傾佳電子面向中壓直流應(yīng)用的10kV SiC模塊化直流不間斷電源設(shè)計(jì)與分析

傾佳電子（Changer Tech）是一家專(zhuān)注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車(chē)連接器的分銷(xiāo)商。主要服務(wù)于中國(guó)工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車(chē)連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢(shì)！

1. 系統(tǒng)架構(gòu)與中壓功率變換拓?fù)溥x型

1.1. 中壓AC-DC變換的技術(shù)挑戰(zhàn)

隨著數(shù)據(jù)中心、先進(jìn)制造業(yè)和可再生能源發(fā)電場(chǎng)對(duì)電力需求的不斷攀升，直接從中壓（MV）電網(wǎng)獲取電能已成為一種必然趨勢(shì)。本項(xiàng)目旨在為10kV交流輸入設(shè)計(jì)一套高可靠性的直流不間斷電源（UPS）系統(tǒng)，該電壓等級(jí)明確屬于中壓范疇 。傳統(tǒng)的中壓變換方案通常依賴(lài)于大型、笨重且效率偏低的工頻變壓器（LFT）配合整流橋 。這類(lèi)方案不僅占地面積巨大，增加了基礎(chǔ)設(shè)施成本，更重要的是，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，缺乏現(xiàn)代智能電網(wǎng)所需的精細(xì)化可控性，難以適應(yīng)快速變化的負(fù)載和電網(wǎng)條件 。

因此，現(xiàn)代高壓直流（HVDC）或更準(zhǔn)確地說(shuō)是中壓直流（MVDC）電源系統(tǒng)的核心目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)“無(wú)變壓器化”的電力電子變換系統(tǒng) 。通過(guò)采用先進(jìn)的功率半導(dǎo)體器件和變換器拓?fù)?，可以直接將中壓交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的中壓直流電，從而顯著提升系統(tǒng)的功率密度、效率和動(dòng)態(tài)性能。這不僅是技術(shù)上的演進(jìn)，更是滿(mǎn)足未來(lái)能源基礎(chǔ)設(shè)施需求的關(guān)鍵一步。本設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)便是建立一個(gè)穩(wěn)定的中壓直流母線(xiàn)，為關(guān)鍵負(fù)載提供不間斷、高質(zhì)量的直流電源。

1.2. 現(xiàn)代中壓變換器拓?fù)涞谋容^評(píng)估

為了實(shí)現(xiàn)從10kV交流電網(wǎng)到中壓直流母線(xiàn)的高效、高密度轉(zhuǎn)換，必須對(duì)當(dāng)前主流的電力電子拓?fù)溥M(jìn)行嚴(yán)格的評(píng)估和篩選。

1.2.1. 固態(tài)變壓器 (SST)

固態(tài)變壓器（Solid-State Transformer, SST）是一種極具吸引力的技術(shù)，它使用高頻變壓器替代工頻變壓器，從而大幅減小系統(tǒng)的體積和重量 。SST通常采用多級(jí)變換結(jié)構(gòu)，例如，先將中壓交流整流為中壓直流，再通過(guò)高頻DC-DC環(huán)節(jié)進(jìn)行隔離和電壓變換。盡管SST在減小占地面積方面優(yōu)勢(shì)顯著，但其在實(shí)際應(yīng)用中面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別是在高壓應(yīng)用中，每個(gè)高頻隔離變壓器都需要承受極高的絕緣應(yīng)力，這不僅增加了設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性，還可能因絕緣層加厚而導(dǎo)致熱阻增加，從而限制了模塊的功率等級(jí)和散熱能力 。此外，多個(gè)變換級(jí)的級(jí)聯(lián)也可能對(duì)系統(tǒng)總效率和控制復(fù)雜度帶來(lái)負(fù)面影響。

