模块化多电平DC-DC变换器研究综述

任 强，孙 驰，肖 飞，艾 胜

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉430033）

模块化多电平DC-DC变换器研究综述

任 强，孙 驰，肖 飞，艾 胜

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉430033）

模块化多电平结构相比常规箝位型多电平和级联型多电平结构，具有更好的模块化设计、高压应用、多电平输出等性能。基于模块化多电平结构的DC-DC变换器特别适合中高压大容量直流输配电及新型直流负载供电。首先介绍了模块化多电平结构的组成及特点；其次对现有模块化多电平DC-DC变换器的主要拓扑结构及相应的调制控制方法进行了详细的总结梳理，并分析了变换器的故障隔离保护机制；最后对模块化多电平DC-DC变换器的研究难点及前景进行了展望。已有的研究表明，模块化多电平DC-DC变换器以其优越的电能变换性能，在价值需求的牵引下必然引领新的直流输配电技术的革新高潮。

模块化多电平；DC-DC变换器；直流电能变换；直流输配电；电压平衡控制；故障隔离

相比传统交流输配电技术，新型直流输配电技术以不含无功功率、输送功率大、线路损耗小以及不存在同步运行的稳定性问题等优势[1-3]，在大容量远距离滨海风力发电并网输电[4-6]、直流智能微网配电[7-9]、电动汽车等新型直流负载供电[10-12]以及国防军工领域舰船综合电力系统大容量直流配电[13-15]等方面都有广阔的应用前景。

在直流输配电应用中，国内外由于缺乏统一的技术标准，设计制造及运行的技术分散性使得直流输电电压等级存在差异，而不同电压等级的电网互联对构建区域智能大电网具有重要意义，由此对中高压大容量直流变换器产生了新的需求[16-17]。限于单个功率半导体开关器件的耐压等级和功率等级较低，常规开关器件串并联技术方案面临的器件动静态均压均流问题[18-19]、多模块串并联组合型变换器串联侧均压和并联侧均流以及对较多隔离变压器的需求问题[20-21]、箝位型多电平变换器不具备模块化设计、级联型多电平变换器对大容量多绕组复杂变压器的需求，使得常规变换器结构很难适应中高压大容量直流变换应用场合。

自德国学者提出模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter）结构以来[22-25]， MMC以其高压应用、模块化设计、多电平输出等优越性能得到了广泛关注，称是电力电子变流器的发展趋势。目前，针对模块化多电平变换器的研究集中在高压直流输电HVDC（high voltage DC transmission）以及大功率交流传动领域，主要实现DC/AC的电能变换[26-33]。其共同难点在于大量分布式电容的均压控制、桥臂环流抑制控制以及大量元器件可靠运行的优化设计。结合模块化多电平结构的优势和所取得的研究成果，针对直流输配电对直流变换器的应用需求，基于模块化多电平结构的DC-DC变换器成为了当前学术界的研究热点。

本文在阐述模块化多电平结构的基础上，梳理了模块化多电平DC-DC变换器的拓扑结构及其调制控制方法，分析了变换器的故障隔离保护机制，总结了当前主要研究难点，并展望了研究前景。

1 模块化多电平结构

为克服单个功率开关器件的电压和容量等级的限制，创造低压开关器件高压应用条件，以低压开关器件及电压箝位电容组成的箝位型功率模块成为解决此问题的有效途径，并在多电平变换器中得到了充分应用。模块化多电平结构由多个低压子模块串联构成，高压直流电压均分到每个子模块中，通过调整串联子模块的数目，理论上可以适应任意电压等级的应用，具有较好的扩展性能。

在电压箝位型子模块结构中，电容既发挥电压箝位功能，也发挥储能作用。开关器件和电容直接并联，使得开关器件两端的电压等于电容两端的电压，电容电压的平衡保证了半导体器件开关电压的稳定，创造了高压条件下的低压运行环境。通过控制子模块的投入/切除，子模块等效于可控电压源，在子模块端口双向电流作用下，电容既可以输出功率也可以吸收功率。子模块电容电压平衡是模块化多电平结构正常工作的基本前提。

目前，可用于模块化多电平结构的电压箝位型子模块结构主要有：半桥结构、全桥结构、半桥级联结构、飞跨电容结构和电容交错结构等[34-36]，如图1所示。其共性特点是：单一子模块电流具有双向性，电容电压能通过改变流经子模块电流方向实现电容充放电，以此保持电容电压平衡；但在MMC中，桥臂投入子模块需满足的直流电压平衡条件将限制子模块电流的双向改变，即子模块电容实际充/放电路径只有1条。要实现变换器层面的电容电压平衡，子模块需具有能够实时改变的双向电流对电容进行周期充放电，以保持电容电压的平衡。

图1 电压箝位子模块结构Fig.1 Structures of voltage-clamped submodule

2 模块化多电平DC-DC变换器拓扑结构及其调制控制方法

模块化多电平DC-DC变换器拓扑结构具有多样性，针对不同应用对象，主要可分为隔离型和非隔离型两类。

2.1 隔离型模块化多电平DC-DC变换器拓扑结构及控制

文献[37-38]分析了一种MMC-变压器-二极管整流桥的隔离型两级单向直流变换器，其拓扑结构及其相应的变压器原、副边电压波形如图2所示。采用基于中频交流方波（500 Hz）的两电平调制方式，利用电压排序法实现子模块电容电压的平衡，通过控制交流方波的幅值即可实现输出电压控制，其核心是DC-AC变换控制。同时，文中就开关器件、中频变压器、无源器件电感的损耗进行了仿真分析。中频方波信号作为中间耦合变量，在提高了直流电压利用率的同时，有效地减小了变压器的体积。但MMC输出交流电压仅为两电平方波，MMC多电平输出优势并未得到充分应用，且方波电压较高的dv/dt增加了变压器绕组的绝缘要求，信号中的高频谐波分量增加了变压器的损耗，散热需求的增加反过来又增加了变压器的体积。不控二极管整流桥也决定了变换器功率只能单向流动。

