模塊化多電平換流器改進拓撲結構及其應用

張建坡 趙成勇 孫海峰 黃曉明 陸 翌 裘 鵬

（1.華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室 保定 071001 2.國家電網浙江省電力公司電力科學研究院 杭州 310014）

1 引言

模塊化多電平換流器由于采用了模塊化設計，通過調整子模塊的串聯個數可以實現電壓及功率等級的靈活變化，并且可以擴展到任意電平輸出，從而解決了傳統兩電平和三電平電壓源換流器的電磁干擾和輸出電壓的諧波含量高的問題。而基于模塊化多電平的高壓直流輸電技術在新能源接入（特別是近海風電接入）、向無源電網供電（如海島供電，海上鉆井平臺）、異步電網互聯、城市配網等諸多領域有著廣闊的應用前景，因此吸引了學術界和工業界越來越多的關注[1-6]。

在實際運行當中，基于MMC 的高壓直流輸電直流側線路難免發生各種故障。由于MMC 拓撲結構和子模塊結構的特點，盡管可以閉鎖所有的IGBT，但是IGBT 反并聯二極管為短路電流提供通路，短路電流不能被阻斷，從而使其不具備直流短路閉鎖能力。因此當發生直流側故障時，只能斷開交流斷路器，系統停運，從而使得系統的再啟動過程比較緩慢，而且頻繁操作交流斷路器會縮短其使用壽命。基于以上原因，許多柔性直流輸電工程只能選擇昂貴的直流電纜來降低直流側故障幾率，從而使相對經濟的架空線路的使用受到限制。同時由于高電壓大容量直流斷路器的制造工藝尚不成熟，現有多端柔性直流工程也要求直流電纜具有極高的可靠性[7,8]，以降低直流側故障發生概率，這在一定程度上限制了柔性直流向多端直流輸電領域的發展和應用。

針對MMC 拓撲結構的不足，工業界和學術界提出了許多不同的子模塊改進拓撲結構。在文獻[9,10]中將STATCOM 中廣泛使用的全橋子模塊拓撲結構（FBSM）引入柔性直流輸電領域，雖然此種拓撲結構對直流側故障時的直流電流能夠有效阻斷，但與傳統的MMC 半橋子模塊相比，由于IGBT數量增加了一倍，從而增加工程總投資，同時正常運行時，模塊的負電平輸出對于直流輸電應用意義不大。在文獻[11-13]中，為降低全橋子模塊換流器IGBT 的數量且同時具有直流閉鎖能力，對子模塊拓撲也做出了相應改進，提出了鉗雙子模塊（Double Clamp Sub Module，DCSM）。該拓撲在全橋子模塊基礎上通過增加一個IGBT、一個電容器和兩個二極管，實現了模塊的三電平輸出，且具有直流電流的閉鎖能力。與全橋拓撲相比，DCSM 降低了單位電壓需要的器件數量，但是此種拓撲由于模塊采用類似全橋結構的兩個子模塊的并聯連接形式，在結構上帶來了一定的耦合性，且在故障期間，橋臂電容呈現出不同的連接形式。

針對上述問題，首先分析總結了不同的MMC子模塊拓撲結構的優缺點，然后針對現有拓撲結構的不足，在不改變傳統的MMC 成熟控制策略、調制策略和電容電壓均衡策略的前提下，設計了在直流側故障時，能夠實現直流電流阻斷能力的改進拓撲結構。最后以此拓撲結構為例，搭建了21 電平仿真模型，分析了直流側的故障特性，并提出了相應的控制策略。

2 MMC 電路模型

2002 年，德國學者R.Marquart 和A.Lesnicar最早提出了MMC 拓撲結構的概念[10]，該拓撲奠定可控電壓源型換流器的基礎，MMC 的拓撲結構如圖1 所示。系統有六個完全一樣的橋臂構成，每一個橋臂又由若干個相同的子模塊（SM）串聯構成，同時上下橋臂中串有抑制短路電流和橋臂環流的電感，目前國內外最新投運的電壓源型換流器柔性直流輸電工程均使用了MMC 拓撲。

圖1 MMC 簡化電路Fig.1 The simplified circuit of MMC

對于模塊化多電平換流器，由于每個橋臂的子模塊在各自獨立的觸發脈沖控制下進行工作狀態的轉換，從而每個橋臂可等效為一個可控的電壓源，其輸出電壓隨控制信號的改變而變化。