1.2.2. 級(jí)聯(lián)H橋 (CHB) 整流器

級(jí)聯(lián)H橋（Cascaded H-Bridge, CHB）拓?fù)湟蚱涓叨饶K化的結(jié)構(gòu)，成為實(shí)現(xiàn)無(wú)變壓器并網(wǎng)的常用方案之一 。通過(guò)將多個(gè)低壓H橋單元串聯(lián)，CHB可以直接接口高壓電網(wǎng)，并合成出高質(zhì)量的正弦輸入電流。然而，CHB拓?fù)涞囊粋€(gè)固有難題在于如何處理每個(gè)子模塊直流側(cè)的二次諧波功率脈動(dòng) 。這個(gè)功率脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致子模塊的直流母線(xiàn)電容上產(chǎn)生顯著的電壓紋波，為了將其抑制在可接受范圍內(nèi)，通常需要配置體積龐大且成本高昂的直流支撐電容，這在一定程度上削弱了系統(tǒng)在功率密度方面的優(yōu)勢(shì)。

1.2.3. 模塊化多電平換流器 (MMC)

模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）是近年來(lái)在高壓直流輸電（VSC-HVDC）領(lǐng)域取得巨大成功的革命性拓?fù)?。MMC由多個(gè)相同的、可級(jí)聯(lián)的子模塊（Sub-Module, SM）構(gòu)成，通過(guò)控制投入和切除的子模塊數(shù)量，能夠合成出近乎完美的正弦電壓波形，其諧波含量極低 。這一特性使得MMC系統(tǒng)幾乎不需要龐大的交流側(cè)濾波器。更重要的是，MMC的能量存儲(chǔ)分布在所有子模塊的電容中，避免了對(duì)一個(gè)集中的、高壓大容量直流母線(xiàn)電容的依賴(lài)，這極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和故障穿越能力 。其卓越的模塊化特性、可擴(kuò)展性、低開(kāi)關(guān)損耗和優(yōu)異的輸出波形質(zhì)量，使其成為中高壓大功率變換應(yīng)用的首選方案。

1.3. 拓?fù)渫扑]與論證：選擇模塊化多電平換流器 (MMC)

經(jīng)過(guò)對(duì)上述拓?fù)涞娜娣治觯?strong>模塊化多電平換流器（MMC）被選定為構(gòu)建此10kV直流不間斷電源系統(tǒng)的最優(yōu)拓?fù)?/strong>。

選擇MMC的理由是多方面的，并且是基于系統(tǒng)級(jí)的綜合考量。對(duì)于一個(gè)UPS系統(tǒng)而言，其首要任務(wù)是保證供電的連續(xù)性和可靠性，任何中斷都可能導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失 。因此，拓?fù)涞倪x擇不能僅僅局限于效率和功率密度等常規(guī)指標(biāo)，更必須將系統(tǒng)的可靠性、可用性和容錯(cuò)能力作為核心評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

MMC的結(jié)構(gòu)天然地契合了這一核心需求。它由大量相同且相對(duì)獨(dú)立的子模塊構(gòu)成 ，這種分布式結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)N+X冗余提供了最直接、最有效的途徑 。在一個(gè)設(shè)計(jì)良好的MMC系統(tǒng)中，單個(gè)或少數(shù)子模塊的故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。故障子模塊可以被迅速識(shí)別并旁路，同時(shí)冗余子模塊被激活投入運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程對(duì)負(fù)載供電的影響微乎其微，從而確保了系統(tǒng)的高可用性 。相比之下，盡管CHB也具備模塊化特性，但其各模塊間在處理二次功率脈動(dòng)方面相互獨(dú)立，對(duì)大電容的依賴(lài)性更強(qiáng) 。而SST的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中，某些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的故障可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停機(jī) 。

因此，MMC不僅在電氣性能（如高效率、低諧波）上表現(xiàn)出色，更在系統(tǒng)韌性和可靠性這一UPS應(yīng)用的關(guān)鍵維度上擁有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。這種內(nèi)在的結(jié)構(gòu)健壯性，是其成為本次設(shè)計(jì)不二之選的根本原因。

