Physical Address
304 North Cardinal St.
Dorchester Center, MA 02124
IEC TR 62543：高压直流输电——模块化多电平换流器
模块化多电平换流器技术在HVDC输电应用中的技术报告
IEC TR 62543由IEC第22技术委员会于2017年作为技术报告发布，全面描述了用于高压直流输电应用的模块化多电平换流器技术。随着海上风电集成、跨境电网互联和远距离大容量输电推动VSC-HVDC系统的全球部署加速，理解MMC技术已成为电力电子工程师、输电规划人员和电力公司技术专家的必备知识。
MMC拓扑于2001年获得专利，自2010年起商业部署，已迅速成为100 MW以上HVDC应用的主导电压源换流器拓扑。与传统两电平和三电平VSC拓扑相比，其优势包括更低的谐波畸变、更高的效率、支持通过模块化扩展到任何所需电压水平、以及通过额外子模块实现固有冗余。自2014年以来，几乎所有投运的VSC-HVDC项目都选择了MMC技术，到2025年全球总装机容量已超过30 GW。
IEC TR 62543深入描述了MMC拓扑的工作原理、子模块设计、控制和调制策略、交直流侧性能特性、故障行为和应用指南。该报告是设计、规范或运行基于MMC的HVDC系统的工程师的关键参考，补充了IEC 62747和IEC 62544的规范性要求。
MMC拓扑结构和工作原理
基本MMC结构由三个相臂组成，每个相臂包含上桥臂和下桥臂两个桥臂。每个桥臂由N个标称相同的子模块和一个桥臂电抗器串联组成。子模块是MMC的基本构建单元，每个子模块可被切换接入或旁路出桥臂电流路径，从而参与合成交流电压波形。桥臂电抗器具有多重功能：限制相间环流、抑制故障电流上升率以及滤波桥臂电流中的开关频率纹波。
标准定义了控制MMC运行的基本关系。每相的输出电压是上下桥臂电压之差，每个桥臂电压围绕直流电压中点进行调制。一个关键设计参数是交流电压幅值与直流电压之比，称为调制指数，通常保持在0.85至1.0之间以优化直流母线电压利用率。桥臂电流包含交流分量和直流分量，二阶环流在相间流动而不出现在交流或直流端口中，必须主动抑制以减少子模块电容电压纹波并降低换流器损耗。
| 参数 | 半桥子模块 | 全桥子模块 | 钳位双子模块 |
|---|---|---|---|
| 每SM电压电平 | 0, Vc | -Vc, 0, Vc | 0, Vc, 2Vc |
| 直流故障阻断 | 否 | 是 | 是 |
| 半导体数量 | 2 IGBT + 2 二极管 | 4 IGBT + 4 二极管 | 5 IGBT + 5 二极管 |
| 相对损耗 | 1.0（基准） | 约1.6-1.8 | 约1.3-1.4 |
| 交流故障穿越 | 良好 | 优秀 | 优秀 |
| 直流电压范围 | ±100% Vdc | ±200% Vdc | ±150% Vdc |
| 典型应用 | 电缆HVDC、海上风电 | 架空线HVDC、多端 | 混合系统 |
子模块类型的选择是MMC-HVDC系统中最重要的设计决策。半桥子模块成本和损耗最低，但无法阻断直流侧故障电流。对于直流侧故障更频繁的架空线HVDC系统，尽管半导体数量更多且损耗更高，全桥或钳位双子模块是更优选择。多端直流电网的行业趋势是采用混合配置，主要使用半桥子模块并辅以少量提供直流故障阻断能力的全桥子模块。
调制与控制策略
IEC TR 62543描述了MMC系统中使用的两种主要调制方法。最近电平调制适用于具有大量子模块的高压应用，通过在每次开关时刻选择最接近的离散电平来合成交流电压波形。最近电平调制自然产生极低的谐波畸变并实现低开关频率。对于中压应用或子模块数量较少的MMC，可使用移相载波脉宽调制。
MMC-HVDC的控制系统架构按层次组织。系统控制层根据电网运营商要求确定有功功率和/or直流电压以及无功功率和/or交流电压参考值。换流器控制层在同步参考坐标系中实现矢量电流控制。桥臂平衡控制在上下桥臂之间分配电压，子模块层控制在每个桥臂内进行电容电压平衡。标准强调环流抑制控制器对于降低电容电压纹波和提高换流器效率至关重要。
| 参数 | 海上风电集成 | 跨境互联 | 大容量输电 |
|---|---|---|---|
| 额定直流电压 | ±320 kV | ±400 至 ±525 kV | ±525 至 ±800 kV |
