线性调制约束下基于IGCT的模块化多电平换流器通过提高纹波容限实现电容降额

《Electronics》：Capacitance Reduction in IGCT-Based MMC Through Elevated Ripple Tolerance Under Linear Modulation Constraints Jianxiang Xie, Zhe Yang, Jiaqi Wu, Zhichao Fu, Jiajun Ou and Peiqian Guo

　　

用于高压直流输电（HVDC）的模块化多电平换流器（MMC）需要较大的子模块（SM）电容，以限制电容器电压纹波，这会导致换流器阀体积庞大且成本高昂。与绝缘栅双极型晶体管（IGBT）相比，集成门极换流晶闸管（IGCT）具有更高的耐压等级和更低的导通损耗，因此能够显著减少每桥臂所需的SM数量，为紧凑型换流器设计提供路径。本文研究了在基于IGCT的MMC中，SM数量减少将如何影响提高电容器电压纹波运行方式的可行性及其进一步降低SM电容的收益。研究人员建立了一个解析框架，用于评估增大纹波条件下的调制边界，并显式计及电压纹波耦合（CVR）效应以及环流抑制。文中引入纹波容限系数κ，并通过识别交流输出电压开始下降前的拐点来确定其最优值。针对采用6.5 kV器件、每桥臂250个SM的±500 kV/2000 MW IGCT-MMC算例，所提方法相较于传统纹波运行方式，最多可将标幺能量存储需求降低39.4%。在400 V、3 kW、每桥臂4个SM的实验平台上获得的仿真与原型实验结果验证了解析预测，并证实了该方法的工程可行性。

该文发表于《Electronics》，围绕基于集成门极换流晶闸管（IGCT）的模块化多电平换流器（MMC）电容降额设计展开，核心问题是：在高压直流输电（HVDC）场景中，MMC子模块（SM）电容通常占据较大体积并贡献显著成本，而传统设计为了限制电容电压纹波，往往要求较高的电容值，致使换流阀笨重，不利于海上平台和城市紧凑型直流互联系统部署。既有减小SM电容的方法主要包括注入环流或谐波补偿以重塑桥臂能量波动、利用全桥子模块拓扑扩展调制范围，以及在峰值电压不变条件下直接提升允许纹波比。前两类方法分别伴随附加损耗、器件数增加或绝缘约束等问题；第三类“高纹波容限”思路虽具有不改变拓扑的优势，但现有研究主要针对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）型MMC，尚未系统分析IGCT器件特性与高纹波运行之间的耦合关系。由于IGCT具有更高电压等级，MMC每桥臂SM数可明显减少，这既能降低基础电容需求，也会改变单个SM承担桥臂能量波动的方式，使高纹波策略的收益与边界条件发生变化，因此开展该研究具有明确工程必要性。

研究人员以IGCT型升纹波MMC（ER-MMC）为对象，系统分析在保持电容峰值电压约束不变时，通过降低SM电容电压直流分量、提高允许纹波比来减少电容值的可行性。文中定义纹波容限系数κ，用以表征电容电压直流基值的降低程度；在控制层面，仍采用最近电平调制（NLM）与环流抑制控制（CCSC），但重点关注高纹波条件下电容电压纹波通过调制过程引起的交流输出偏差，即电压纹波耦合（CVR）效应。研究人员建立了考虑CVR效应、CCSC二次参考电压和线性调制约束的解析框架，定义调制包络函数g(t)，据此统一刻画不同工况下桥臂插入子模块数是否越界，并进一步提出用最大可实现阀侧交流电压与κ之间曲线的拐点来确定最优κ。论文结果表明，IGCT-MMC中SM数减少使高纹波运行带来的相对收益更突出，但其线性调制边界也随感性与容性工况而呈现非对称变化；当κ超过某一界限后，系统可实现交流电压能力会下降，导致进一步增大纹波不再带来显著收益。对于±500 kV/2000 MW、6.5 kV IGCT、每桥臂250个SM的案例，在Q_max=1.0 p.u.时最优κ为1.087，在Q_max=0.5 p.u.时最优κ为1.053，对应标幺能量存储需求分别下降39.4%和28.8%。这些结论说明，在不改变控制体系和器件峰值电压应力的前提下，IGCT型ER-MMC能够实现更高功率密度和更紧凑的阀设计，对城市HVDC互联和海上可再生能源并网具有现实意义。

