電力電子裝備、新能源技術

基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的柔性直流輸配電技術具有控制靈活、動態(tài)響應快、弱網(wǎng)連接能力強、便于多端運行等顯著優(yōu)勢，已成為直流輸配電領域的優(yōu)選方案，是我國可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用的重要手段。未來隨著可再生能源開發(fā)利用逐步深入，海上光伏、海上風電等特定場合的對換流閥的體積與重量要求較為苛刻，需要MMC實現(xiàn)輕型化。然而，傳統(tǒng)MMC普遍采用硅絕緣柵雙極型晶體管（Silicon Insulated Gate Bipolar Transistor, Si IGBT）作為功率器件，受制于Si材料的物理極限，Si IGBT性能已接近理論上限，使得MMC子模塊數(shù)目無法降低、開關頻率難以提升，制約了裝置體積、重量的縮減。

近年來，以碳化硅（Silicon Carbide, SiC）為代表的寬禁帶半導體器件發(fā)展迅猛，其中碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, SiC MOSFET）相比于Si IGBT阻斷電壓更高、開關速度更快、開關損耗更小。將MMC中的Si IGBT替換為SiC MOSFET，有利于MMC縮減裝置體積、提高控制帶寬、優(yōu)化傳輸效率。

因此，本團隊聚焦SiC MOSFET在MMC中的應用的機遇與挑戰(zhàn)，首先基于基礎的半橋MMC結構，將Si IGBT直接替換為SiC MOSFET，針對SiC MMC存在的器件結溫不均問題和電磁干擾加劇問題分別提出了對應的優(yōu)化調制方法。另一方面，針對全SiC MMC成本高、導通損耗大的問題，本團隊提出Si/SiC器件混合型子模塊和Si/SiC子模塊混合型換流器，以進一步優(yōu)化裝置的效率及經(jīng)濟性。

本成果提出了一種含SiC器件的模塊化多電平換流器及其優(yōu)化控制系統(tǒng)。針對前述痛點問題，本成果對應給出了以下解決方案：

1. 針對SiC MMC子模塊器件結溫分布不均的問題，提出了一種基于SiC MOSFET雙向導電特性的子模塊器件結溫均衡方法。團隊借鑒Si子模塊器件損耗分析方法，建立了SiC子模塊損耗分析模型。在此基礎上，根據(jù)SiC MOSFET溝道是否雙向導電，將SiC MOSFET分為單極工作和雙極工作兩種模式，并對比了兩種模式的器件損耗分布情況。進一步地，引入可自適應調節(jié)的閾值參數(shù)控制兩種模式的自主切換，從而實現(xiàn)器件損耗的均衡。

2. 針對SiC器件高阻斷電壓、高開關速度的特性導致MMC電磁干擾增加的問題，提出了多種適用于SiC MMC的共模電壓抑制方法。團隊建立了MMC共模電壓分析模型，并分析了SiC器件的應用對MMC共模電壓特性的影響。在此基礎上，揭示了基于最近零共模電壓矢量的共模電壓抑制方法的實現(xiàn)原理，并分析了其劣化輸出電能質量的缺陷。進一步地，基于開關矢量分析法，提出了多種改進型的共模電壓抑制方法，可在實現(xiàn)零共模電壓調制的同時抑制電容電壓波動并提高輸出電能質量。

3. 針對全SiC子模塊成本高、導通損耗大的問題，提出了多種Si/SiC器件混合型子模塊方案（包含全橋子模塊方案、投切電容型子模塊（CS-SFB）方案）。通過優(yōu)化子模塊調制方法，使SiC半橋高頻工作、Si半橋低頻工作，實現(xiàn)了器件的優(yōu)勢互補。