图2 隔离型两级单向直流变换器拓扑结构及其电压波形Fig.2 Topology of isolated two-level unidirectional DC converter and its voltage waveforms

文献[39-47]介绍了一种用于互联高压直流网络的隔离型“端到端”两级双向DC-AC-DC变换器结构,如图3所示。图中，DC-AC和AC-DC变换均采用MMC变换器结构，交流链路采用中高频变压器耦合输入输出子变换器。与常规有源双向全桥结构相似，采用中高频交流链路，在实现输入输出电气隔离的同时，有效减小了变压器体积和无源器件容量需求。在调制方式上，基于常规最近电平逼近的阶梯正弦波调制方法以及基于电容电压排序的子模块电容电压平衡控制方法，文献[41,45]对最近电平逼近法进行了改进，使得MMC子变换器开关频率和中间交流频率相等，降低了开关损耗，并基于电流预测减小了子模块电容电压波动；文献[17,46-47]提出了一种近似两电平输出的梯形波调制方法，在梯形波过渡状态采用多电平阶梯输出，在梯形波稳态采用两电平输出，有效地减小了桥臂环流及开关损耗，降低了变压器绕组的dv/dt和绝缘要求。在功率控制上，目前绝大部分文献均采用基于变压器原副边基波电压相角和电压幅值的交流控制方式，以实现有功功率和无功功率的解耦以及功率流向的控制[39]。

此种两级DC-AC-DC变换器，电能变换损耗大，且MMC拓扑结构中任何时刻仅有一半的器件处于工作状态，变换器器件利用率低，设计成本高。随着交流频率的提高，虽在一定程度上有减小无源器件容量和体积的趋势，但变压器的涡流损耗和磁滞损耗随之增加。中高频大功率变压器的需求也在一定程度上增加了变换器的设计难度。从现有的文献可知，目前针对两级DC-AC-DC变换器的研究基本都集中在输入输出电压变化不大的应用领域，输入输出子变换器的结构和开关频率相同，采用基于开关周期分析的功率流控制方法。

图3 隔离型两级双向DC-AC-DC变换器拓扑结构Fig.3 Topology of isolated two stage bidirectional DC-AC-DC converter topology

2.2 非隔离型模块化多电平DC-DC变换器拓扑结构及控制

相比隔离型变换器，非隔离型DC-DC变换器能实现功率的直接变换，减少电能变换中间环节，具有效率高、结构简单的特点，在采用全控型开关器件的基础上，此类变换器基本都能实现电能的双向变换。而在非隔离型DC-DC变换器中采用变压器，其主要目的是提供一条交流无功路径，用于实现变换器内部的无功转移，为子模块电容电压平衡创造条件。

文献[48]提出了一种输入端采用单相MMC子变换器，子变换器交流输出端分别接桥式二极管整流器和MMC子变换器，构成单向和双向非隔离型DC-DC变换器拓扑结构。采用两电平方波和最近电平逼近阶梯正弦波调制方式，并根据桥臂电流方向利用电容电压排序法实现子模块电容电压平衡控制。此类变换器具有结构简单、功率容量大的特点。但所采用的排序法使得子模块投入具有一定的随机性，子模块间的功耗不一致，增加了散热设计难度，且变换器电压变比较小。

文献[16,49]针对隔离型两级DC-AC-DC变换器电能变换损耗大的问题，提出了一种自耦合直流变压器拓扑结构，如图4（a）所示。图中，子变换器VSC1～VSC3均采用MMC结构，其交流输出侧通过变压器和公共交流母线进行耦合。同样，此种结构中，直流变换器互联的直流系统间只有部分功率需要经过两级DC/AC变换，且随着互联直流电压差的减小，经过两级电能变换的功率越小，交流链路容量越小，电能变换损耗越低。为实现直流变压器稳定运行，利用VSC2实现公共交流母线电压的稳定控制，利用VSC1和VSC3实现有功功率传输控制。通过控制策略的变化，此类变换器能实现电能的双向变换，但目前还未见文献研究。然而，此种结构中，3个子变换器的串联增加了系统分析控制的复杂度，且子变换器处于不同电位等级，各自的绝缘设计要求也不同。文献[50-51]提出了另一种自耦合直流变压器拓扑结构，如图4（b）所示。其高压侧由两个MMC子变换器串联组成，低压侧为其中一个子变换器的直流母线电压，两个子变换器交流侧通过变压器进行耦合。此种结构可等效为一个两级DC-AC-DC变换器和一个MMC变换器的组合。相比常规两级DC-AC-DC变换器，自耦合直流变压器在器件数量相同的条件下，变换功率不仅通过两级变换路径进行传输，还通过MMC变换器路径进行直接传输，有效的减小了交流链路两级电能变换容量，变换损耗得以降低。然而，变换器的两种等效结构的耦合增加了变换器的分析和控制的难度，子变换器的损耗要求也决定了变换器的电压变比不可能很大。此类自耦合变压器虽使用了交流变压器，但电压源间直流通路的直接相连，不具有电气隔离特性。从目前的研究可知，此种变换器的研究还刚刚起步，针对输出电压、功率调节以及子模块电容电压平衡控制等研究还需进一步深化。

