模块化多电平变流器（MMC）凭借其独特的模块化结构，以及基于电力电子标准模块（power electronics building blocks，PEBB）的设计理念，在电力电子领域的应用日益广泛、备受青睐。采用PEBB构建模块化变流器的概念，最早由美国海军研究所于1997年提出，该理念为MMC的规模化应用奠定了重要基础。其中，将传统集中式电力电子系统的控制模式升级为分布式控制，既是采用PEBB构建MMC的核心优势之一，也是未来电力电子技术的重要发展趋势。
MMC采用标准化模块化结构，整个变流器由多个规格一致的子模块串联组成，每个子模块通常集成功率开关与无源开关元件。这种结构具备良好的扩展性，只需增加每相子模块的数量，即可灵活提升变流器的输出电压等级，适配不同的应用场景需求。
在电力电子系统的控制模式选择上，需结合系统容量合理适配：对于中小容量的电力电子系统，集中式控制模式因其结构简单、可靠性高的特点，是较为理想的选择；但对于大容量电力电子变流器，若仍沿用集中式控制，不仅会给主控制器带来沉重的运算与控制负担，还会增加系统安装布线的难度，导致系统故障率上升，同时极易产生严重的电磁干扰，影响系统稳定运行。
采用PEBB构建的MMC，搭配分布式控制方式，可显著降低系统数据传输的复杂性，提升控制效率；同时，得益于PEBB的标准化设计，模块的维修、更换更为便捷，有效降低了系统运维成本。对于N+1电平的MMC系统，每个相单元需配置2N个PEBB，因此，选择适配的网络结构以实现对大量PEBB的高效分布式控制，显得尤为关键。此外，如何确保控制信号同步传输并驱动所有PEBB协同动作，是分布式控制模式下需解决的核心问题，同步性能的优劣直接决定了MMC系统的运行稳定性与控制精度。
一、基于PEBB的MMC子模块构建
需要明确的是，PEBB与目前大量使用的智能功率模块（IPM）存在本质区别：PEBB主要依照系统整体结构和最优路线布局，由不同工艺及器件集成设计而成，因此其不属于专门的半导体器件，也没有固定的具体电路拓扑。作为模块化配置的功率变换器，PEBB具备显著的应用优势，可轻松扩展电压等级，有效简化系统设计过程、缩短设计周期，并降低后期维护成本。同时，通过软件程序的灵活配置，PEBB可实现多种电能变换需求，涵盖逆变、整流、直流斩波、变频控制及励磁控制等多种应用场景。PEBB、IPM和IGBT模块之间的关系如图1所示：
图1 PEBB、IPM、IGBT之间的关系
PEBB的接口主要分为功率接口与通讯接口两类，二者各司其职、协同保障系统正常运行：电力电子装置通过功率接口实现电能的高效传输与流动，为系统提供稳定的功率支撑；而通信接口作为分布式控制系统架构的核心纽带，是实现各PEBB模块间信息交互、协同控制的关键。典型PEBB结构如图2所示。
图2 典型PEBB结构
在PEBB内部既含有控制单元和功率器件，同时还具有通信单元、传感测量、电源模块、驱动保护和输入输出滤波等部分。应用于柔性直流输电时，可以将半桥型MMC子模块或全桥型子模块作为构建一个PEBB的基本单元。全桥子模块由电容器和两对互补功率开关组成，与传统的半桥子模块不同，全桥子模块能够以正或负电压和电流极性工作，因此也有人称其为四象限变流器子模块。
基于全桥PEBB的三相MMC拓扑结构如图3所示。一个换流器包含6个桥臂，每个桥臂由一个电抗器
与n个PEBB串联而成，上下两桥臂合在一起被称为一个相单元。电抗器
的主要功能是抑制三相桥臂瞬时直流电压不等引起的相间环流，同时还可有效抑制直流母线发生故障时的冲击电流，提高系统可靠性。此外，如果系统不能快速中断电流，可以增加桥臂电感以减少故障电流。
图3 基于全桥PEBB的三相MMC拓扑结构
二、传统MMC分布式控制系统架构
