摘要：与传统多电平变换器相比，MMC（Modular Multilevel Converter，MMC）不仅继承了传统多电平变换器拓扑的结构和输出特性优势，而且在系统不平衡运行、故障保护等方面具有显著的技术优势，已经成为柔性直流输电系统换流站的首选拓扑。本文通过对国内外MMC模块化多电平变换器的专利申请进行分析，旨在理清技术发展脉络，促进技术创新。
面对处理越来越高的电压等级和功率等级，传统变换器难以满足高电压、大功率并且实现高开关频率、低EMI和高功率密度等要求。而多电平逆变器因具有控制方式多样、输出电流谐波含量低以及逆变效率高等良好特性已成为高压大功率应用的热点。2001年，西门子公司在专利DE10103031中提出了模块化多电平变换器。从此，MMC成为多电平变换领域一个最重要的分支。
MMC不仅保留了传统的级联型拓扑结构高度模块化的特点，并且具有公共的直流母线端子，特别适合于高压直流输电的场合。采用子模块串联的方法，避免了大量开关器件的直接串联，器件的开关一致性要求不高。MMC技术通过电压叠加可以在交流侧实现多电平、高电压输出，减小电磁干扰和输出电压的谐波含量, 使得输出电压非常接近理想正弦波形，因此在网侧一般不需要大容量交流滤波器；在系统等效开关频率不变的情况下降低器件开关频率，因此开关损耗小。模块化的结构使MMC的扩展性很强，通过改变桥臂上所串联的子模块个数，便能实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以得到任意电平输出，同时容易实现冗余控制。
通过对国内外MMC专利申请分析发现,如图1所示，MMC相对其他多电平变换器而言，起步较晚，2000年-2005年这段时间都处于相对较低的水平，申请量较少。随后的几年时间里，虽然申请量有所增加，但发展较为平缓。2009年以后，由于各国的研发机构和企业对MMC的重视程度不断提高，MMC的专利申请量不断增加，并进入高速发展期；这样的趋势和高压直流输电、中高压电力传动、电能质量治理、高压直流功率变换等领域的发展趋势是相吻合的。显然，依靠传统的变换器，已经不能满足高压大功率的需求，因而研究者寻求将MMC模块化多电平技术应用于需要高压大功率变换器的场合，从而加速了越来越多的企业、高校以及研究所对MMC的深入研究。2010年以后，中国的专利申请量在全球申请量中占有较大份额，这说明随着中国市场越来越被众多国外企业所重视，各国企业也开始大量地在中国国内进行专利布局，同时本土企业的逐渐壮大，企业之间的竞争也在进一步加剧。
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图1 MMC专利申请量趋势
通过对国外的申请人分析可知，在国外的申请人中，专利申请量排名前三的是德国西门子、瑞士的ABB以及美国的通用电气，它们皆是世界知名的电子设备产品研发与制造商。西门子得专利申请量排名第一，其率先提出了现在发展势头最盛的MMC，并且拥有多项MMC的基础专利，为柔性直流输电（HVDC）的应用做出了卓越的贡献；瑞士的ABB在MMC方面也布局了大量专利，并且首先实现了多电平逆变技术在长距离电力传输、背靠背工程和静止无功控制器等领域的工程应用。
通过对多电平逆变器各个时期的专利文献进行梳理和分析，可以得到该领域的专利技术演进路线，在2007年之前，相关专利申请以基本桥式的子模块电路拓扑及其控制方法为主，MMC系统以单一的子模块级联为主，并且将MMC变换器应用于高压大功率中，于此同时，对MMC的故障与保护进行了研究。随后，大量新型子模块的拓扑结构的专利得到提出。并开始将MMC变换器用于各种需要的电气系统中。在此期间，随着对MMC变换器工程应用的研究不断深入，对MMC变换器的故障保护提出了更高的要求，因此，大量MMC变换器的故障保护的专利被提出。同时，关于MMC变换器的调制与控制也得到了关注。近年来，出现了组合型拓扑结构，如将MMC桥臂采用半桥和全桥混合拓扑，将半桥子模块和全桥子模块的优点充分结合，既节省了开关器件的个数，又能实现阻断短路故障的功能。拓展MMC的应用领域的专利被大量提出，如将MMC应用于双端子M2LC子系统、潮流控制器、光伏并网。于此同时，中国的高校和科研院所对MMC变换器开始了大量的研究，出现了大量关于MMC调制与控制的专利申请。
通过分析发现，目前对MMC变换器的研究主要集中在其拓扑结构、开关管调制与控制方式和系统应用这三个方面。
MMC的拓扑结构主要可分为基本桥式子模块、多电平子模块和其他三类，基本桥式子模块分为半桥型子模块和全桥型子模块，半桥子模块能输出两个电平，而全桥子模块可以输出三个电平，当系统发生短路故障闭锁后，全桥子模块具有故障电流的双向阻断能力。但从结构上看，全桥子模块所采用的开关器件数量是半桥子模块的2倍。多电平子模块拓扑的采用可在主电路上减少级联子模块的数量。在MMC中具有应用前景的三电平拓扑主要有中点箝位子模块、飞跨电容型子模块和T型多电平子模块拓扑。
MMC常用的调制与控制方法与其他多电平的调制控制方法类似，主要有基于阶梯波的调制技术、基于空间矢量的SVPWM调制、基于载波的PWM调制，基于阶梯波的调制技术对于电平数较多的MMC比较适用, 在较大的工作范围内都有很好的调制波跟随性能和较小的谐波含量。SVPWM调制算法会随电平数的增加产生数量及其庞大的冗余矢量, 这一方面增加了矢量选择性的难度, 另一方面也增加了算法的复杂性。基于载波的PWM调制主要有两种：将多个幅值相同的三角载波叠加, 然后与一个调制波比较,得到多电平PWM波的载波层叠法以及将多个分别移相、幅值相同的三角载波与调制波比较的载波移相法。
从MMC的系统应用来看，主要用于柔性直流输电、电力传动、高压直流功率变换、电能质量问题治理等应用领域。目前国内外有关 MMC的应用研究主要集中在HVDC 输电领域，包括Siemens、Alstom、ABB 和中国电力科学研究院等在内的国内外公司对基于MMC技术的HVDC输电系统工程进行了成功的商业化推广。
通过本文的研究和分析，希望能为电气领域技术人员提供关于MMC研究的参考。
参考文献
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