模块化多电平换流器电磁兼容与效能优化

模块化多电平换流器电磁兼容与效能优化

彭红茂

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摘要：本文深入探讨了模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）在电力系统中的电磁兼容与效能优化问题，系统阐述了MMC的拓扑结构、工作原理、电磁辐射与干扰特性以及效能评估指标，为后续研究奠定了理论基础。分析了MMC在电磁兼容和效能优化方面存在的主要问题，并指出了当前技术瓶颈及挑战。针对这些问题，本文提出了一系列优化对策。通过理论分析、仿真验证和实验研究，验证了所提优化对策的有效性和可行性，本文的研究成果不仅丰富了MMC电磁兼容与效能优化的理论体系，也为MMC在电力系统中的广泛应用提供了重要的技术支撑。

关键词：模块化多电平换流器；电磁兼容；效能优化；拓扑结构

引言

随着电力电子技术的飞速发展，模块化多电平换流器（MMC）作为一种新型的高压直流输电和柔性交流输电设备，因其具有模块化设计、输出电压波形质量高、谐波含量低等优点，在电力系统中得到了广泛应用，随着电力系统对稳定性、可靠性和经济性的要求不断提高，MMC的电磁兼容与效能优化问题日益凸显。研究MMC的电磁兼容与效能优化问题，对于推动MMC技术的进一步发展及其在电力系统中的广泛应用具有重要意义。

一、模块化多电平换流器特点

（一）拓扑结构与工作原理：模块化设计的艺术展现

MMC的拓扑结构，犹如一座精心构建的积木城堡，通过无数个功能相似的子模块（Sub-Module, SM）级联而成，实现了从低压到高压的华丽蜕变，MMC的工作原理，则是基于电压平衡控制与电流分配策略的深邃智慧，在复杂的电力转换过程中，MMC通过精确调控各子模块的开关状态，实现了输出电压的灵活调节与波形质量的优化，调节并非简单的开关切换，而是需要高度智能化的算法支持，以确保在快速变化的电力需求下，MMC仍能保持稳定、高效的运行状态。

（二）电磁辐射与干扰特性：电磁场的微妙博弈

作为电力电子设备，MMC在运行过程中不可避免地会产生电磁辐射，辐射源自于高频开关器件的快速切换和电流的快速变化，如同无形的波浪，在空间中传播，与周围设备形成复杂的电磁场交互，交互不仅可能引发电磁干扰，影响周围设备的正常运行，还对MMC自身的稳定性造成威胁，对MMC电磁辐射与干扰特性的研究，成为了一个复杂而重要的课题。

（三）效能评估指标：多维度视角下的性能考量

效能评估是评价MMC性能优劣的关键环节，需要从多个维度、多个角度进行全面而深入的考量，维度包括但不限于转换效率、谐波含量、电能质量、动态响应速度以及稳定性等[1]。转换效率是衡量MMC能量转换能力的指标，反映了在电能转换过程中能量的损失情况；谐波含量直接关系到电能质量的好坏，过高的谐波含量会对电网造成污染，影响其他设备的正常运行；电能质量涵盖了电压波动、频率偏移等多个方面，是评价电力系统稳定性的依据；动态响应速度则体现了MMC在快速变化的电力需求下的适应能力，是评价其动态性能的关键指标，而稳定性则是MMC在长时间运行过程中保持性能稳定的能力。

二、模块化多电平换流器存在问题

（一）电磁兼容问题：一场无形的电磁风暴

MMC作为高度集成的电力电子设备，其内部高频开关操作与电流的快速变化，如同在微观世界中掀起了一场无形的电磁风暴，这场风暴不仅产生了强烈的电磁辐射，还引发了复杂的电磁干扰现象。电磁辐射的广泛传播，不仅对周围设备造成干扰，影响其正常运行，还成为信息泄露的潜在渠道，威胁电力系统的信息安全，而电磁干扰的复杂性则在于其传播路径的多样性和耦合机制的不可预测性，这使得电磁兼容问题的解决变得尤为棘手。

