許斌，李程昊，向往，文勁宇，周國梁，劉曉瑞

(1. 中國電力工程顧問集團中南電力設計院，武漢市 430071；2.強電磁工程與新技術國家重點實驗室(華中科技大學電氣與電子工程學院)，武漢市 430074)

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MMC模塊化串并聯(lián)擴容方法及在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應用

許斌1，李程昊2，向往2，文勁宇2，周國梁1，劉曉瑞1

(1. 中國電力工程顧問集團中南電力設計院，武漢市 430071；2.強電磁工程與新技術國家重點實驗室(華中科技大學電氣與電子工程學院)，武漢市 430074)

能源互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉吹母咝Ю门c遠距離傳輸?；谀K化多電平技術的直流電網(wǎng)是構成能源互聯(lián)網(wǎng)、實現(xiàn)可再生能源電能傳輸?shù)闹匾M成部分與有效技術手段。但受限于現(xiàn)有電力電子技術的發(fā)展，單個模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的額定電壓和額定電流難以提高，難以實現(xiàn)跨國或者跨洲的大規(guī)?？稍偕茉措娏鬏?。針對上述問題，研究了MMC的子模塊串、并聯(lián)，橋臂串、并聯(lián)及換流站串、并聯(lián)的拓撲結構，并對比分析了各種結構在大規(guī)模風電并網(wǎng)傳輸中應用的技術優(yōu)缺點。為了綜合MMC和相控換流器(line commutated converter, LCC)的技術優(yōu)勢，并適應未來能源互聯(lián)網(wǎng)的需要，還研究了MMC與LCC的串、并聯(lián)結構。最后，仿真研究了串聯(lián)結構的均壓問題和并聯(lián)結構的均流問題。通過對各種串并聯(lián)擴容方法的對比研究，得出了MMC串聯(lián)及MMC與LCC串聯(lián)在高壓大功率場合中更具技術優(yōu)勢的結論。研究結果可以為大功率換流站的構成方法與工程應用提供參考。

能源互聯(lián)網(wǎng)；模塊化多電平換流器; 相控換流器; 換流器串并聯(lián); 風電并網(wǎng)

0 引 言

近年來，隨著新通訊技術與新能源技術的發(fā)展，兩者的結合推動著能源互聯(lián)網(wǎng)技術的產生[1-2]。能源互聯(lián)網(wǎng)以可再生能源為供應主體，將成為能源基礎平臺。然而, 已有的能源系統(tǒng)設施無法滿足大規(guī)模遠距離可再生能源的廣泛接入[3]?；谥绷麟娋W(wǎng)技術[4-5]的傳輸網(wǎng)絡是解決上述問題，實現(xiàn)能源可靠互聯(lián)的有效技術手段。直流電網(wǎng)技術由兩端、多端直流輸電(multi-terminal high voltage direct current, MTDC)發(fā)展而來。其組成形式包括傳統(tǒng)的相控換流器(line commutated converter, LCC)和電壓源型換流器(voltage source converter, VSC)[6]。VSC技術由于其有功無功控制解耦，可以實現(xiàn)黑啟動，無需裝設大量無功補償裝置，在近年的實際工程中得到了廣泛的應用[7]。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)作為最新的一種VSC技術[8-10]，其通過采用子模塊串聯(lián)的方法，可以應用于高電壓、大功率場合，在可再生能源并網(wǎng)傳輸領域具有廣泛的應用前景[11-13]。

然而，受限于開關元件的耐壓和通流能力，MMC的傳輸容量受到限制，不易實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模、遠距離的跨國、跨洲傳輸。例如，MMC子模塊的額定電壓主要取決于絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate Bipolar transistor，IGBT)的額定電壓，典型值為2 kV左右；MMC橋臂的額定電流主要取決于IGBT的額定電流，典型值為1 500 A左右[14]。在目前的技術趨勢下，開關元件的容量在短期內難以實現(xiàn)突破性發(fā)展。因此，可以采用開關元件及換流器串聯(lián)或并聯(lián)的方法進一步提高換流器的容量。文獻[15]分析了IGBT在并聯(lián)時影響靜態(tài)和動態(tài)均流的主要因素，提出了對稱相同的驅動電路、相同的散熱器和獨立的柵極電阻等改善不平衡電流的措施。文獻[16]通過設計柵極補償電阻實現(xiàn)并聯(lián)IGBT的靜態(tài)均流。但是，在直流輸電應用中，由于換流器包含的開關器件很多且電路連接復雜，寄生參數(shù)的影響更加難以消除，因此一般不采用IGBT直接并聯(lián)的方法。除了IGBT直接并聯(lián)，MMC還可以通過橋臂并聯(lián)或換流器并聯(lián)的方法提高通流能力。文獻[17]提出了采用橋臂并聯(lián)來提高MMC額定電流的方法，設計了均流控制器和橋臂環(huán)流控制器，并在兩橋臂并聯(lián)的模型中進行了驗證。文獻[18]研究了2個MMC并聯(lián)的結構及其控制方法，提出了零序環(huán)流的消除方法。文獻[19]研究了將MMC換流器串并聯(lián)構成柔性直流輸電系統(tǒng)一極來實現(xiàn)傳輸功率、電壓擴容的方法。