需要注意的是，每相包含上百个子模块的MMC系统在实际应用中会面临诸多挑战。首先，变流器需配备性能强大的主控制器，以执行复杂的控制算法：主控制器需实时采集当前时刻的调制信息、子模块电容电压等关键参数，完成调制运算后，生成下一时刻各子模块的PWM脉冲信号；同时，各子模块的运行状态、故障信息等也需周期性上报至主控制器。当MMC系统包含大量子模块时，主控制器与子模块之间会产生海量信息交互，极易导致主控制器负载过重。在此情况下，传统集中式控制模式下的单个控制器难以承担该负荷，需采用多个控制器协同工作，才能满足整个MMC系统的控制需求。目前，MMC分布式控制系统架构主要分为两类，即环形网络控制系统架构和三级控制系统架构。
2.1 环形网络控制系统架构
其中，环形网络控制系统架构由主控制器和PEBB共同构成，主控制器与各PEBB均作为通信网络节点，各节点之间通过光纤连接，形成级联式环形网络结构。主控制器作为MMC系统采样、控制与调制的核心部件，负责生成各类开关命令，并对这些命令进行分别打包、调度与传输。为实现精准的数据交互，每个网络节点都被分配了唯一的数据处理地址，PEBB发送的自身运行状态信息以及接收的开关命令，均会作为独立电报进行打包，并标注其对应的数据处理地址以便识别。此外，每个PEBB内部均集成一个FPGA作为本地控制器，专门负责完成各类数据的处理工作，保障模块的高效协同运行。
环形控制网络结构如图4（a）所示，假设主控制器在
时刻以逆时针方向发出数据，图4（b）显示了环网结构中PEBB时序图。PEBB-1在
时刻接收主控制器传输的数据并提取内容，提取完成后，再将数据传至PEBB-2，PEBB-2在
时刻接收数据并提取内容，以此类推，PEBB-n在
时刻接收数据并提取内容。
图4 环形控制网络架构和环形控制网络时序图
可见，环形控制网络存在以下问题：
- 所有数据和命令都需要经过每个节点的接收和转发，为此导致相关数据通道容量难以被有效利用起来，限制了在多模块大容量电力电子系统中的应用。
- 由于状态机状态转移控制、命令判别以及数据复杂等原因，软件程序和通信协议趋于复杂。
- 系统本身固有的数据网络传输延时
会随着节点数目的增加不断累积，特别是对于包含上百个PEBB的系统而言，同步问题难以解决。 - 单个PEBB的故障会导致整个网络的瘫痪，因此通信光纤和PEBB冗余对于提高环形网络的可靠性至关重要，而当使用双环网结构时，光纤和光模块用量增加了一倍以上。
2.2三级控制系统架构
MMC三级控制系统架构式在集中式控制系统架构的基础上发展而成，呈树状分布，以A相为例，如图5所示，这是一种较为典型的MMC三级控制系统架构。主控制器实现系统功率和输出电压控制，并通过6根光纤将相应的调制信息传递给3个相控制器。每个PEBB通过2根光纤和上层相控制器直接进行连接，下行光纤用于传输系统的保护信息和传输调制信息，而上行光纤主要在PEBB状态信息和电容电压信息的传输方面发挥重要作用。各个PEBB控制器完成PWM调制生成及开关管驱动信号。
图5 MMC三级控制系统架构
但是，三级控制系统构架存在以下问题：
- 随着PEBB数量的增加，相控制器和PEBB控制器之间的光纤和光模块使用量相应地也会增加，就增量而言，光纤和光模块使用量大约是PEBB个数的两倍之多，现场安装布线十分复杂凌乱，不利于后期维修于扩展。
- 由于每根光纤的两端各需要一个光模块来实现光电信息转换。在光模块和光纤成本增加的同时，也使MMC装置的空间成本和PCB制板成本显著提高。就单相n个PEBB的系统而言，单个相控制器模块需要设计2n个光模块接口，难度极高且成本昂贵。
- 仍然需要对各PEBB控制器进行复杂的同步控制，增加了控制系统的难度。