图4 自耦合直流变压器拓扑结构Fig.4 Structure of DC autotransformer topologies

文献[52-53]提出了一种输入电源、桥臂电感、子模块电容形成串联谐振，整流输出直流电压的变换器结构，如图5（a）所示。变换器输入并联滤波器能够防止谐振交流电流进入直流电源，输出整流器可以采用常规的二极管整流或正/反激整流结构。通过改变串联子模块个数和占空比，即可改变整流输入方波信号的幅值和占空比，由此实现输出电压的调整。然而，在输出功率一定时，桥臂交流电流和子模块个数正相关，相比桥臂直流分量，较大的交流分量占据变换损耗的主要部分。随着电压变比和输出功率的增加，变换器损耗急剧增大，变换器能效决定了此种谐振变换器的电压变比和输出功率不能过大。因此，变换器仅适合于电压变比较小的小功率应用场合。文献[54-55]将串联子模块等效于常规Buck/Boost变换器中的开关器件，利用高压直流侧电感和桥臂子模块等效电容组成串联谐振电路，从而实现类似Buck/Boost型直流降/升压变换，其拓扑如图5（b）所示。为减小谐振电流对直流电源和负载的冲击，低压直流侧电感和高、低压直流侧电容相比谐振电感和子模块电容大很多，由此可将低压侧电感等效于电流源、高压侧电容等效于电压源。采用大占空比的载波移相调制方式，任何时刻串联桥臂中投入子模块数相同，谐振参数不变，使得电压变比仅依赖于投入子模块个数和脉冲占空比。然而，此类采用电路谐振实现功率变换的方式，较大的谐振电流增加了变换器的无功功率，器件的电流应力和损耗大。且为抑制直流侧电流纹波，直流侧需较大的滤波器件，这对于诸如超级电容储能应用场合是可以接受的，但对于对纹波电流敏感的电池类负载却存在致命的问题。

图5 模块化多电平谐振型DC-DC变换器拓扑结构Fig.5 Topologies of modular multilevel resonant DC-DC converter

文献[56-58]针对再生制动能量回馈应用，提出了一种以超级电容作为子模块储能电容的双向模块化多电平DC-DC变换器拓扑。文献[59]以光伏电池作为子模块储能单元，得到了类似的直流变换器结构，如图6所示。采用载波移相调制方式，减小了输出电压脉动，并利用双向电流实现子模块的充放电，以此保持子模块电容电压平衡。由于此种结构中，电容电压平衡控制及稳定运行强烈依赖于电能双向流动。在没有双向电流的运行条件下，需额外的双向DC-DC变换器提供双向功率流，其应用条件受限，仅适用于分布式电源系统。

图6 能量回馈型模块化多电平DC-DC变换器拓扑结构Fig.6 Topology of energy feedback modular multilevel DC-DC converter

图7 DC-MMC拓扑结构Fig.7 DC-MMC topology

文献[60-62]提出了一种高压侧采用2个类似MMC子变换器串联、低压侧为两个子变换器交流输出滤波得到直流正、负极的DC-MMC变换器拓扑结构，如图7所示。图中，子变换器上、下桥臂子模块数可根据实际电压的选择而不同。该种电路的基本思想是：直流功率直接传输导致MMC子变换器上下桥臂子模块电容电压单向变换，为平衡子模块电容电压，需桥臂交流功率实现上下桥臂能量交换。利用子变换器左右桥臂反相交流电压作用在桥臂电感上产生交流环流，并以一种近乎无损的方式实现子变换器上下桥臂功率再分配，为子模块电容电压平衡创造条件。由于桥臂交流电压的引入，使得直流单级对地输出电压为叠加有共模交流分量的直流量。变换器电压变比可调范围主要取决于两个子变换器的子模块数以及相应的电容电压。然而，此种变换器所需器件数目多，控制复杂，且两个交流环流回路的耦合增加了分析的难度。在考虑子模块最小占空比和变换损耗的情况下，变换器的电压变比较小，仅适合于实现电压等级相近的直流电能变换。

文献[63]指出常规MMC桥臂包含的交流分量为子模块电容周期充放电以及电容电压平衡控制创造了条件，而采用模块化多电平结构的直流变换不产生相应的交流分量。根据不同频率的功率流相互垂直的原理，该文指出功率转移可以是一种频率的功率向另一种频率的功率的转移，同时保持功率变换单元能量平衡。据此，作者提出了一种直流功率以一种频率传输而以另一种频率的无功功率实现子模块电容电压平衡的控制思想，并提出了一种同时包含一次功率变换环路和二次功率平衡环路的模块化多电平DC-DC变换器结构示意，如图8所示。其中，一次功率环路实现电源向负载的功率变换，其频率为直流；二次平衡环路也即无功环路，实现桥臂间能量的转移、平衡因一次环路功率传输导致的子模块电容电压失衡，其频率为中高频。

