，则由于必须要引入特制的变压器，使得系统在体积和成本都大大增加的同时，可靠性不但没有提高，却反而降低了，得不偿失。相比较而言，多电平变换器能够在实现高电压、大功率变换的同时，不影响开关频率，有效改善输出电压电流谐波性能，并且不引入多余变压器，具有很多优势。
多电平变流器技术的可应用场合非常广泛，尤其适合基于电压源变流器(VSC)的直流输电系统(VSC-HVDC)。目前，光伏发电、风力发电等可再生能源发电逐步成为电力系统未来的重要发展方向，而这些新能源往往比较分散且远离主体电网，只有通过VSC-HVDC技术才能将这些分散电源更加经济、灵活、高效的接入交流电网进行送配。所谓VSC-HVDC技术，最早由加拿大学者提出，是以电压源变换器为核心的新一代直流输电技术，基本结构如图1-1所
示。国际上关于VSC-HVDC的研究在基础理论和工程实用方面都已展开，研究的重点在于MMC的拓扑结构、调制策略、故障保护、启动过程控制及子模块电容均压策略等方面。国内在此方面研究较晚，尚在起步阶段，但国家支持力度较大，发展快速。中国电力科学研究院、浙江大学、上海交通大学等单位已经展开相关的研究工作。国内权威专家于2006年汇聚国家电网公司，讨论并建
-相关技术及产品统一议将国内业界同结一心，谋求共同发展，将VSC HVDC
以“柔性直流输电（HVDC Flexible）”命名，本文中，即采用该命名。而柔性直流输电的核心，便是电压
源变流器。目前ABB等公司所采用的以2电平或3电平直接串联来提高电压等级的方式所构成的变流器[3]，虽已经进入工程实用，但碍于低电平VSC自身结构的限制[4]，制约了其在HVDC系统中的进一步应用。相较而言，多电平变流器，特别是模块化多电平变流器（Modular Multievel Converter，MMC），则由于可拓展性强、能够实现冗余控制、存在公共直流侧等优点，成为未来HVDC系统中变流器的发展趋势。
图1-1VSC-HVDC的基本结构
随着特高压电网的建设，新能源并网容量的提高，更多远距离大功率设备的接入，HVDC系统必将迅速发展。预计到2020年，我国将建成“强交强直”的特高压混合电网，其中规划建设的特高压直流工程就有30余项，包括5个±的直流工程[5]，平均每年新增输电容量可达200 MW[6]，这无疑会进一1100 kV
步推动多电平变流器，尤其是模块化多电平变流器的应用。此外，模块化多电平变流器在工业生产的其他领域中同样应用广泛[7-10]，诸如水电蓄能机组启动、直驱型风力发电系统、电气化铁道电能质量调
节、太阳能发电系统等等。可以预见，模块化多电平变流器技术必将在未来的电力系统中占据不可或缺的地位，担负起万钧重任。同时，由于模块化多电平变流器往往应用于大功率场合，对器件耐压、开关损耗、可靠性等要求较高，必须采用适当的控制方式，才能保证其正常工作，因而针对模块化多电平变流器的相关控制策略展开研究，具有深远意义。
1.2 多电平变流器及其相关理论的发展概述
在1981年，文献[11]就提出了中点箝位多电平变换器的概念，并给出了最
早的三电平结构。此后，多电平变流技术开始逐步引起整个行业的关注。1983年，文献[12]提出了通过电压源串联来得到多电平的思想，但受制于当时电力电子技术的发展水平和功率器件制作工艺的落后，不得已而采用了反并联晶闸管的简易形式来实现开关功能，得到的效果不理想。随着可控器件的出现，多电平变流器获得了新的活力，经历了快速的发展，目前主要形成了以下4种典型的多电平变流器拓扑结构：
（1）二极管箝位型多电平变流器（Diode Clamped Multilevel Converter）;
（2）飞跨电容型多电平变流器（Flying Capacitor Multilevel Converter）;
（3）级联H桥型多电平变流器（Cascaded H-bridges Multilevel Converter）;
