成果推介 |含SiC器件的模块化多电平换流器及其优化控制系统

电力电子装备、新能源技术

基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的柔性直流输配电技术具有控制灵活、动态响应快、弱网连接能力强、便于多端运行等显著优势，已成为直流输配电领域的优选方案，是我国可再生能源大规模开发利用的重要手段。未来随着可再生能源开发利用逐步深入，海上光伏、海上风电等特定场合的对换流阀的体积与重量要求较为苛刻，需要MMC实现轻型化。然而，传统MMC普遍采用硅绝缘栅双极型晶体管（Silicon Insulated Gate Bipolar Transistor, Si IGBT）作为功率器件，受制于Si材料的物理极限，Si IGBT性能已接近理论上限，使得MMC子模块数目无法降低、开关频率难以提升，制约了装置体积、重量的缩减。

近年来，以碳化硅（Silicon Carbide, SiC）为代表的宽禁带半导体器件发展迅猛，其中碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, SiC MOSFET）相比于Si IGBT阻断电压更高、开关速度更快、开关损耗更小。将MMC中的Si IGBT替换为SiC MOSFET，有利于MMC缩减装置体积、提高控制带宽、优化传输效率。

因此，本团队聚焦SiC MOSFET在MMC中的应用的机遇与挑战，首先基于基础的半桥MMC结构，将Si IGBT直接替换为SiC MOSFET，针对SiC MMC存在的器件结温不均问题和电磁干扰加剧问题分别提出了对应的优化调制方法。另一方面，针对全SiC MMC成本高、导通损耗大的问题，本团队提出Si/SiC器件混合型子模块和Si/SiC子模块混合型换流器，以进一步优化装置的效率及经济性。

本成果提出了一种含SiC器件的模块化多电平换流器及其优化控制系统。针对前述痛点问题，本成果对应给出了以下解决方案：

1. 针对SiC MMC子模块器件结温分布不均的问题，提出了一种基于SiC MOSFET双向导电特性的子模块器件结温均衡方法。团队借鉴Si子模块器件损耗分析方法，建立了SiC子模块损耗分析模型。在此基础上，根据SiC MOSFET沟道是否双向导电，将SiC MOSFET分为单极工作和双极工作两种模式，并对比了两种模式的器件损耗分布情况。进一步地，引入可自适应调节的阈值参数控制两种模式的自主切换，从而实现器件损耗的均衡。

2. 针对SiC器件高阻断电压、高开关速度的特性导致MMC电磁干扰增加的问题，提出了多种适用于SiC MMC的共模电压抑制方法。团队建立了MMC共模电压分析模型，并分析了SiC器件的应用对MMC共模电压特性的影响。在此基础上，揭示了基于最近零共模电压矢量的共模电压抑制方法的实现原理，并分析了其劣化输出电能质量的缺陷。进一步地，基于开关矢量分析法，提出了多种改进型的共模电压抑制方法，可在实现零共模电压调制的同时抑制电容电压波动并提高输出电能质量。

3. 针对全SiC子模块成本高、导通损耗大的问题，提出了多种Si/SiC器件混合型子模块方案（包含全桥子模块方案、投切电容型子模块（CS-SFB）方案）。通过优化子模块调制方法，使SiC半桥高频工作、Si半桥低频工作，实现了器件的优势互补。

4. 针对由全SiC子模块组成的单一器件型MMC成本高、导通损耗大的问题，提出了Si/SiC子模块混合型MMC换流器方案。团队分析了全SiC MMC随着增压扩容成本、损耗持续增高的缺陷。然后，通过改变单一器件MMC各子模块结构相同、功能一致的架构特性，将少量SiC塑形子模块和多个Si承压子模块串接，构成了Si/SiC子模块混合型MMC。在此基础上，优化了换流器调制方法，在实现子模块电容电压均衡的同时使SiC子模块高频运行、Si子模块低频运行，提升了器件的利用效率。

图1 6kW CS-SFB混合型MMC

图2  10kW Si子模块/SiC子模块混合型MMC

基于SiC器件的MMC在未来具有广阔的市场应用前景，本团队所研发的含SiC器件的模块化多电平换流器及其优化控制系统相对于竞品方案，具有如下优势：

1. 解决了SiC器件应用于MMC后所产生的结温不均及EMI问题，可全面提升装置运行的安全性与可靠性；

2. 所提出的多种装置拓扑充分考虑了SiC器件产业尚不成熟、成本较高的缺点，通过结构优化，使得兼顾SiC器件低损耗优势的同时，减少了器件用量，保证效率提升的同时，极大降低了装置成本，使得产品更具有市场竞争力。

在团队样机及设定测试环境下，可实现以下参数指标：

1. 所提出的SiC子模块结温均衡方案最高可使SiC子模块结温不平衡度降低72.5%；

2. 所提出的SiC MMC共模电压抑制方法可实现共模电压抑制的同时，使交流侧输出电流THD和电容电压波动分别降低23.8%和22.4%；

3. 所提出的Si/SiC器件混合型子模块相比全SiC全桥子模块在损耗和成本方面分别降低了16.3%和41.0%；

4. 所提出的Si子模块/SiC子模块混合型MMC相比全SiC MMC在损耗和成本分别降低31.0%和60.7%。

1. 基于系列成果，获批国家级项目1项，省部级项目1项，授权发明专利10项；

2. 基于相关项目方案，发表SCI一区论文5篇，EI论文6篇，相关论文获评IEEE JESTPE一等奖（华人团队首次获奖）、电工技术学会优秀论文、IEEE SSPEL最佳报告奖等多项奖项；方案样机曾参评多项创新创业大赛，获电子设计国家级竞赛一等1项、三等奖1项。

本项目成果研究目前处于已有样机阶段。

美国在SiC MMC的方案研发、产业推进上走在世界前列，采用10kV SiC MOSFET器件的MMC装置获评了美国能源部PowerAmerica年度最佳项目，目前相关产业化进程仍在推进。国内方面，国家电网、南方电网公司均已就SiC器件在电网换流器中的应用开展了大量验证工作，其中雄安新区将建成采用国产6500V碳化硅器件的柔性变电站。

SiC器件在中高压大功器变换器中的大规模应用是大势所趋。基于MMC的柔性直流输配电技术是直流输配电领域的优选方案，也是我国可再生能源大规模开发利用的重要手段，SiC器件的应用符合MMC轻型化、高效率的发展需求，具有广阔的市场前景。

本团队全面解析了SiC器件的应用给MMC的运行、维护所带来的问题并提出了对应的解决方案，其中所提出的装置方案具有完全的自主产权，同时较美国能源部方案效率更高、成本更低，具有充分的竞争力。

本成果已授权了多项中国发明专利，以下是部分专利展示：

专利许可、专利转让、作价投资、技术开发、面谈等。

本项成果由华中科技大学“高压大功率特种电源”团队开发，团队含国家青年拔尖人才1名、国家海外优青人才2名，累计出站博士后1人，培养博士研究生13人，硕士研究生40余人。