图8 一次/二次控制环路控制示意Fig.8 Primary/secondary loop control diagram

在文献[63]的基础上，文献[64]提出了一种基于常规三相MMC的直流变换器，其拓扑结构如图9所示。三相交流输出端接移相变压器用以滤除直流分量中的高频交流分量。为实现子模块电容电压平衡，在桥臂参考电压中叠加高频差模电压和共模环流，利用共模电流对子模块充放电，平衡直流功率变换导致的子模块电能的增减，从而保持电容电压平衡[65-67]。其中，高频差模电压会叠加到输出相电压中，而交流环流仅在三相桥臂间流动。此种控制方法，较大的环流增加了器件容量和损耗，同时，子模块电容承受较强的电容充放电过程，电容电压和输出电压波动比较明显。

图9 三相MMC直流变换器拓扑结构Fig.9 Topology of three-phase MMC DC converter

对于其他诸如多输入多输出多电平变换器[68-69]，其结构复杂，不做具体分析。

综上，目前模块化多电平DC-DC变换器拓扑基本都是在MMC结构基础上演变而来，同时融合低压DC-DC变换器中常用的变换方式，形成了满足不同应用场合的隔离型和非隔离型两种结构的变换器，具有结构种类多、应用范围广等特点。在调制控制上，基本都采用常规的两电平调制、最近电平逼近调制、载波移相调制以及相应的改进型调制方式。为实现输出电压及子模块电容电压平衡控制，基本都采用基于MMC的交流控制方法，通过人为控制产生桥臂交流分量，利用交流无功功率实现桥臂能量的再分配，以此平衡直流功率传输导致的子模块电容电压的失衡。此种控制方法使得变换器无功功率大，器件容量需求和损耗较大，经济性不高。

3 故障隔离保护

在交流输配电系统中，交流断路器可利用电流过零点实现故障电流情况下的可靠关断，由此隔离故障传播。而在直流输配电系统中，故障电流通常很大且电流不具有过零点，直流断路器强制分断，将产生很大的电弧，甚至无法分段，无法实现故障电流的及时清除。因此，在多端直流输电系统中，限于直流断路器在直流短路保护方面存在的不足，要求互联电网的直流变换器需具备直流短路故障保护及相应的故障隔离能力，防止故障传递危害正常工作的电网走廊[1-2,70]。

在多端隔离型模块化多电平DC-DC变换器中，由于采用交流变压器耦合输入输出MMC子变换器，电网间电能传输是通过中间交流耦合分量实现的。中间交流分量包含的实时过零点为交流断路器在直流变换器中的应用创造了条件。其次，正常工况下，MMC桥臂所有子模块电容电压和大于直流电压，在不控情况下，可通过故障电流对子模块充电，利用桥臂所有子模块电压形成反向阻断电压，从而为阻断故障电流成为可能，这也是MMC在故障保护方面所具有的独特性。当任意直流端发生短路或对地短路故障时，通过切除故障侧子变换器的桥臂子模块，利用故障电流对子模块进行充电，可实现短路电流的快速抑制。同时，中间交流链路中增加的交流断路器，在检测到故障时，在电流过零点处迅速分段，可防止无故障电网通过交流链路输出功率至故障电网，起到故障隔离的作用[37,40-44]，其短路故障示意如图10所示。

图10 多端隔离型变换器短路故障示意Fig.10 Sketch map of multiterminal isolation converter short-circuit fault

在非隔离型变换器中，输入输出端在电气上直接相连，并相对于电压参考点存在电压重叠。变换器故障切除只能依靠MMC自身所具有的故障隔离特性，即通过控制子模块输出形成反向阻断电压，快速抑制故障电流，进而实现故障隔离。对于采用典型半桥结构子模块的非隔离型DC-DC变换器，由于高低压侧直流母线通过变换器直接相连，高压侧和低压侧部分桥臂子模块重叠[40,48-55,60,63]。在此类拓扑结构中，当低压侧发生短路故障时，高压侧电压直接加在非重叠部分子模块上，在投入子模块电压之和达到高压侧电压时，直流变换器能够有效隔离低压侧短路故障，如图11（a）所示。当高压侧发生直流短路故障时，低压侧直流电压直接加在非重叠子模块反并联二极管上，导致非故障侧低压电网短路，变换器不具备高压短路故障隔离。为防止此类故障传递，非重叠子模块需部分采用全桥结构。当发生高压侧短路时，通过非重叠全桥子模块输出负电压，抵消低压直流电网电压，防止低压侧电网短路，起到高压侧短路故障隔离的作用，如图11（b）所示。

图11 常规非隔离型变换器短路故障示意Fig.11 Stetch map of conventional non-isolated converter short circuit fault

由此可知，对于非隔离型模块化多电平DC-DC变换器，在依靠MMC所具有的故障隔离功能实现双端故障电流抑制及故障隔离时，常规半桥子模块结构将存在缺陷，必须在桥臂中部分使用全桥子模块，即通过增加开关器件数量，以此增加变换器的故障隔离能力。额外增加的开关器件将仅在故障处理时投入工作，在变换器正常工作时，此类开关器件将处于闲置，这在一定程度上降低了开关器件的利用率，增加了系统的成本和体积。