3 具有直流阻斷能力子模塊拓撲

由于MMC 中的子模塊采用了半橋拓撲結構，存在與 IGBT 并聯的二極管，因此當直流側發生短路時，短路電流不能被切斷，實現直流側故障電流的閉鎖，只能夠依靠交流斷路器來切斷交流電流，從而造成系統停運。

3.1 鉗雙子模塊并聯拓撲

Alstom 等公司將STATCOM 中廣泛使用的全橋子模塊拓撲結構（Full Bridge Sub Module，FBSM）引入柔性直流輸電領域。該拓撲可以閉鎖直流側短路電流，但與MMC 半橋子模塊相比，全橋子模塊拓撲代價不菲，IGBT 數量增加了一倍。

為降低全橋子模塊換流器中電力電子器件數量且仍然具有直流閉鎖能力，R.Marquart 也對MMC子模塊內拓撲做出了改進，提出了如圖2 所示鉗雙子模塊拓撲（Double Clamp Sub Module，DCSM）。該子模塊通過在全橋子模塊中增加了一個IGBT、一個電容器和兩個二極管，使子模塊可輸出三個電壓2uc、uc、0，與全橋拓撲相比降低了單位電壓需要的器件數量。

圖2 鉗雙子模塊拓撲Fig.2 The double clamp sub module

該子模塊正常運行時，鉗位IGBT VT5 一直導通，此時鉗雙子模塊等效為兩個MMC 半橋子模塊。當直流側發生短路故障時，控制系統閉鎖所有IGBT，此時的短路電流通路如圖3 所示，類似全橋子模塊，短路電流將被閉鎖。

圖3 橋臂電流路徑Fig.3 The arm current path of DCSM

從圖3 可以看出，在故障期間，兩個儲能電容呈現出不同的連接形式，且正常時由于采用了兩個模塊并聯，結構上呈現出一定的耦合性，從而可能造成控制和均壓復雜。

3.2 串聯雙子模塊拓撲

當直流側發生故障的時候，由圖1 可知，當上、下橋臂電流都大于零的時候，此時橋臂電流對電容進行充電，從而能夠限制短路電流。而當上、下橋臂電流都小于零的時候，由于IGBT 的閉鎖，造成了此時反并聯二極管的導通，從而上、下橋臂等效為短路狀態，此時故障程度最大。因此只要改變反向橋臂電流路徑，并且仍然能夠實現對電容的充電操作，就可以起到限制短路電流的目的。在不改變傳統MMC 中子模塊間串聯連接方式的前提下，論文對其半橋結構進行了改進，拓撲電路如圖4 所示。其中1 和2 號端子構成輸出端，3,3 相連。

圖4 串聯雙子模塊拓撲Fig.4 The series connected double SM

由于正常運行時，兩個子模塊間為串聯連接方式，因此與傳統MMC 相比，控制策略、調制策略和均壓策略都沒有什么不同，兩個子模塊SM1 和SM2 具有各自獨立工作狀態。表1 為SDSM 的開關狀態表，其中1 表示導通，0 表示關斷。

表1 SDSM 開關狀態表Tab.1 The switch states of SDSM

VT1和VT5開通，VT2關斷，此時模塊1 輸出電容電壓；VT2和VT5開通，VT1關斷，此時模塊1旁路；VT4和VT5開通，VT3關斷，此時模塊2 輸出電容電壓；VT3和VT5開通，VT4關斷，此時模塊2 旁路；VT1開通，VT2關斷，VT4開通，VT3關斷，VT5開通，此時模塊輸出為兩個電容電壓之和；VT1、VT2、VT3、VT4和VT5均閉鎖時，此時兩個模塊電容之間串聯，橋臂電流對模塊電容進行充電。

當直流側發生故障的時候，系統閉鎖，此時的故障電流流通路徑如圖5 所示。此時無論橋臂電流是正向流動還是反向流動，都能夠保證兩個電容之間是串聯的關系，且總是處于充電的狀態，從而加快故障電流的消除。同時由于直流電流的閉鎖能力，所以傳統半橋中的保護晶閘管不再需要。