4. 針對由全SiC子模塊組成的單一器件型MMC成本高、導通損耗大的問題，提出了Si/SiC子模塊混合型MMC換流器方案。團隊分析了全SiC MMC隨著增壓擴容成本、損耗持續(xù)增高的缺陷。然后，通過改變單一器件MMC各子模塊結構相同、功能一致的架構特性，將少量SiC塑形子模塊和多個Si承壓子模塊串接，構成了Si/SiC子模塊混合型MMC。在此基礎上，優(yōu)化了換流器調制方法，在實現(xiàn)子模塊電容電壓均衡的同時使SiC子模塊高頻運行、Si子模塊低頻運行，提升了器件的利用效率。

圖1 6kW CS-SFB混合型MMC

圖2  10kW Si子模塊/SiC子模塊混合型MMC

基于SiC器件的MMC在未來具有廣闊的市場應用前景，本團隊所研發(fā)的含SiC器件的模塊化多電平換流器及其優(yōu)化控制系統(tǒng)相對于競品方案，具有如下優(yōu)勢：

1. 解決了SiC器件應用于MMC后所產(chǎn)生的結溫不均及EMI問題，可全面提升裝置運行的安全性與可靠性；

2. 所提出的多種裝置拓撲充分考慮了SiC器件產(chǎn)業(yè)尚不成熟、成本較高的缺點，通過結構優(yōu)化，使得兼顧SiC器件低損耗優(yōu)勢的同時，減少了器件用量，保證效率提升的同時，極大降低了裝置成本，使得產(chǎn)品更具有市場競爭力。

在團隊樣機及設定測試環(huán)境下，可實現(xiàn)以下參數(shù)指標：

1. 所提出的SiC子模塊結溫均衡方案最高可使SiC子模塊結溫不平衡度降低72.5%；

2. 所提出的SiC MMC共模電壓抑制方法可實現(xiàn)共模電壓抑制的同時，使交流側輸出電流THD和電容電壓波動分別降低23.8%和22.4%；

3. 所提出的Si/SiC器件混合型子模塊相比全SiC全橋子模塊在損耗和成本方面分別降低了16.3%和41.0%；

4. 所提出的Si子模塊/SiC子模塊混合型MMC相比全SiC MMC在損耗和成本分別降低31.0%和60.7%。

1. 基于系列成果，獲批國家級項目1項，省部級項目1項，授權發(fā)明專利10項；

2. 基于相關項目方案，發(fā)表SCI一區(qū)論文5篇，EI論文6篇，相關論文獲評IEEE JESTPE一等獎（華人團隊首次獲獎）、電工技術學會優(yōu)秀論文、IEEE SSPEL最佳報告獎等多項獎項；方案樣機曾參評多項創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，獲電子設計國家級競賽一等1項、三等獎1項。

本項目成果研究目前處于已有樣機階段。

美國在SiC MMC的方案研發(fā)、產(chǎn)業(yè)推進上走在世界前列，采用10kV SiC MOSFET器件的MMC裝置獲評了美國能源部PowerAmerica年度最佳項目，目前相關產(chǎn)業(yè)化進程仍在推進。國內方面，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)公司均已就SiC器件在電網(wǎng)換流器中的應用開展了大量驗證工作，其中雄安新區(qū)將建成采用國產(chǎn)6500V碳化硅器件的柔性變電站。

SiC器件在中高壓大功器變換器中的大規(guī)模應用是大勢所趨?；贛MC的柔性直流輸配電技術是直流輸配電領域的優(yōu)選方案，也是我國可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用的重要手段，SiC器件的應用符合MMC輕型化、高效率的發(fā)展需求，具有廣闊的市場前景。

本團隊全面解析了SiC器件的應用給MMC的運行、維護所帶來的問題并提出了對應的解決方案，其中所提出的裝置方案具有完全的自主產(chǎn)權，同時較美國能源部方案效率更高、成本更低，具有充分的競爭力。

本成果已授權了多項中國發(fā)明專利，以下是部分專利展示：

專利許可、專利轉讓、作價投資、技術開發(fā)、面談等。

本項成果由華中科技大學“高壓大功率特種電源”團隊開發(fā)，團隊含國家青年拔尖人才1名、國家海外優(yōu)青人才2名，累計出站博士后1人，培養(yǎng)博士研究生13人，碩士研究生40余人。