表1：中壓AC-DC變換器拓?fù)湫阅軐?duì)比分析

2. BMF240R12E2G3 SiC功率模塊的特性分析

選定的核心功率器件——基本半導(dǎo)體（BASIC Semiconductor）的BMF240R12E2G3 SiC MOSFET模塊，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基石。其性能參數(shù)直接決定了子模塊的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的效率、熱管理的方案以及最終的功率密度。因此，對(duì)該模塊進(jìn)行深入、細(xì)致的特性分析至關(guān)重要。

2.1. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)審閱

根據(jù)該模塊的初步數(shù)據(jù)手冊(cè) ，可以提取出其核心電氣與熱學(xué)參數(shù)，如下表所示。

表2：BMF240R12E2G3 SiC模塊關(guān)鍵參數(shù)

2.2. 性能曲線(xiàn)與溫度依賴(lài)性分析

數(shù)據(jù)手冊(cè)中的性能曲線(xiàn)圖 揭示了該模塊在不同工作條件下的行為特性，這對(duì)于精確的損耗建模和系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

導(dǎo)通電阻的溫度特性：圖6顯示，$R_{DS(on)}$ 具有明顯的正溫度系數(shù)。在結(jié)溫從25°C上升到175°C時(shí)，其值大約從 $5.5 mOmega$ 增加到 $10.0 mOmega$。這一特性對(duì)于并聯(lián)應(yīng)用非常有利，可以幫助實(shí)現(xiàn)芯片間的電流自均衡，防止熱失控 。然而，在進(jìn)行最壞情況下的導(dǎo)通損耗計(jì)算時(shí)，必須采用最高工作結(jié)溫下的 $R_{DS(on)}$ 值 。

開(kāi)關(guān)能量的溫度特性：圖13顯示，隨著結(jié)溫的升高，開(kāi)通能量（$E_{on}$）有輕微下降的趨勢(shì)（從25°C的7.4 mJ下降到150°C的5.7 mJ），而關(guān)斷能量（$E_{off}$）則相對(duì)穩(wěn)定。這是SiC MOSFET器件的典型行為，與硅基IGBT有顯著不同，必須在損耗模型中予以考慮 。

柵極閾值電壓：該模塊具有較高的典型閾值電壓（$V_{GS(th).typ}=4.0V$），這為器件提供了良好的抗噪聲干擾能力。在MMC子模塊這種高 $dv/dt$ 的開(kāi)關(guān)環(huán)境中，高閾值電壓可以有效防止由米勒電容引起的誤開(kāi)通，增強(qiáng)了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.3. 對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響與考量

對(duì)BMF240R12E2G3模塊的深入分析揭示了幾個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)權(quán)衡點(diǎn)，這些權(quán)衡直接影響系統(tǒng)的最終性能、成本和功率密度。SiC器件的核心優(yōu)勢(shì)之一是其高速開(kāi)關(guān)能力，這使得設(shè)計(jì)者可以通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小系統(tǒng)中無(wú)源元件（如MMC的橋臂電感）的體積和成本 。然而，這種優(yōu)勢(shì)并非沒(méi)有代價(jià)，它與系統(tǒng)的熱管理設(shè)計(jì)構(gòu)成了緊密的制約關(guān)系。

系統(tǒng)的總開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比，其關(guān)系式為 $P_{sw} = (E_{on} + E_{off}) times f_{sw}$。利用數(shù)據(jù)手冊(cè)在150°C下的數(shù)據(jù) ，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗為 $P_{sw} = (5.7text{mJ} + 1.7text{mJ}) times f_{sw} = 7.4text{mJ} times f_{sw}$。假設(shè)子模塊的開(kāi)關(guān)頻率（即載波頻率）設(shè)定為10 kHz，則每個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗為 $7.4 times 10^{-3} times 10 times 10^3 = 74$ W。這部分損耗與導(dǎo)通損耗疊加，共同構(gòu)成了器件的總發(fā)熱量，必須通過(guò)散熱系統(tǒng)有效導(dǎo)出。