圖5 橋臂電流路徑Fig.5 The arm current path of SDSM

與DCSM 一樣，在正常運行過程中由于VT5和VD5的存在，相對半橋結構增加了系統的導通損耗，文獻[9]對模塊額外損耗進行了分析，得出了功率損耗影響不是很大的結論。

表2 為半橋拓撲、全橋拓撲，雙鉗位拓撲和串聯雙子模塊拓撲結構在輸出單位電平時所需要的器件個數。從表2 可以看出，論文對半橋拓撲結構的改進，即實現了對于直流側故障電流的阻斷能力，同時也避免了全橋結構器件過多問題。

表2 單位電平下不同拓撲所需器件個數Tab.2 The device number of different topologies

4 直流側故障特性分析

由于傳統的MMC 不具備直流側故障時短路電流抑制功能，因此需要閉鎖IGBT，觸發保護晶閘管，進而交流斷路器動作，系統停運，因此很少有文獻對直流側故障進行分析。而具備了直流閉鎖功能的MMC 能夠實現直流側故障電流的抑制，因此不再需要交流斷路器動作，從而避免了系統的停運，因此在故障期間可以設計不同的控制策略，更好地發揮兩端系統的作用。

直流線路可能發生故障有單極接地故障、兩相短路故障和斷線故障[14]。對于斷線故障，由于直流電流為零，正常的功率傳輸關系被打破，所以對運行于整流狀態的MMC 而言，因為此時輸出功率為零，從而造成電容過度充電和電壓上升，而對于運行于逆變狀態MMC 而言，在未改變控制策略下，由于輸入功率為零，造成橋臂中作為儲能的電容放電，進而電壓下降和系統失穩。但是無論是工作于整流狀態還是逆變狀態，只要故障后采用定直流電壓控制，則能夠保證直流電壓的穩定，此時兩端系統自動轉換為靜止無功補償模式，或閉鎖待機狀態。

對于單極接地故障，由于變壓器閥側采用三角形接線方式，此時直流側接地點不能夠和閥側形成回路，理論上不會有接地電流出現。但是考慮到線路的分布參數影響，此時接地點與線路對地電容之間形成回路，造成對地電容的充放電，因此直流電流會出現小幅振蕩過程，隨著充放電過程的結束，接地極對地電壓最終降低為零，直流電流恢復正常。對于非接地極而言，此時對地電壓翻倍，而兩極電壓保持不變，因此對直流母線電壓影響不大，此時系統可以轉換為單級運行。但是由于直流側非接地極線路對地電壓翻倍，對于電纜線路可能會帶來過電壓問題（而對于架空線路，過電壓問題可能不是很大）。對系統交流側而言，單極接地改變了直流系統電位的參考點位置，因此根據故障前和故障后直流側電壓udc，上、下橋臂電壓ua1、ua2和閥側電壓ua關系式（1）和式（2），可以推出式（3），即閥側交流對地電壓出現0.5udc的直流偏置。但只要系統滿足過電壓要求，理論上是可以轉換為單級運行模式。

兩極短路故障是直流側最為嚴重的故障，由于直流線路短接，兩側換流器中的子模塊電容通過短路路徑快速放電，直流兩極電壓會很快衰減到零，整流器與逆變器之間的功率傳輸將立即終止，隨之兩側交流系統近似于發生三相短路故障，嚴重危害整個系統的安全運行，此時只能依靠換流器的閉鎖功能，實現電流的抑制。當傳輸線路采用電纜時，一般為永久性故障，因此，系統應該首先閉鎖換流器，當監測到直流線路電流為零的時候，斷開兩端的隔離開關，然后進行線路的維修和更換。而對于采用架空線路的情況，如果發生的為暫時性故障，此時同樣應閉鎖換流器，待直流電流為零后解鎖，系統重新啟動和投運。同樣對于永久性故障則只能夠閉鎖，待直流母線電流為零后跳開隔離開關，然后進行線路維修。對于永久性故障，由于MMC 具有直流故障電流的阻斷能力，所以跳開隔離開關后，兩端系統可以轉換為無功補償運行模式，以對系統提供無功支持或者閉鎖待機狀態。綜上分析，直流側故障控制過程如下:

（1）兩端系統實時監測正、負極直流母線電壓和電流。

（2）根據監測數據判斷直流側故障類型。（斷線故障，直流電流為零，母線電壓上升或下降；單極接地故障，接地極對地電壓為零，兩極電流出現振蕩，并最終穩定；兩極短路故障，直流電流出現突變且大幅振蕩，且兩極電壓為零）