| 额定功率 | 800-1,200 MW | 1,000-3,000 MW | 3,000-8,000 MW |
| 每臂子模块数 | 200-256 | 256-400 | 400-512+ |
| 优选子模块类型 | 半桥 | 半桥或混合 | 全桥或混合 |
| 桥臂电抗 | 0.1-0.15 p.u. | 0.1-0.15 p.u. | 0.12-0.18 p.u. |
MMC-HVDC系统工程设计要点
从实际工程角度来看，IEC TR 62543提出了几个关键设计考量。首先，子模块电容电压纹波是驱动电容器选型和控制策略的基本约束。对于50/60 Hz系统，额定功率下±10%的典型纹波规格导致30-50 kJ/MVA的储能需求。对于低频应用，电容器纹波显著增加，可能需要更大的电容器或替代拓扑。
第二，桥臂电抗器的设计需要谨慎优化。较大的电感值可减少环流并限制故障电流上升率，但同时增加换流站的占地面积、重量和成本。0.1-0.18 p.u.的典型电感范围代表了这些竞争需求之间的折衷。对于已经存在变压器漏感的HVDC应用，必须在控制系统设计中考虑总接口电感，以避免与子模块电容器滤波器产生谐振。
第三，冗余策略直接影响系统可用性和成本。MMC系统通过在每臂中纳入一个或多个额外子模块来固有地支持子模块冗余。N+1或N+2冗余是HVDC应用的典型配置，使换流器在单个子模块故障后能够继续满功率运行而不中断。标准提供了冗余水平、子模块可靠性和平均强制停运间隔时间之间关系的指导。
对于设计MMC-HVDC换流站的工程师，推荐的工作流程是：(1) 根据直流故障性能要求确定子模块类型，(2) 根据直流电压和半导体电压额定值选择每臂子模块数量，(3) 根据环流抑制和故障电流限制要求确定桥臂电抗器尺寸，(4) 根据纹波电压规格确定子模块电容器尺寸，(5) 根据可靠性目标和生命周期成本分析选择冗余水平。在现场调试之前，使用硬件在环的数字实时仿真器测试对于控制系统验证至关重要。
问1：MMC相对于两电平VSC在HVDC中的关键优势是什么？
答：MMC具有极低的谐波畸变、更高的效率、无需串联阀连接的模块化电压扩展以及固有的故障冗余。MMC的波形质量极高，在许多安装中，交流滤波器需求减少到仅射频干扰滤波器，显著减少了换流站占地和成本。
答：MMC具有极低的谐波畸变、更高的效率、无需串联阀连接的模块化电压扩展以及固有的故障冗余。MMC的波形质量极高，在许多安装中，交流滤波器需求减少到仅射频干扰滤波器，显著减少了换流站占地和成本。
问2：MMC能否用于无直流电缆的背靠背HVDC链路？
答：可以。对于背靠背配置，MMC设计因无直流电缆电容而简化。同等功率下直流母线电压可更低，减少了每臂所需的子模块数量。多个采用MMC技术的背靠背HVDC链路已在运行中，提供不同交流电网之间的异步互联或变频功能。
答：可以。对于背靠背配置，MMC设计因无直流电缆电容而简化。同等功率下直流母线电压可更低，减少了每臂所需的子模块数量。多个采用MMC技术的背靠背HVDC链路已在运行中，提供不同交流电网之间的异步互联或变频功能。
问3：MMC在直流极对极故障与极对地故障下的行为有何不同？
答：在对称单极配置中，极对地故障导致半桥子模块MMC的故障电流贡献有限。相比之下，极对极故障导致所有子模块电容器通过故障路径快速放电，产生极高的故障电流。全桥MMC可通过将所有子模块以相反极性接入来阻断两种故障类型。
答：在对称单极配置中，极对地故障导致半桥子模块MMC的故障电流贡献有限。相比之下，极对极故障导致所有子模块电容器通过故障路径快速放电，产生极高的故障电流。全桥MMC可通过将所有子模块以相反极性接入来阻断两种故障类型。
问4：±320 kV MMC HVDC系统中子模块电容电压典型值是多少？
答：对于使用4.5 kV IGBT模块的±320 kV直流系统，标称子模块电容电压通常约为2.8 kV。每臂约230个子模块时，标称SM电容电压计算为320 kV / (230/2) = 2.78 kV。更高电压的SiC MOSFET子模块正在开发中，可将子模块总数减少40-50%。
答：对于使用4.5 kV IGBT模块的±320 kV直流系统，标称子模块电容电压通常约为2.8 kV。每臂约230个子模块时，标称SM电容电压计算为320 kV / (230/2) = 2.78 kV。更高电压的SiC MOSFET子模块正在开发中，可将子模块总数减少40-50%。