（二）效能优化难题：效率与质量的双重追求

在追求高效、绿色、可持续的能源利用背景下，MMC的效能优化成为了不可回避的课题，这一过程充满了重重困难，MMC的转换效率受到多种因素的制约，如开关损耗、导通损耗、谐波损耗等，损耗在不同工况下呈现出复杂的变化规律，使得转换效率的优化成为一项艰巨的任务。MMC的电能质量也是衡量其性能优劣的重要指标之一，而谐波抑制、电压波动控制等问题的存在，又进一步加剧了效能优化的难度。

（三）技术瓶颈与解决方案：突破与创新的交响曲

在MMC的发展历程中，技术瓶颈如同一道道高墙，限制了其性能的进一步提升与应用的广泛拓展，包括但不限于大功率开关器件的可靠性问题、控制系统的高复杂度与实时性要求、以及系统成本的居高不下等。为了突破技术瓶颈，研究者们从多个角度入手，通过新材料与新工艺的应用，提高大功率开关器件的耐压能力与散热性能；通过优化控制算法与硬件设计，降低控制系统的复杂度与成本；通过模块化与标准化的设计思路，提高系统的可扩展性与可维护性[2]。

三、模块化多电平换流器优化对策

（一）电磁兼容优化策略：精细调控与全面防护

电磁兼容性问题需要采取精细调控与全面防护的双重策略，从源头入手，通过优化开关器件的选型与布局，减少电磁辐射的产生，采用先进的电磁屏蔽技术，构建坚固的电磁防护屏障，有效阻断电磁干扰的传播路径，注重电磁兼容性的仿真分析与测试验证，通过构建精确的电磁仿真模型，模拟MMC在不同工况下的电磁辐射与干扰特性，为优化策略的制定提供科学依据，开展全面的电磁兼容测试，确保MMC在实际应用中满足相关标准与规范的要求。

（二）效能优化技术：多维度的性能提升

效能优化是MMC技术乐章中的高潮部分，运用多维度的技术手段，实现性能的全面提升，从调制策略入手，通过优化脉冲宽度调制（PWM）算法与空间矢量调制（SVM）策略，提高MMC的转换效率与电能质量。注重谐波抑制与补偿技术的研发与应用，通过引入有源滤波器（APF）与无源滤波器（PPF）等装置，有效滤除输出波形中的谐波成分，提升电能质量。

（三）综合优化方案：协同创新与整体优化

面对MMC技术的复杂性与变化性，单一的优化策略难以奏效，构建一套综合优化方案，实现各优化策略之间的协同创新与整体优化，如同在乐章中编织一张错综复杂的网，将各个声部与乐器紧密地联系在一起，共同演绎出一段和谐美妙的音乐[3]。在综合优化方案中，注重优化策略之间的相互影响与制约关系，通过多目标优化方法，平衡电磁兼容与效能优化之间的冲突与制约关系，寻求最佳平衡点以实现MMC性能的最优化，关注优化方案的可实施性与经济性，确保其在实际应用中具有可行性与竞争力。

总结

在深入探讨模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的电磁兼容与效能优化问题后，本文系统性地分析了MMC的固有特性、面临的挑战以及针对性的优化策略，旨在为MMC技术的进一步成熟及其在电力系统中的广泛应用提供坚实的理论基础与实践指导。本文的研究成果不仅深化了对MMC电磁兼容与效能优化问题的理解，也为MMC技术的进一步发展及其在电力系统中的广泛应用提供了重要的技术支撑与指导。

参考文献

[1] 崔帅,宋吉江,赵巧静,等.模块化多电平换流器优化均压策略研究[J].现代电子技术, 2022, 45(6):5.

[2] 邓富金,蒋慧杰,张建忠.一种模块化多电平换流器输出谐波优化控制方法:CN202111322111.0[P].CN202111322111.0[2024-07-11].

[3] 郝加强.三相变单相模块化多电平换流器调制优化研究[J].电力电子技术, 2023, 57(5):30-32.