本文在上述已有文獻研究的基礎上，對MMC在子模塊、橋臂、換流器3個層面采用串聯(lián)、并聯(lián)實現(xiàn)擴容的方法進行歸納和對比。重點研究MMC與LCC的混合串聯(lián)和并聯(lián)的拓撲結構及其控制方法，通過在PSCAD/EMTDC下的仿真，驗證MMC與LCC混合串并聯(lián)的可行性。

1 MMC串聯(lián)擴容方法

采用半橋型子模塊的MMC的基本結構如圖1所示，換流器的每個相單元包含上下2個橋臂，每個橋臂上有N個串聯(lián)的子模塊和1個電抗器，每個子模塊含有上下2對開關管和1個電容器。MMC的運行原理在文獻[5-6]中有詳細闡述。

圖1 MMC的基本結構原理圖Fig.1 Basic structure of MMC

1.1 子模塊串聯(lián)

通過子模塊串聯(lián)提高額定直流電壓，是MMC擴容的最直接方法。目前，國際上MMC-HVDC最高電壓等級為±320 kV，功率為1 000 MW，如我國正在建設的廈門柔性直流工程。該工程的MMC為201電平，即每個橋臂有200個串聯(lián)子模塊(不計冗余)。

子模塊的額定電壓主要由開關管的運行電壓決定，一般為2 kV左右。因此，橋臂子模塊串聯(lián)的數(shù)量越多，換流器的額定直流電壓越高、額定功率越大。隨著橋臂串聯(lián)子模塊數(shù)量的增加，換流器控制系統(tǒng)需要更大的數(shù)據(jù)采集帶寬和更快的計算速度。

目前，增加橋臂子模塊串聯(lián)數(shù)量是提高直流輸電工程額定電壓和額定功率最常用的方法，而且隨著電平數(shù)的增多，MMC交流側諧波含量會隨之降低。

1.2 換流器串聯(lián)

換流器串聯(lián)常用于LCC-HVDC系統(tǒng)中，一般通過三角形和星形接線的換流變壓器將2個6脈波三相橋串聯(lián)構成一個12脈波的相控換流器。MMC也可以采用2個換流器串聯(lián)構成一個對稱單極性或雙極性的換流站，如圖 2所示。

圖2 串聯(lián)MMC的基本結構Fig.2 Topology of MMC units in series

2個串聯(lián)的換流器單元采用相同的控制策略，即站控系統(tǒng)可以選擇定功率或定電壓控系統(tǒng)制，閥控系統(tǒng)可以采用最近電平調制(NLM)或載波移相控制。2個串聯(lián)單元的上層控制指令值需要保持一致。

在實際應用中，串聯(lián)換流器的參數(shù)存在差別，可能造成其直流電壓分配不相等。因此，需要對串聯(lián)換流器在穩(wěn)態(tài)運行下的直流電壓均衡情況進行評估，并在必要時設計均壓控制器以保證串聯(lián)換流器能夠長時間共同運行。

2 MMC并聯(lián)擴容方法

2.1 子模塊并聯(lián)

MMC的最小運行單元是子模塊，當子模塊并聯(lián)運行時，并聯(lián)子模塊的直流側電容相當于直接并聯(lián)，其動態(tài)過程完全相同。因此，子模塊并聯(lián)實際等效于開關元件并聯(lián)，如圖3所示。由于驅動信號的不一致和元件參數(shù)的差別，開關元件并聯(lián)存在靜態(tài)和動態(tài)均流問題。所以，在MMC中進行子模塊的并聯(lián)并不適用于高電壓、大功率的直流輸電工程。

圖3 MMC子模塊并聯(lián)的原理Fig.3 Principle of parallel sub-module of MMC

2.2 換流器并聯(lián)

換流站并聯(lián)是指將2個或多個換流站的直流側直接并聯(lián)，根據(jù)交流側并聯(lián)方式的不同可以分為2種結構：(1)每個換流站均配有變壓器，在變壓器的一次側并聯(lián)，如圖 4(a)所示；(2)所有換流站共用一個變壓器，在變壓器二次側直接并聯(lián)，如圖 4(b)所示。