如果為了進(jìn)一步減小橋臂電感的尺寸而將開(kāi)關(guān)頻率提高到20 kHz，開(kāi)關(guān)損耗將翻倍至148 W。這一增量將極大地增加散熱系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，可能導(dǎo)致所需的散熱器體積和成本急劇上升，甚至迫使設(shè)計(jì)從強(qiáng)制風(fēng)冷轉(zhuǎn)向更復(fù)雜、更昂貴的液體冷卻方案。

這就揭示了一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)閉環(huán)：開(kāi)關(guān)頻率的選擇直接影響無(wú)源元件的尺寸，但同時(shí)決定了開(kāi)關(guān)損耗的大小，進(jìn)而決定了熱管理方案的復(fù)雜度和成本，最終共同影響系統(tǒng)的整體功率密度和造價(jià)。因此，SiC器件的“高頻”能力并非可以無(wú)限制利用的“免費(fèi)午餐”，必須在電感尺寸、系統(tǒng)效率和散熱成本之間進(jìn)行精細(xì)的權(quán)衡與優(yōu)化。這是一個(gè)超越器件層面、需要在系統(tǒng)層面進(jìn)行決策的關(guān)鍵問(wèn)題。

3. MMC主整流級(jí)設(shè)計(jì)

基于對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)和核心功率器件的分析，本節(jié)將對(duì)MMC主整流級(jí)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與計(jì)算。

3.1. 系統(tǒng)級(jí)參數(shù)化

輸入電壓：10 kV AC（線(xiàn)電壓，RMS）。對(duì)應(yīng)的峰值相電壓為 $V_{ph,pk} = (10text{kV} / sqrt{3}) times sqrt{2} approx 8165$ V。

中壓直流母線(xiàn)電壓 ($V_{dc}$)：為了確保MMC能夠有效地控制交流側(cè)電流并具備一定的動(dòng)態(tài)裕量，直流母線(xiàn)電壓必須高于交流輸入線(xiàn)電壓的峰值（$10text{kV} times sqrt{2} approx 14.14text{kV}$）。考慮到控制裕度和故障穿越能力，并參考相關(guān)高壓變換器的設(shè)計(jì)實(shí)踐 19，選擇一個(gè)標(biāo)稱(chēng)值為 20 kV 的直流母線(xiàn)電壓。該電壓水平在子模塊數(shù)量和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能之間取得了良好的平衡。

子模塊電容電壓 ($V_{sm}$)：基于BMF240R12E2G3模塊1200 V的額定電壓（$V_{DSS}$），為保證長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，采用1.5倍的降額系數(shù)。因此，選定子模塊的標(biāo)稱(chēng)工作電壓為 800 V。

每臂子模塊數(shù)量 (N)：MMC每個(gè)橋臂串聯(lián)的N個(gè)子模塊需要共同承擔(dān)并合成出直流母線(xiàn)電壓。因此，每臂所需的正常工作子模塊數(shù)量為 $N = V_{dc} / V_{sm} = 20,000text{V} / 800text{V} = 25$ 個(gè)。

冗余設(shè)計(jì)：為了滿(mǎn)足UPS系統(tǒng)的高可靠性要求，必須引入冗余設(shè)計(jì)。采用N+1的冗余方案，即在每個(gè)橋臂額外增加一個(gè)子模塊作為備份9。因此，每個(gè)橋臂實(shí)際配置的物理子模塊總數(shù)為 N = 26 個(gè)。

橋臂電感 ($L_{arm}$)：橋臂電感是MMC的關(guān)鍵組件，其主要作用包括：限制子模塊投切時(shí)產(chǎn)生的高頻電流、抑制相間環(huán)流、以及在直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)限制故障電流的上升速率 。電感值的選擇是一個(gè)權(quán)衡過(guò)程：較大的電感值能更好地抑制環(huán)流和故障電流，但會(huì)增加體積、成本和損耗。通常，其感值選取在系統(tǒng)阻抗基準(zhǔn)的10-15%范圍內(nèi)。詳細(xì)的計(jì)算將基于環(huán)流抑制要求和故障電流限制進(jìn)行。