其他特殊非隔离型DC-DC变换器，其故障处理机制需根据具体电路结构进行分析。

4 研究难点及展望

作为MMC的扩展应用，模块化多电平DC-DC变换器同样需具备MMC运行的基本前提，即保持子模块电容电压平衡。这也是此类变换器研究的主要难点之一。在模块化多电平结构中，桥臂子模块串联，并直接并联在直流电源两端，串联桥臂满足的电压关系，需要桥臂双向电流实现子模块电容周期充放电。为产生桥臂双向电流，目前均采用交流的控制方法，通过人为制造桥臂交流环境来实现能量再分配和子模块电容电压平衡控制，这无疑增大了变换器的无功损耗和器件容量需求。其次，在采用交流控制思想的基础上，无功功率的控制是另一个难点。变换器内部无功功率既和子模块电容电压平衡相关，还和输出电压、负载功率以及输入输出谐波联系紧密。无功功率的产生方式、传输路径均需要严格的分析计算和控制，这对于要同时实现电压变换和功率传输控制来说具有一定难度。同时，无功功率和损耗正相关，如何实现变换器稳定运行条件下的无功功率优化控制也增加了一定的控制难度。

从目前针对模块化多电平DC-DC变换器的研究文献中可以看出，相比模块化多电平交流变换，直流变换的研究还比较初级，主要集中在实现直流变换的同时保持子模块电容电压平衡和系统稳定的功能实现上，其深化研究方向包括：

（1）对于变换器的无功环节优化、输入输出电流电压谐波抑制等相关的拓扑结构和控制方法的研究较初级或鲜有研究，而针对此类变换器的能效研究有待深化。

（2）针对具有大电压变换范围的直流变换器拓扑及相关控制研究还需加强。如采用MMC结构的两级双向桥式DC-AC-DC变换器，目前的研究基本都是在左右子变换器具有相同参数下进行的。而对于具有大电压变化范围的应用场合，如供端为中高压电网，输出端为低压电池储能装置，高低压侧子变换器较大的电压电流差异，将使得子变换器结构、器件容量需求、开关损耗、开关频率等各不相同，而现有研究几乎还未涉及到，相应地从电路优化设计到理论分析和调制控制都需进一步研究。而且基于开关周期分析的功率流控制方法，当子变换器结构变化时，其功率定量关系需重新推导，对于双向桥式结构变换器不具有普适性。因此，开展提高变换效率、优化无源器件设计以及基于系统级的普适性分析控制方法的研究都具有较大的现实意义。

（3）当前的模块化多电平DC-DC变换器研究所采用的交流控制方法在一定程度上增加了变换器拓扑结构和分析控制的难度，电气特性不是很理想。据此，开展基于直流量控制的、能够实现子模块电容电压平衡和电能变换的拓扑结构及控制方法的研究，具有一定的创新性。

总之，随着直流输配电技术的发展及新型直流负载的涌现，具有大容量高电压变比的模块化多电平DC-DC变换器，能够充分发挥模块化多电平结构的优势，在多端柔性直流输电、分布式电源系统、直流智能微网、高电压宽范围辅助电源供电以及高质量直流电源应用方面都具有很高的价值。纵观模块化多电平DC-DC变换器的技术路线和研究难点，其拓扑结构、电压平衡和电能质量控制还有待深化研究。在价值需求的牵引下，模块化多电平DC-DC变换器必然引领输配电技术新的革新高潮。

[1]温家良,吴锐,彭畅,等.直流电网在中国的应用前景分析[J].中国电机工程学报,2012,32（13）：7-12.

Wen Jialiang,Wu Rui,Peng Chang,et al.Analysis of DC grid prospects in china[J].Proceedings of the CSEE,2012,32（13）：7-12（in Chinese）.

[2]夏俊丽,毛荀,柯德平,等.基于综合评价的交、直流输电适用范围研究[J].电力自动化设备,2015,35（3）：120-126.

Xia Junli,Mao Xun,Ke Deping,et al.Applicable scope of AC and DC power transmission based on comprehensive evaluation[J].Electric Power Automation Equipment,2015,35（3）：120-126（in Chinese）.

[3]汤广福,贺之渊,庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J].电力系统自动化,2013,37（15）：3-14.

Tang Guangfu,He Zhiyuan,Pang Hui.Research,application and development of VSC-HVDC engineering technology[J].Automation of Electric Power Systems,2013,37（15）：3-14（in Chinese）.

[4]Kolparambath S K,Suul J A,Tedeschi E.Analysis of DC/DC converters in multiterminal HVDC systems for large offshore wind farms[C]//2015 International Conference on Advancements in Power and Energy（TAP Energy）.IEEE,2015：415-420.

[5]Parastar A,Kang Y C,Seok J K.Multilevel modular DC/DC power converter for high-voltage DC-connected offshore wind energy applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62（5）：2879-2890.

[6]蒋晓娟,姜芸,尹毅,等.上海南汇风电场柔性直流输电示范工程研究[J].高电压技术,2015,41（4）：1132-1139.

Jiang Xiaojuan,Jiang Yun,Yin Yi,et al.A demonstration project of flexible DC power transmission in shanghai nanhui wind power station[J].High Voltage Engineering,2015,41（4）：1132-1139（in Chinese）.

[7]宋强,赵彪,刘文华,等.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报,2013,33（25）：9-19.

Song Qiang,Zhao Biao,Liu Wenhua,et al.An overview of research on smart DC distribution power network[J].Proceedings of the CSEE,2013,33（25）：9-19（in Chinese）.

[8]李振杰,袁越.智能微网——未来智能配电网新的组织形式[J].电力系统自动化,2009,33（17）：42-48.

Li Zhenjie,Yuan Yue.Smart microgrid：A novel organization form of smart distribution grid in the future[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33（17）：42-48（in Chinese）.