圖4 MMC換流器單元并聯(lián)結構Fig.4 Parallel converter units of MMC

在并聯(lián)方式1下，由于變壓器的隔離作用，并聯(lián)換流站之間不會產生環(huán)流，因此每個換流站可以相對獨立運行，每個換流站具有獨立的站控和閥控系統(tǒng)。在實際應用中，并聯(lián)換流器的參數(shù)存在差別，可能造成其直流電流分配不相等。

在并聯(lián)方式2下，由于交直流側均為直接的電氣連接，并聯(lián)換流站之間會產生環(huán)流，因此需要為并聯(lián)換流站設計協(xié)調控制策略以保證穩(wěn)定運行。

2.3 橋臂并聯(lián)

將若干個橋臂在電抗器側直接并聯(lián)，構成如圖 5所示的橋臂并聯(lián)方案，即在每個相單元內具有多個分別并聯(lián)的上下橋臂。

圖5 MMC橋臂并聯(lián)結構Fig.5 Parallel structure of MMC arms

如果將橋臂電抗器與換流器的連接電抗合并，圖5所示的橋臂并聯(lián)方案與圖4(b)所示的換流器直接并聯(lián)方案事實上是相同的。并聯(lián)橋臂的電流可能由于參數(shù)的差別和控制信號時延等原因出現(xiàn)較大差別，從而在橋臂間形成環(huán)流，造成換流器運行損耗增加。在環(huán)流過大時，可能引起控制器飽和造成換流器停運。因此需要對并聯(lián)運行時的橋臂環(huán)流進行評估并設計相應的抑制策略。

3 MMC串并聯(lián)擴容方法

為了進一步擴大MMC的容量，使其與LCC典型的6 400 MW容量相比擬，從而可以在直流側將LCC與MMC并聯(lián)并減少直流端端口數(shù)來減少直流故障對系統(tǒng)的影響，一種可行的策略是MMC的模塊化串并聯(lián)結構，如圖6所示。假設每個MMC的額定直流功率為1 250 MW。則圖 6所示拓撲總容量可達7 500 MW。

圖6所示串并聯(lián)大容量MMC用于將6個處于不同地理位置的風電場經交流輸電線路在大容量MMC的交流側匯集后，再經由直流輸電線路遠距離外送。

圖7給出了采用MMC-MTDC的風電并網(wǎng)系統(tǒng)。每個MMC的額定直流電壓為±400 kV，額定直流功率可以不相同。每個MMC就地建設在風電場附近，各風電場的風電功率最后在直流側匯集。

圖8給出了采用串聯(lián)MMC后的MTDC風電并網(wǎng)系統(tǒng)。風電并網(wǎng)系統(tǒng)直流側額定電壓為±800 kV。圖8為介于圖 6和圖7方案之間的方案。每2個風電場經交流輸電線路在串聯(lián)組合MMC的交流母線匯集后再經直流輸電線路匯集到直流母線上。

對比圖6～8可知，圖7方案額定直流電壓低，不適合風電的大規(guī)模、遠距離輸送，并且圖7方案在直流匯集時需要較多的直流輸電線路，增大了直流故障發(fā)生的概率。而目前尚無技術成熟的直流斷路器技術，圖7中任何一條直流匯集線路上發(fā)生直流故障都會波及整個風電并網(wǎng)系統(tǒng)。同時圖7中每個風電場相互獨立，要求每個MMC都按風電場的最大出力配置其容量，沒有能夠充分利用各地理位置不同的風電場出力互補效應。

圖6 采用模塊化串并聯(lián)MMC的風電并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.6 Wind power integration system using parallel and series MMC

圖7 采用MMC-MTDC的風電并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.7 Wind power integration system using MMC-MTDC

圖8 采用串聯(lián)MMC后的MTDC的風電并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.8 Wind power integration system using MMC-MTDC in series

圖6方案則明顯優(yōu)于圖7方案。因為其額定直流電壓高，適合大規(guī)模、遠距離輸送。由于采用交流輸電線路匯集不同風電場的出力，任意匯集線路發(fā)生短路故障時，可以由交流斷路器開斷，不會導致停運整個風電場直流外送系統(tǒng)。圖 6同時還可充分利用不同風電場的出力互補效應，減小所使用的換流器總容量。