3.2. 子模塊 (SM) 拓?fù)渑c設(shè)計(jì)

拓?fù)溥x擇：在半橋子模塊（HBSM）和全橋子模塊（FBSM）之間，本項(xiàng)目選擇采用全橋子模塊（FBSM）拓?fù)?。盡管FBSM需要使用四倍于HBSM的開(kāi)關(guān)器件（即每個(gè)FBSM需要兩個(gè)BMF240R12E2G3模塊），成本更高，但它帶來(lái)的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)是決定性的。FBSM最關(guān)鍵的特性是具備直流故障清除能力 。當(dāng)直流母線(xiàn)發(fā)生短路時(shí)，F(xiàn)BSM可以通過(guò)控制產(chǎn)生一個(gè)與故障電流方向相反的電壓，從而有效阻斷從交流側(cè)饋入的故障電流。對(duì)于一個(gè)連接了大型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的UPS而言，這一功能對(duì)于保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的安全至關(guān)重要。

子模塊電路設(shè)計(jì)：每個(gè)FBSM將由兩個(gè)BMF240R12E2G3半橋模塊構(gòu)成。電路板設(shè)計(jì)將集成直流支撐電容、用于故障時(shí)快速隔離的旁路電路（通常由一對(duì)反并聯(lián)的晶閘管實(shí)現(xiàn)）、以及精確測(cè)量電容電壓的傳感電路。

直流支撐電容選型：子模塊電容的容值是MMC設(shè)計(jì)的核心之一。其大小直接影響子模塊的電壓紋波，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出波形質(zhì)量。電容容值需根據(jù)橋臂電流的基頻和二次諧波分量，以及允許的最大電壓紋波（例如，<10%）來(lái)計(jì)算。較大的電容可以減小電壓紋波，但會(huì)增加子模塊的體積和成本。

柵極驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)：為充分發(fā)揮SiC模塊的高速開(kāi)關(guān)性能，必須設(shè)計(jì)專(zhuān)用的高性能柵極驅(qū)動(dòng)器。設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

驅(qū)動(dòng)電壓：提供數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的+20V開(kāi)通電壓和-5V關(guān)斷電壓，以確保完全導(dǎo)通并有效防止誤開(kāi)通 。

低環(huán)路電感：通過(guò)優(yōu)化PCB布局，使驅(qū)動(dòng)器輸出到SiC模塊柵源極的環(huán)路電感最小化，以抑制高頻振蕩，實(shí)現(xiàn)清晰、快速的開(kāi)關(guān)瞬態(tài) 。

高抗擾度 (CMTI)：驅(qū)動(dòng)器必須具有極高的共模瞬態(tài)抗擾度，以抵抗子模塊在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的高 $dv/dt$ 通過(guò)寄生電容耦合回驅(qū)動(dòng)側(cè)，從而避免邏輯混亂或驅(qū)動(dòng)芯片損壞 21。

保護(hù)功能：集成快速的短路保護(hù)功能，如退飽和（DESAT）檢測(cè)，以便在發(fā)生過(guò)流時(shí)能及時(shí)關(guān)斷器件，保護(hù)昂貴的SiC模塊。

選擇FBSM拓?fù)涞臎Q策，其深遠(yuǎn)影響超越了子模塊本身。它對(duì)整個(gè)UPS系統(tǒng)的架構(gòu)和安全性產(chǎn)生了級(jí)聯(lián)的正面效應(yīng)，尤其是在與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）的集成方面。首先，如前所述，F(xiàn)BSM的核心優(yōu)勢(shì)在于其直流故障阻斷能力 。當(dāng)20kV直流母線(xiàn)發(fā)生短路故障（如電纜絕緣擊穿）時(shí)，MMC的六個(gè)橋臂可以通過(guò)控制其FBSM產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，從而有效隔離交流電網(wǎng)，阻止巨大的短路電流從電網(wǎng)側(cè)灌入故障點(diǎn)。