[9]吴卫民,何远彬,耿攀,等.直流微网研究中的关键技术[J].电工技术学报,2012,27（1）：98-106.

Wu Weimin,He Yuanbin,Geng Pan,et al.Key technologies for DC micro-grids[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27（1）：98-106（in Chinese）.

[10]陈良亮,张浩,倪峰,等.电动汽车能源供给设施建设现状与发展探讨[J].电力系统自动化,2011,35（14）：11-17.

Chen Liangliang,Zhang Hao,Ni Feng,et al.Present situation and development trend for construction of electric vehicle energy supply infrastructure[J].Automation of Electric Power Systems,2011,35（14）：11-17（in Chinese）.

[11]Kempton W,Perez Y,Petit M.Public policy for electric vehicles and for vehicle to grid power[J].Revue D'économie Industrielle,2015,148（4）：263-290.

[12]杨秀菊,白晓清,李佩杰,等.电动汽车规模化接入配电网的充电优化[J].电力自动化设备,2015,35（6）：31-36.

Yang Xiuju,Bai Xiaoqing,Li Peijie,et al.Charging optimization of massive electric vehicles in distribution network[J].Electric Power Automation Equipment.2015,35（6）：31-36（in Chinese）.

[13]Doerry N,McCoy K.Next generation integrated power system：NGIPS technology development roadmap[R].Washington DC：Naval Sea Systems Command,2007.

[14]马伟明.舰船动力发展的方向——综合电力系统[J].海军工程大学学报,2002,14 （6）：1-5,9.Ma Weiming.Integrated power systems——trend of ship power development[J].Journal of Naval University of Engineering,2002,14 （6）：1-5,9（in Chinese）.

[15]张义农,汤建华.美英未来舰船综合电力系统电制选择分析[J].舰船科学技术,2012,34（4）：136-139.

Zhang Yinong,Tang Jianhua.The busbar architecture choice of integrated power system for US and UK future surface ship[J].Ship Science and Technology,2012,34（4）：136-139（in Chinese）.

[16]林卫星,文劲宇,程时杰.直流-直流自耦变压器[J].中国电机工程学报,2014,34（36）：6515-6522.

Lin Weixing,Wen Jinyu,Cheng Shijie.DC-DC Autotransformer[J].Proceedings of the CSEE,2014,34（36）：6515-6522（in Chinese）.

[17]Gowaid I A,Adam G P,Massoud A M,et al.Modular multi-level structure of a high power dual active bridge DC transformer with stepped two-level output[C]//2014 16th European Conference on Power Electronics and Applications（EPE'14-ECCE Europe）.IEEE,2014：1-10.

[18]Sasagawa K,Abe Y,Matsuse K.Voltage balancing method for IGBTs connected in series[C].Industry Applications Conference,2002.37th IAS Annual Meeting.Conference Record of the.IEEE,2002,4：2597-2602.

[19]张先飞,郑建勇,胡敏强,等.IGBT动态串并联驱动信号补偿的研究[J].高电压技术,2008,33（12）：187-191.

Zhang Xianfei,Zheng Jianyong,Hu Minqiang,et al.Compensation of dynamic series and paralleling driver signal of IGBT[J].High Voltage Engineering,2008,33（12）：187-191（in Chinese）.

[20]Shenoy P S,Krein P T.Local control of an ISOP push-pull converter with uneven load sharing[C].Power and Energy Conference at Illinois（PECI）,2010.IEEE,2010：70-76.

[21]王子龙,肖岚,赵鹏.全桥直流变压器/变换器ISOP组合式系统的研究[J].中国电机工程学报,2014,34（33）：5819-5826.

Whang Zilong,Xiao Lan,Zhao Peng.Researches on combined input-series output-parallel systems composed of full-bridge DC transformers and converters[J].Proceedings of the CSEE,2014,34（33）：5819-5826（in Chinese）.

[22]Marquardt R,Lesnicar A,Hildinger J.Modulares stromrichterkonzept für netzkupplungsanwendung bei hohen spannungen[C]//ETG-Fachtagung.Bad Nauheim,Germany：Fachtagung des VDE,2002：1-7.

[23]Lesnicar A,Marquardt R.A new modular voltage source inverter topology[C]//European Conference on Power Electronics and Applications.Toulouse,France：2003：1-10.

[24]Lesnicar A,Marquardt R.An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range[C]//Power Tech Conference Proceedings.2003,3：6-11.

[25]Rodriguez J,Lai J S,Peng Fangzheng.Multilevel inverters：a survey of topologies,controls,and applications[J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2002,49（4）：724-738.

[26]董京,刘兆辉,蒋超.模块化多电平柔性直流输电新型控制策略[J].电力系统及其自动化学报,2017,29（2）：129-134.

Dong Jing,Liu Zhaohui,Jiang Chao.Novel MMC-HVDC control strategy[J].Proceedings of the CSU-EPSA,2017,29（2）：129-134（in Chinese）.

[27]Huang Shaojun,Teodorescu R,Mathe L.Analysis of communication based distributed control of MMC for HVDC[C]//2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications（EPE）.IEEE,2013：1-10.

[28]Bergna G,Boyra M,Vivas J H.Evaluation and proposal of MMC-HVDC control strategies under transient and steady state conditions[C]//Proceedings of the 2011-14th European Conference on Power Electronics and Applications（EPE 2011）.IEEE,2011,30：1-10.