（3）如果為單極接地故障，輸電設備能夠滿足絕緣要求，則不需要閉鎖換流器，轉換為單極運行模式，否則，轉到步驟（4）；如果為斷線故障，則跳開兩端隔離開關，轉到步驟（5）。

（4）閉鎖換流器，并監測直流電流，當電流為零時跳開兩端隔離開關。

（5）根據系統要求轉換工作狀態，STATCOM或閉鎖待機狀態。

5 仿真分析

為驗證本文設計的子模塊拓撲結構和直流側故障控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC 搭建兩端MMC-HVDC 模型，進行了仿真分析。直流電壓Udc=±200kV，額定容量450MV·A。MMC1 采用定直流電壓、定無功功率控制，MMC2 采用定有功功率、定無功功率控制，SW1、SW2、SW3和SW4為隔離開關，采用IGBT-CB[14,15]，采用文獻[16-18]中的半橋子模塊拓撲結構的調制策略和均壓策略。

圖6 兩端仿真模型Fig.6 The two terminal simulating model

5.1 正常下直流側電壓電流特性分析

圖7 為系統正常運行下的直流側電壓、電流波形。

圖7 正常運行波形Fig.7 The wave forms of MMC under normal condition

在圖7a 中，正負極直流母線電流具有大小相等的特點；在圖7b 中，正負極直流母線對地電位相等，其電位差為直流母線兩極電壓。

5.2 直流側故障分析

對直流側永久性單極接地和兩極短路故障進行了仿真分析，故障發生時間在1s，距離兩端換流站50km，線路采用架空線路。

系統發生單極接地故障時，從圖8a 中可以看出，正極母線電壓被拉為零電位，而負極母線對地電壓加倍，同時正負極直流母線電壓差保持不變。對于閥側交流電壓而言，如第4 節中分析，此時三相交流電壓對地會出現直流偏置現象，如圖8b 所示（偏置了200kV）。由于對地電容，直流母線側可以認為有無數個接地點，而當直流母線發生接地故障的時候，對地電容將通過接地點構成放電回路，此時直流側會出現接地電流，但是隨著電容放電過程的結束，接地電流會逐漸衰減為零，正負極電流也將恢復為正常，如圖8c 所示。

圖8 單極接地故障電壓、電流波形Fig.8 The waveforms under positive pole to ground fault

單極接地故障對交流電流沒有產生影響，如圖8d 所示，只是造成負極母線對地電壓翻倍，從而對電纜的耐壓能力提出考驗。此外由于交流電壓的直流偏置，對交流設備的絕緣能力提出了考驗。如果能夠滿足絕緣要求，系統可以保持單極運行模式。

圖9 為兩極短路故障仿真波形。從圖9a 可以看出，在閉鎖換流器后橋臂電流迅速衰減，從而實現了對橋臂器件的保護，（考慮信號采集和處理時間，閉鎖信號延遲0.5ms）而在圖9b 中，交流電流同時也衰減為零，從而避免依靠斷路器來切斷故障電流。在圖9c 中，由于橋臂電容電壓的作用，直流電流很快衰減為零，此時可以觸發兩端隔離開關，從而可以進行線路的維修和更換工作。

圖9 兩極短路電流波形Fig.9 The waveforms under pole to pole fault

6 結論

論文首先總結分析了模塊化多電平不同子模塊拓撲結構特點。在直流側發生故障的時候，針對傳統半橋型拓撲不能夠實現直流電流阻斷問題，對其拓撲結構進行了改進，構造了具有直流電流阻斷能力的雙子模塊串聯拓撲結構，即避免了全橋拓撲器件過多的問題又解決了雙鉗位并聯拓撲結構的耦合問題，從而在一定程度上消除了影響MMC-HVDC輸電中架空線路應用、以及構建多端直流輸電拓撲時的瓶頸問題，同時也避免了只能依靠兩端系統的交流斷路器來實現故障處理。為了提高系統的故障穿越能力，在對直流側故障特性分析的基礎上，設計了相應的控制策略。最后在PSCAD/EMTDC 中搭建的21 電平MMC-HVDC 雙端仿真模型基礎上，對控制策略進行了研究與仿真驗證，仿真結果驗證了其有效性。

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