現(xiàn)在，從BESS的角度考慮這一場(chǎng)景。BESS是一個(gè)巨大的能量源，通過(guò)一個(gè)DC-DC變換器連接到同一個(gè)20kV母線(xiàn)上。如果主整流器采用的是不具備故障阻斷能力的HBSM，那么一旦直流母線(xiàn)短路，BESS將通過(guò)DC-DC變換器向故障點(diǎn) uncontrollably 放電。要切斷這種高達(dá)20kV的直流大電流，需要依賴(lài)極其快速、昂貴且技術(shù)復(fù)雜的高壓直流斷路器。

而采用了FBSM之后，系統(tǒng)安全策略就形成了“縱深防御”。MMC主整流器構(gòu)成了第一道防線(xiàn)，它能主動(dòng)隔離交流側(cè)的故障饋入。這極大地減輕了BESS側(cè)保護(hù)系統(tǒng)的壓力。連接BESS的雙向DC-DC變換器（DAB）可以在檢測(cè)到故障后迅速關(guān)斷，而主要的故障隔離任務(wù)由MMC自身完成。這種系統(tǒng)級(jí)的協(xié)同作用，使得BESS的保護(hù)設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，可靠性得到提升，是支持采用成本更高的FBSM方案的強(qiáng)有力論據(jù)。

表3：MMC系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

4. MMC系統(tǒng)先進(jìn)控制架構(gòu)

MMC的成功運(yùn)行高度依賴(lài)于其復(fù)雜而精密的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電能變換目標(biāo)（如功率控制），還必須管理變換器內(nèi)部的特殊動(dòng)態(tài)行為（如電容電壓均衡和環(huán)流抑制）。因此，一個(gè)分層、多目標(biāo)的控制架構(gòu)是必不可少的 。

4.1. 分層控制框架

第一層 (系統(tǒng)級(jí)控制)：負(fù)責(zé)最高級(jí)別的決策，管理整個(gè)UPS系統(tǒng)的運(yùn)行模式（市電供電、電池供電、旁路模式），協(xié)調(diào)MMC主整流器與BESS之間的功率調(diào)度，并與上層監(jiān)控系統(tǒng)通信。

第二層 (外環(huán)控制)：負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的交互，主要目標(biāo)是調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的有效和無(wú)效功率，或穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓。該層控制通常在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）下實(shí)現(xiàn)，以將交流量解耦為直流量，便于PI控制器進(jìn)行無(wú)靜差調(diào)節(jié)。

第三層 (內(nèi)環(huán)與內(nèi)部動(dòng)態(tài)控制)：這是MMC控制的核心和難點(diǎn)所在，專(zhuān)注于管理變換器內(nèi)部的狀態(tài)變量，確保其穩(wěn)定運(yùn)行。主要包括兩個(gè)關(guān)鍵任務(wù)：所有子模塊電容電壓的均衡控制和相間環(huán)流的抑制。

4.2. 外環(huán)控制

有功/無(wú)功功率 (P/Q) 控制：采用標(biāo)準(zhǔn)的矢量控制策略。通過(guò)鎖相環(huán)（PLL）獲得電網(wǎng)電壓的相位和頻率后，將三相交流電流變換到dq坐標(biāo)系。d軸電流分量 $i_d$ 用于控制有功功率（或直流母線(xiàn)電壓），q軸電流分量 $i_q$ 用于控制無(wú)功功率（或交流電壓幅值）。

直流母線(xiàn)電壓調(diào)節(jié)：在UPS正常運(yùn)行時(shí)，外環(huán)控制器的首要任務(wù)是維持20kV直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定。一個(gè)PI控制器將檢測(cè)到的直流電壓與給定值（20kV）進(jìn)行比較，其輸出作為有功電流的參考值（$i_{d,ref}$）送給內(nèi)環(huán)電流控制器。