[29]Qin Jiangchao,Saeedifard M.Predictive control of a modular multilevel converter for a back-to-back HVDC system[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2012,27 （3）：1538-1547.

[30]Antonopoulos A,Angquist L,Norrga S,et al.Modular multilevel converter ac motor drives with constant torque from zero to nominal speed[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2014,50（3）：1982-1993.

[31]Spichartz M,Staudt V,Steimel A.Modular multilevel converter for propulsion system of electric ships[C]//Electric Ship Technologies Symposium（ESTS）,2013 IEEE.IEEE,2013：237-242.

[32]Antonopoulos A,Angquist L,Harnefors L,et al.Optimal selection of the average capacitor voltage for variable-speed drives with modular multilevel converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30（1）：227-234.

[33]Ilves K,Harnefors L,Norrga S,et al.Analysis and operation of modular multilevel converters with phase-shifted carrier PWM[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30（1）：268-283.

[34]Gao Y,Yang Y,Wang R,et al.Modular Multilevel Converter Valve Protection Method：U.S.Patent Application 14/005,267[P].2011-11-29.

[35]Aiello M F,Kramer D M,Berton K S.System and Method for Controlling a M2LC system：U.S.Patent 8,618,698[P].2013-12-31.

[36]Aiello M F,Kramer D M,Berton K S.Two-terminal M2LC Subsystem and M2LC System Including Same：U.S.Patent 8,649,187[P].2014-2-11.

[37]Luth T,Merlin M,Green T.A DC/DC converter suitable for HVDC applications with large step-ratios[C]//Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）,2014 IEEE.IEEE,2014：5331-5338.

[38]Luth T,Merlin M M C,Green T C.Modular multilevel DC/DC converter architectures for HVDC taps[C]//2014 16th European Conference on Power Electronics and Applications（EPE'14-ECCE Europe）.IEEE,2014：1-10.

[39]Kenzelmann S,Rufer A,Vasiladiotis M,et al.A versatile DC-DC converter for energy collection and distribution using the modular multilevel converter[C]//Proceedings of the 2011-14th European Conference on Power Electronics and Applications（EPE 2011）.IEEE,2011：1-10.

[40]Schon A,Bakran M M.High power HVDC-DC converters for the interconnection of HVDC lines with different line topologies[C]//Power Electronics Conference（IPEC-Hiroshima 2014-ECCE-ASIA）,2014 International.IEEE,2014：3255-3262.

[41]Chen Yu,Cui Yuqing,Tao Yupu,et al.High-fundamentalfrequency modulation for the DC-DC modular multilevel converter（MMC）with low switching frequency and predicted-based voltage balance strategy[C]//Transportation Electrification Asia-Pacific（ITEC Asia-Pacific）,2014 IEEE Conference and Expo.IEEE,2014：1-6.

[42]Luth T,Merlin M M C,Green T C,et al.High-frequency operation of a dc/ac/dc system for hvdc applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2014,29 （8）：4107-4115.

[43]Kenzelmann S,Rufer A,Dujic D,et al.Isolated DC/DC structure based on modular multilevel converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30（1）：89-98.

[44]石绍磊,李彬彬,张毅,等.模块化多电平型高压DC/DC变换器的研究[J].电源学报,2015,13（6）：110-116,123.

Shi Shaolei,Li Binbin,Zhang Yi,et al.Research on modular multilevel high voltage DC/DC converter[J].Journal of Power Supply,2015,13 （6）：110-116,123（in Chinese）.

[45]Kenzelmann S,Novaes D,Rufer A,et al.Modular DC/DC converter：comparison of modulation methods[C]//EPEPEMC 2012：15th International Power Electronics and Motion Control Conference.2012.

[46]Gowaid I A,Adam G P,Massoud A M,et al.Quasi two-level operation of modular multilevel converter for use in a highpower DC transformer with DC fault isolation capability[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30（1）：108-123.

[47]Gowaid I,Adam G,Ahmed S,et al.Analysis and design of a modular multilevel converter with trapezoidal modulation for medium and high voltage DC-DC transformers[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30 （10）：5439-8993.

[48]赵成勇,李路遥,翟晓萌,等.新型模块化高压大功率DCDC变换器[J].电力系统自动化,2014,38（4）：72-78.

Zhao Chengyong,Li Luyao,Zhai Xiaomeng,et al.A new type of modular high-voltage high-power DC-DC converter[J].Automation of Electric Power Systems,2014,38 （4）：72-78（in Chinese）.

[49]Lin Weixing,Wen Jinyu,Cheng Shijie.Multiport DC-DC autotransformer for interconnecting multiple high voltage DC systems at low cost[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30（12）,6648-6660.

[50]Schon A,Bakran M M.A new HVDC-DC converter with inherent fault clearing capability[C]//2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications（EPE）.IEEE,2013：1-10.

[52]Zhang Xiaotian,Green T C,Junyent-Ferre A.A new resonant modular multilevel step-down DC-DC converter with inherent-balancing[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30（1）：78-88.

[53]Arifa M K,Joseph S,Thomas L.Step down resonant modular multilevel DC-DC converter[C]//National Conference on Recent Advance in Electrical&Electronics Engineering（NCREEE 2015）.IEEE,2015：293-302.

[54]Zhang Xiaotian,Green T C.The new family of high step ratio modular multilevel DC-DC converters[C]//Applied Power Elec-tronics Conference and Exposition（APEC）,2015 IEEE.IEEE,2015：1743-1750.