从方法上看，作者主要采用以下几类关键技术：首先，基于MMC稳态能量波动建立SM电容电压谐波展开模型，保留基波、二次和三次纹波分量，用于解析CVR效应；其次，构建包含NLM与CCSC的控制模型，将二次谐波参考电压注入与插入SM数约束统一纳入调制分析；再次，以调制包络函数g(t)、峰值g_peak和谷值g_valley定义线性调制裕度Δm，并在PQ运行边界上搜索最大可实现阀侧交流电压U^*_acN,LML及其关于κ的拐点；最后，利用±500 kV/2000 MW系统参数开展仿真验证，并在400 V、3 kW、每桥臂4个SM的物理样机上进行实验验证。样机交流侧接四象限电网模拟器，直流侧由直流电源供电。

在正文结果部分，论文首先在“Operating Principle and Control of IGCT ER-MMC”中阐明了ER-MMC的基本工作机理。研究人员指出，传统纹波MMC（CR-MMC）通常将SM电容电压直流分量维持在额定值附近，并将纹波比控制在10%左右，以使峰值电压不超过1.1 p.u.。ER-MMC则在保持峰值电压上限不变的前提下，主动降低电容电压直流分量，从而扩大电压摆幅并提高允许纹波比。随着κ增大，电容电压参考值下降，允许纹波比上升，SM所需电容近似按反比减小。论文同时指出，控制器仍可沿用NLM，但由于电容电压基值降低，为实现相同桥臂参考电压，需要更高的等效插入模块数需求，因此线性调制约束会被重新塑造。若仅从参考电压与插入数关系看，κ增大会压缩线性调制区；但一旦把实际电容电压纹波及其在调制中的耦合作用纳入考虑，交流输出能力并不一定按直觉恶化，因此需要更严格的解析分析。

在“Analysis of the CVR Effect”部分，研究人员将上下桥臂SM电容电压写成直流分量与纹波分量之和，并把纹波细分为基波、二次和三次分量。通过把桥臂插入数与瞬时电容电压相乘，得到实际桥臂输出电压以及差模交流输出电压表达式。该部分最关键的发现是：实际交流输出并不等于调制器发送的参考电压，而会受到CVR效应导致的两类偏差影响，其一来自电容电压直流分量相对参考值的稳态偏移，其二来自纹波分量通过调制过程直接生成的基波输出分量。研究人员从稳态能量平衡视角解释了这种直流偏移的物理机制：由于桥臂电流与电容纹波之间存在交叉耦合，会附加产生直流功率项，为使一个基波周期内SM电容净能量交换为零，实际直流分量必须相对设定值略作偏移。基于这一分析，论文建立了从工况所需输出电压反推参考电压幅值与相角的方程组，为后续线性调制边界计算奠定基础。

在“Linear Modulation of IGCT ER-MMC Considering the CVR Effect”部分，论文通过定义调制包络函数g(t)将线性调制条件转化为g_peak≤1且g_valley≥0。研究人员指出，g(t)同时受κ、基波参考分量M₁∠θ₁和CCSC产生的二次参考分量M₂∠θ₂影响，而且后二者本身也随κ变化，因此需要整体考察。论文进一步解释：κ增大时，电容纹波增强，CVR导致的基波偏差增大，同时为了抑制更强的二次环流，需要更大的二次参考电压，三者共同决定最终的调制边界。

在“Verification of Ripple-Effect Impact on IGCT MMC”中，研究人员以2000 MW/±500 kV IGCT MMC为对象进行定量分析，并沿PQ边界比较传统CR-MMC和不同κ的ER-MMC。结果显示，在感性区（?π≤φ≤0），ER-MMC的参考电压幅值M_ref高于实际所需输出电压，而且κ越大，该偏差越明显，这将使调制包络更接近上限，不利于线性调制；在容性区（φ>0），由于CVR偏差方向变化以及二次参考电压的协同作用，κ增大并不显著削弱交流电压输出能力，特别是在额定容性无功点，CR-MMC与ER-MMC的调制包络基波分量近似相同，说明高纹波运行在该工况下并未显著压缩调制裕度。该部分同时指出，二次参考电压在感性与容性区对调制包络的作用方向相反：感性区会将包络整体上推，使g_peak更接近上限；容性区则有助于压低峰值，从而缓和κ增大带来的不利影响。