4.3. MMC內(nèi)部動(dòng)態(tài)控制

4.3.1. 電容電壓均衡 (CVB)

控制原理：CVB的核心任務(wù)是確保一個(gè)橋臂內(nèi)所有26個(gè)子模塊的電容電壓始終保持在標(biāo)稱(chēng)值800V附近，并相互均衡 。這是通過(guò)在每個(gè)控制周期內(nèi)，根據(jù)橋臂電流的方向和每個(gè)子模塊的實(shí)時(shí)電容電壓，動(dòng)態(tài)地選擇應(yīng)該投入或旁路的子模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

均衡算法：本項(xiàng)目將采用基于排序的均衡算法。在一個(gè)控制周期內(nèi)，控制器首先采集橋臂內(nèi)所有子模塊的電容電壓，并對(duì)其進(jìn)行排序。然后，根據(jù)上層控制器計(jì)算出的需要投入的子模塊數(shù)量（例如$N_{on}$個(gè)），結(jié)合橋臂電流的方向做出決策：

如果橋臂電流為正（充電方向），則優(yōu)先選擇電容電壓最低的$N_{on}$個(gè)子模塊投入，使其充電；其余電壓較高的子模塊則被旁路。

如果橋臂電流為負(fù)（放電方向），則優(yōu)先選擇電容電壓最高的$N_{on}$個(gè)子模塊投入，使其放電；其余電壓較低的子模塊則被旁路。

通過(guò)這種方式，能量在各個(gè)子模塊之間不斷地重新分配，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的電壓均衡 。

4.3.2. 環(huán)流抑制控制 (CCSC)

問(wèn)題描述：由于MMC三相橋臂之間存在瞬時(shí)不平衡，會(huì)產(chǎn)生在變換器內(nèi)部流動(dòng)但不流向交流側(cè)的環(huán)流。該環(huán)流主要包含直流分量和二次諧波分量 。二次諧波環(huán)流會(huì)顯著增加橋臂電流的有效值，導(dǎo)致額外的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)器件的電流應(yīng)力增加，必須加以抑制。

控制策略比較與選擇：

PI/PR 控制：傳統(tǒng)方法是在一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于控制環(huán)流的dq坐標(biāo)系下使用PI控制器，或者在abc坐標(biāo)系下使用針對(duì)二次諧波調(diào)諧的比例諧振（PR）控制器 。這些方法原理清晰，易于實(shí)現(xiàn)，但在動(dòng)態(tài)響應(yīng)和參數(shù)整定方面存在局限性。

模型預(yù)測(cè)控制 (MPC)：MPC是一種先進(jìn)的控制策略，它利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)在所有可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下系統(tǒng)未來(lái)的行為，并通過(guò)最小化一個(gè)預(yù)定義的代價(jià)函數(shù)來(lái)選擇最優(yōu)的開(kāi)關(guān)狀態(tài) 。MPC的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，且能在一個(gè)統(tǒng)一的框架內(nèi)處理多個(gè)控制目標(biāo)（如電流跟蹤、環(huán)流抑制、電壓均衡），但其計(jì)算量巨大，尤其是在子模塊數(shù)量多時(shí) 。

推薦策略：考慮到性能與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的平衡，本項(xiàng)目推薦采用一種混合控制策略：模型預(yù)測(cè)控制與比例諧振（MPC-PR）相結(jié)合。主電流控制環(huán)采用MPC，以獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)，并聯(lián)一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)二次諧波的PR控制器，其輸出用于修正MPC的調(diào)制信號(hào)。這種混合方法既利用了MPC的快速動(dòng)態(tài)特性，又通過(guò)PR控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)流的精確、魯棒抑制，避免了設(shè)計(jì)復(fù)雜的多目標(biāo)MPC代價(jià)函數(shù)和權(quán)重因子整定的難題 。