[55]Zhang Xiaotian,Green T.The modular mul tilevel converter for high step-up ratio DC-DC conversion[J].IEEE Transac-tions on Industrial Electronics,2015,62（8）：4925-4936.

[56]Montesinos-Miracle D,Massot-Campos M,Bergas-Jane J,et al.Design and control of a modular multilevel DC/DC converter for regenerative applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28（8）：3970-3979.

[57]武伟,谢少军,张曌,等.基于MMC双向DC-DC变换器的超级电容储能系统控制策略分析与设计[J].中国电机工程学报,2014,34（27）：4568-4575.

Wu Wei,Xie Shaojun,Zhang Zhao,et al.Analysis and design of control strategy for MMC-BDC based ultra-capacitors energy storage systems[J].Proceedings of the CSEE,2014,34（27）：4568-4575（in Chinese）.

[58]Massot Campos M,Montesinos Miracle D,Bergas Jané J G,et al.Multilevel modular DC/DC converter for regenerative braking using supercapacitors[J].Journal of Energy and Power Engineering,2012,6（7）：1131-1137.

[59Echeverria J,Kouro S,Perez M,et al.Multi-modular cascaded DC-DC converter for HVDC grid connection of large-scale photovoltaic power systems[C]//Industrial Electronics Society,IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE.IEEE,2013：6999-7005.

[60]Kish G J,Ranjram M,Lehn P.A modular multilevel DC/DC converter with fault blocking capability for HVDC interconnects[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30（1）：148-162.

[61]Kish G J,Holmes C,Lehn P.Dynamic modeling of modular multilevel DC/DC converters for HVDC systems[C]//Control and Modeling for Power Electronics （COMPEL）,2014 IEEE 15th Workshop on.IEEE,2014：1-7.

[62]Kish G J,Lehn P W.A comparison of modular multilevel energy conversion processes：DC/AC versus DC/DC[C]//Power Electronics Conference（IPEC-Hiroshima 2014-ECCE-ASIA）,2014 International.IEEE,2014：951-958.

[63]Ferreira J A.The multilevel modular DC converter[J].IEEE TransactionsonPowerElectronics,2013,28（10）：4460-4465.

[64]Norrga S,Angquist L,Antonopoulos A.The polyphase cascaded-cell DC/DC converter[C]//Energy Conversion CongressandExposition（ECCE）,2013IEEE,2013：4082-4088.

[65]Korn A J,Winkelnkemper M,Steimer P.Low output frequency operation of the modular multi-level converter[C]//Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）,2010 IEEE.IEEE,2010：3993-3997.

[66]Spichartz M,Staudt V,Steimel A.Analysis of the modulevoltage fluctuations of the modular multilevel converter at variable speed drive applications[C]//2012 13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment（OPTIM）.IEEE,2012：751-758.

[67]Kolb J,Kammerer F.A novel control scheme for low frequency operation of the modular multilevel converter[J].Power Electronics,2011,6：32-35.

[68]Filsoof K,Lehn P.A bidirectional multiple-input multipleoutput modular multilevel DC-DC converter[C]//Energy ConversionCongress and Exposition（ECCE）,2014 IEEE.IEEE,2014：4395-4401.

[69]Filsoof K,Lehn P.A bidirectional modular multilevel DCDC converter of triangular structure[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30（1）：54-64.

[70]魏晓光,王新颖,高冲,等.用于直流电网的高压大容量DC/DC变换器拓扑研究[J].中国电机工程学报,2014,34(S)：218-224.

Wei Xiaoguang， Wang Xinying， Gao Chong， et al.Topologies research of high voltage and high power DC/DC converters used in DC grids[J].Proceedings of the CSEE，2014,34(S)：218-224（in Chinese）.

Review of Modular Multilevel DC-DC Converter

REN Qiang,SUN Chi,XIAO Fei,AI Sheng
（National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology（Naval University of Engineering）,Wuhan 430033,China）

The modular multilevel structure has advantages over the conventional clamped multilevel structure and cascade multilevel structure in modular performance,high-voltage application and multilevel output.The DC-DC converter based on the modular multilevel structure is especially suitable for medium-high voltage and large-capacity DC transmission and distribution as well as DC power supply.This paper has given an introduction about the composition and characteristics of the modular multilevel structure,a summary of the main topologies and modulation control methods of DC-DC converters,an analysis of the protection mechanism of fault isolation,and an exploration of the difficult points and prospects of the modular multilevel DC-DC converter.Studies show that because of its superior electrical energy conversion performance,the modular multilevel DC-DC converter will certainly lead to technical innovations in DC power transmission and distribution according to the requirement of value.

modular multilevel;DC-DC converter;DC power conversion;DC transmission and distribution;voltage balance control;fault isolation.

任强

任强（1989-），男，博士研究生，研究方向：电力电子及大功率直流电能变换，E-mail：im_qiangren@126.com。

孙驰（1977-），男，通信作者，博士，教授，研究方向：大容量电能变换及控制技术，E-mail：sunchi77@sohu.com。

肖飞（1977-），男，博士，教授，研究方向：电力电子与电气传动，E-mail：xfeyning er@gmail.com。

艾胜（1985-），男，硕士，讲师，研究方向：电力电子与电气传动，E-mail：ai__sheng@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.4.48

TM46

A

2016-01-22

国家自然科学基金资助项目（51490681）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China （51490681）