（4）模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter, MMC）。
本节将对这四种多电平变流选取典型拓扑结构进行介绍。
1.2.1二极管箝位型多电平变流器
二极管箝位型多电平变流器由A.Nabae等人提出[11]，如图1-2 a)为其三相三电平拓扑结构，从其拓扑中可以看出，这种变流器三相共用一个母线，减少了电容的使用，适合于背靠背系统；同时，二极管箝位有效地解决了功率器件的均压问题，减小了每个器件的电压应力，并且开关器件工作在工频下，减小了开关损耗。
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a
b
c
a) 三相三电平b) 单相五电平
图1-2二极管箝位多电平变流器
但是，这种变流器也存在着由其自身结构所导致的缺点[13]：随着电平数增加，该结构中用于箝位二极管的数目将以电平数目的二次方的速度急速增加，例如图1-2 b)为五电平二极管箝位型变流器单相的拓扑，仅一相所需箝位二极
管数目就达到10个；此外，文献[14]指出箝位二极管只能保证两个最外面的开关管箝位的可靠性，对内部的开关管箝位的可靠性却无从保证。
文献[15,16]提出了一种有源中点箝位型(Active Neutral-Point-Clamped, ANPC)变流器，其拓扑结构如图1-3，该结构用带反并联二极管的IGBT 来代替箝位二极管，箝位的可靠性得到加强，另外，不同开关管之间的功率损耗也得到了平衡。当然，其无法克服缺点同样是在电平数增多时，所需功率开关的数目迅速增加，这将增大系统故障的风险，增高系统的成本。模块化电源
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a
b
c
E E a b
c
图1-3 有源中点箝位变流器          图1-4 飞跨电容型多电平变换器 1.2.2 飞跨电容型多电平变流器
飞跨电容型多电平变换器拓扑结构如图1-4所示，该结构采用电容代替二极管的箝位作用[17]，解决了箝位不可靠造成的开关管的承压不平衡的问题，其最大突破在于对不同数目的台阶电平有大量的开关状态组合自由度，这样在实现电容电压平衡的同时，有功功率和无功功率的控制也得到了保证。该拓扑的缺点是需要大量的箝位电容，当电平数增加时，所需电容数量也急剧上升，所以该拓扑体积较大且价格昂贵，另外电容频繁的充放电，对其寿命和可靠性亦有影响。
在飞跨电容型变流器的基础上，结合有源中点箝位型，韩国学者于2005年在文献[18,19]中提出了一种新型有源中点箝位型多电平变换器，其拓扑结构如图1-5 a)所示，箝位电容的加入使该拓扑结构的箝位性能从根本上得到了加强，同时，还可以实现更多电平数的输出。
文献[20]对该结构进行了简化，省去了两个电容，提出了如图1-5 b ）所示的简化拓扑，虽然省去了部分的箝位电容会在一定程度上影响其余部分的平衡
性，但只要控制方法得当，并不影响其运行的稳定性，而减少了价格昂贵的电容的使用，在工程上实际颇具意义。
a) 基本结构b）简化结构
图1-5 新型有源中点箝位型多电平变换器
1.2.3 级联式H桥型多电平变流器
级联式H桥型多电平变流器由意大利学者在1988年PESC会议上提出[21]，其主拓扑如图1-6所示，这种拓扑结构与前面提到的二极管箝位型和电容箝位型存在本质上的不同，该拓扑每相由多个模块组合级联而成，而每个模块可输出E,-E和0三种电平，将n个模块的输出组合在一起，可得到的输出电平数为2n+1个。该种拓扑不需要箝位二极管或电容，采用模块化的方式，容易实现冗余控制，适合于存在独立供电能力的新能源领域。但是其自身也存在着缺点，比如直流侧需要独立电源或者直流电容器，导致其直流侧母线存在电压平衡控制的负担。
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