MMC控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，特別是電容電壓均衡所需的排序算法，其計(jì)算負(fù)擔(dān)會(huì)隨著子模塊數(shù)量的增加而顯著增長(zhǎng)。這不僅是算法設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，更直接成為限制系統(tǒng)控制帶寬和決定控制器硬件選型的關(guān)鍵因素。在本項(xiàng)目中，每個(gè)橋臂有N=26個(gè)子模塊，整個(gè)三相MMC共有6個(gè)橋臂，這意味著控制器在每個(gè)控制周期內(nèi)需要采集并處理156個(gè)電容電壓值 。

假設(shè)控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，則整個(gè)控制算法（包括數(shù)據(jù)采集、排序、環(huán)流抑制、外環(huán)控制和調(diào)制）的執(zhí)行時(shí)間必須嚴(yán)格控制在100微秒以?xún)?nèi)。一個(gè)簡(jiǎn)單的冒泡排序算法，其計(jì)算復(fù)雜度為$O(N^2)$，對(duì)于N=26的情況，執(zhí)行時(shí)間可能過(guò)長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。因此，必須采用更高效的排序算法，如堆排序，其復(fù)雜度為$O(N log N)$ ，或者更先進(jìn)的電壓分組排序、映射排序等方法 ，以大幅縮短計(jì)算時(shí)間。

這種巨大的計(jì)算需求直接決定了中央控制器的選型。傳統(tǒng)的微控制器（MCU）或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）可能難以勝任，通常需要采用性能更強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）來(lái)實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，或者采用分布式控制架構(gòu)，將部分計(jì)算任務(wù)（如電壓排序）下放到橋臂級(jí)或子模塊級(jí)的控制器中。因此，對(duì)于一個(gè)擁有26個(gè)子模塊的MMC系統(tǒng)，雖然在集中式控制的可行范圍內(nèi)，但已經(jīng)對(duì)控制器的計(jì)算能力和算法效率提出了極高的要求。這也說(shuō)明了為何在子模塊數(shù)量達(dá)到數(shù)百個(gè)的特高壓直流輸電工程中，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)會(huì)成為整個(gè)項(xiàng)目的核心技術(shù)瓶頸之一。

5. 電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS) 集成

作為UPS系統(tǒng)的核心，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）及其與中壓直流母線(xiàn)的接口是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

5.1. BESS架構(gòu)與選型

電池技術(shù)：考慮到固定式儲(chǔ)能應(yīng)用對(duì)安全性、循環(huán)壽命和熱穩(wěn)定性的嚴(yán)苛要求，本項(xiàng)目選用**磷酸鐵鋰（LiFePO4）**電池技術(shù) 。相比其他鋰離子電池，LiFePO4不含鈷等貴重金屬，成本更低，且在過(guò)充、短路等濫用條件下不易發(fā)生熱失控，安全性更高。

電壓等級(jí)：為與現(xiàn)代高功率電力電子系統(tǒng)（如電動(dòng)汽車(chē)超充站、數(shù)據(jù)中心）的發(fā)展趨勢(shì)保持一致，BESS的標(biāo)稱(chēng)直流電壓選定為800V 。這一電壓等級(jí)可以在保證較高功率傳輸能力的同時(shí)，將電流維持在合理水平，從而降低電纜和連接器的成本及損耗。

電池組配置：LiFePO4單體電池的標(biāo)稱(chēng)電壓約為3.2V 39。為了構(gòu)成800V的電池組，需要將大約 $800V / 3.2V approx 250$ 個(gè)單體電池串聯(lián)。系統(tǒng)的總?cè)萘浚ㄒ訫Wh計(jì)）將由負(fù)載功率和所需的備用時(shí)間（例如15分鐘）決定，通常需要將多個(gè)這樣的250串電池包進(jìn)行并聯(lián)。每個(gè)電池包都必須配備一套先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)（BMS），負(fù)責(zé)監(jiān)控每個(gè)單體的電壓、溫度和電流，并執(zhí)行主動(dòng)或被動(dòng)均衡，確保電池組的安全、高效運(yùn)行。

5.2. 雙向DC-DC變換器拓?fù)?/strong>