在“Comprehensive Modulation Boundary Analysis”部分，研究人员用Δm=min[(g_valley?0),(1.0?g_peak)]定义调制裕度，并比较不同κ下整条PQ边界的最小裕度分布。结果表明，在κ较小时，决定全工况线性调制能力的最小裕度通常出现在容性区，而由于该区域对κ并不敏感，因此κ增大初期对全局交流电压能力影响很小；但随着κ进一步增大，感性区的g_peak持续上升，最小裕度转而由感性区主导，最终触发过调制风险。这一机制解释了为何U^*_acN,LML关于κ的曲线存在明显拐点，也即为何“适度提高纹波容限”有效而“过度提高纹波容限”收益递减。

在“Analysis of AC Voltage Output Capability and Capacitor Usage of IGCT ER-MMC”部分，论文进一步把最大可实现阀侧交流电压U^*_acN,LML定义为衡量交流输出能力的核心指标，并将其与电容使用量联系起来。结果显示：当Q_max=1.0 p.u.时，U^*_acN,LML在κ≤1.087范围内保持0.79不变，而当Q_max=0.5 p.u.时，U^*_acN,LML在κ≤1.053范围内保持0.86不变；一旦κ继续增大，U^*_acN,LML开始下降，这意味着为保持全工况线性调制，只能降低额定阀侧交流电压，继而提高额定交流电流与桥臂能量波动，抵消高纹波带来的电容节省收益。因此，最优κ应定义为U^*_acN,LML–κ曲线开始下降的拐点。对应最优设计，Q_max=0.5 p.u.时，电容电压直流参考降至0.95 p.u.，允许纹波比增至15.8%，标幺能量存储需求由37.89 kJ/MVA降至26.95 kJ/MVA；Q_max=1.0 p.u.时，电容电压直流参考降至0.92 p.u.，允许纹波比增至19.6%，标幺能量存储需求由55.99 kJ/MVA降至33.92 kJ/MVA。论文还指出，在最优κ处，导通损耗增加小于2%，控制架构保持不变，器件峰值电压应力也未增加。

在“Comprehensive Engineering Impact of Elevated-Ripple Operation”部分，作者从工程实现角度补充评估了导通损耗、热应力和可靠性。研究结果显示，在最优κ=1.087时，由于额定阀侧交流电压尚未下降，额定桥臂电流不会增加，仅因CCSC所需附加二次环流略有上升而带来小于2%的总导通损耗增量。由于电流提升极小，IGCT器件热应力仍处于安全工作区；而且IGCT压接封装和双面冷却带来较优热性能。可靠性方面，由于电容峰值电压依然保持在1.1 p.u.限制内，器件电压应力不变；电容体积减小甚至可能降低电容失效率，而虽然电压摆幅变宽会增加纹波电流应力，但仍在MMC常用薄膜电容器的额定能力范围内。因此，论文认为在最优κ附近实施高纹波运行不会引入显著负面工程代价。

在“Simulation Results”部分，研究人员利用与理论分析一致的系统参数建立仿真模型，交流侧经变压器接入电网，直流侧连接等效直流源，并将阀侧额定交流电压设置为U^*_acN,LML。在Q_max=1.0 p.u.、κ=1.087、U^*_acN,LML=0.79条件下，ER-MMC单位能量存储需求从55.99 kJ/MVA降至33.92 kJ/MVA，对应SM电容由24.1 mF降至14.6 mF。仿真波形表明，ER-MMC的电容电压直流分量更低、纹波比更高，但峰值始终未超过限制。特别是在额定容性无功点，CR-MMC与ER-MMC的调制包络几乎重合，证实κ增大不影响该工况调制裕度；而在感性工况下，ER-MMC调制包络峰值更高，尤其在额定感性无功点更明显，但仍满足线性调制约束。对于Q_max=0.5 p.u.的另一设计案例，CR-MMC与ER-MMC的单位能量存储需求分别为37.89 kJ/MVA和26.95 kJ/MVA，对应电容分别为16.3 mF和11.6 mF，仿真同样验证了理论设计。论文还给出了有功功率从0.5 p.u.跃变至1.0 p.u.的动态响应结果，显示ER-MMC在瞬态期间调制包络虽有短时超调，但Δm始终为正，说明基于NLM的排序均压与CCSC在高纹波条件下仍能稳定工作，并具有足够动态裕度。

在“Experimental Results”部分，研究人员通过一套物理样机对所提方法进行进一步验证。样机参数为400 V、3 kW、每桥臂4个SM，交流侧接四象限电网模拟器，直流侧由直流电源供电。实验中，CR-MMC取κ=1.0，SM电容为1.17 mF；ER-MMC取κ=1.053，SM电容为0.78 mF，电容需求约降低30%。实验结果显示，尽管ER-MMC电压纹波高于CR-MMC，但峰值始终保持在设计上限以下，证明高纹波降容策略在实体系统中可行。感性无功最大输出模式下，ER-MMC的基波调制分量高于CR-MMC，且纹波偏差与二次谐波参考电压共同抬升调制包络峰值，调制裕度下降，这与理论分析一致；最大容性无功模式下，ER-MMC的基波调制分量略低于CR-MMC，二次参考电压有助于减小包络峰谷差，从而使峰值、谷值和调制裕度几乎不受κ增大影响，也与理论完全吻合。作者还说明，尽管样机与全尺寸系统的SM数量不同，但标幺调制指数M_ref、纹波容限系数κ和单位能量存储需求W_cap等无量纲量在相同标幺参数下可保持一致，因此样机结果能够支持全尺度系统的设计结论。

综合讨论部分可以概括为：本文并非单纯证明“纹波越大、电容越小”，而是揭示了IGCT型MMC中高纹波运行必须在CVR效应、二次环流抑制需求与线性调制边界之间寻找平衡。由于IGCT提高了单器件电压等级并减少每桥臂SM数，高纹波策略的节容收益相较IGBT型方案更加突出；但SM数量减少也使单个SM承担更大能量波动，从而放大电容纹波对调制边界的影响。论文通过构建以g(t)和Δm为核心的统一分析框架，定量解释了感性区与容性区对κ响应的不对称性，并将最优κ明确为U^*_acN,LML–κ曲线的拐点，从而使工程设计不再依赖经验选取。仿真与实验结果共同表明，在最优κ下，系统可在不改变控制结构、不提高峰值器件电压应力、仅引入极小附加损耗的条件下实现显著电容降额，这为紧凑型IGCT-MMC阀设计提供了可操作的方法论。

研究结论部分可译为：本文研究了将高纹波运行作为基于IGCT的MMC电容降额策略。研究人员构建了基于调制包络函数g(t)的解析框架，用于在电容电压纹波增大条件下评估线性调制边界，并计及CVR效应和环流抑制控制。分析表明，随着纹波容限系数增大，感性运行区域的调制裕度Δm主要受CVR效应影响，而容性区域的裕度下降更为缓慢；这一特性界定了在不损害全工况线性调制能力前提下实现最大电容节省的最优κ范围。对于采用6.5 kV器件、每桥臂250个SM的±500 kV/2000 MW IGCT-MMC，在最优κ下运行时，Q_max=0.5 p.u.工况的标幺能量存储需求可由约37.89 kJ/MVA降至26.95 kJ/MVA，降幅28.8%；Q_max=1.0 p.u.工况可由55.99 kJ/MVA降至33.92 kJ/MVA，降幅39.4%。IGCT较高的耐压等级使其相较于基于IGBT的设计可采用更少的每桥臂SM数，这本身降低了基础电容需求，也使高纹波运行的相对收益更加显著。所提方法为面向城市HVDC互联与海上可再生能源并网的紧凑型IGCT-MMC换流阀设计提供了实用的设计准则，其中高功率密度与小占地是关键需求。