圖8方案為介于圖6和圖7方案之間的方案。其技術可靠性和經濟性均優(yōu)于圖7而劣于圖 6方案。

4 MMC與LCC混合串聯(lián)

采用可關斷元件的電壓源型換流器具有良好的控制性能，但是IGBT耐壓能力遠低于晶閘管。因此，為了提高直流輸電系統(tǒng)的額定電壓和額定功率，可以將MMC與LCC串聯(lián)構成一種混合換流器，如圖9所示[20-23]。圖中LCC可以是單個6脈波換流器也可以是多個6脈波橋的串聯(lián)結構。圖9中MMC可以是單個換流器也可以是多個并聯(lián)的MMC。

圖9 MMC與LCC混合串聯(lián)的結構原理Fig.9 Structure of MMC combined with LCC in series

采用MMC與LCC串聯(lián)的換流器電壓等級可以達到±1 000 kV，其中±800 kV的直流電壓由LCC承擔，±200 kV的直流電壓由MMC承擔。為了提高系統(tǒng)運行的可靠性，可以為每個換流器增加旁路開關，使系統(tǒng)可以在混合運行、LCC運行和MMC運行3種模式之間切換。LCC可以增加接地極，從而可以實現(xiàn)LCC的單極運行。

混合串聯(lián)換流站的控制并不需要換流器之間的通訊協(xié)調。MMC可以根據(jù)需要采用交流電壓控制或直流電壓控制，LCC可以采用常用的定電流控制或定熄弧角控制。

5 仿真驗證

為了驗證本文研究的幾種串并聯(lián)擴容方法的可行性，在PSCDA/EMTDC下搭建了相應的仿真模型，建立各自的控制系統(tǒng)。通過仿真結果驗證MMC并聯(lián)、串聯(lián)及MMC與LCC混合串聯(lián)的技術可行性。仿真系統(tǒng)的電路參數(shù)和換流器參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)與單個MMC單元參數(shù)

Table 1 Parameters of simulation system and

each MMC unit

5.1 MMC串聯(lián)運行驗證

將2個MMC單元采用圖 2所示的結構進行串聯(lián)。每個MMC均采用表1中的電路參數(shù)。為了檢驗主電路參數(shù)不一致性對均壓、均流的影響， MMC1的橋臂電感值比標稱值低1%，即為0.081 H；同時子模塊電容值也比標稱值低1%，即為9 900 μF。記錄串聯(lián)換流器的交流側三相電壓、直流電壓和直流電流，如圖 10所示。

圖10 串聯(lián)MMC仿真結果Fig.10 Simulation results of MMC in series

可以看到系統(tǒng)的直流電流和交流電壓能夠在穩(wěn)態(tài)下保持穩(wěn)定。雖然主電路參數(shù)略有差別，但是串聯(lián)換流器的輸出直流電壓Udc1,Udc2幾乎完全一致，而不需要任何附加的均壓控制，即串聯(lián)換流器具有自然均壓的特性。

5.2 MMC直接并聯(lián)運行驗證

將2個MMC單元并聯(lián)，如圖 3所示。MMC1采用表1中的電路參數(shù)，其中MMC2的橋臂電感值和子模塊電容值比標稱值低1%，分別為0.081 H和9 900 μF。記錄并聯(lián)換流器的交流側三相電壓、直流電壓和直流電流，如圖 11所示?？梢钥吹讲⒙?lián)MMC的直流電流能夠保持很好的一致性，不需要附加的均流控制，即并聯(lián)換流器具有自然均流的特性。

圖11 并聯(lián)MMC仿真結果Fig.11 Simulation results of parallel MMC

5.3 子模塊并聯(lián)MMC與LCC混合串聯(lián)驗證

將2個6脈波LCC換流橋分別串聯(lián)構成LCC1和LCC2，再將MCC與LCC1、LCC2串聯(lián)構成圖 9所示混合結構。記錄混合串聯(lián)換流器的交流側三相電壓、直流電壓和直流電流，如圖 12所示。

仿真結果表明在直流電流變化的過程中，各個串聯(lián)換流器的直流電壓能夠維持在額定值附近，同時保持較好的交流電壓波形。

6 結 論

在高壓直流輸電領域采用換流器的串聯(lián)與并聯(lián)可以有效提高額定電壓或額定電流以擴大輸送容量。通過建立串并聯(lián)結構的大容量換流器的電磁暫態(tài)仿真模型，一定程度上驗證了方案的技術可行性。如果進一步論證各種方案的技術經濟性，可以得到在不同應用條件下的最優(yōu)方案。本文的研究結果為構建大容量換流器，實現(xiàn)大規(guī)模可再生能源的消納與傳輸、能源互聯(lián)網(wǎng)的構建提供了有效的參考。

圖12 MMC與LCC混合串聯(lián)仿真結果Fig.12 Simulation results of MMC combined with LCC in series

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(編輯：張小飛)

Capacity Enlarging Method of Series and Parallel MMC and Its Application in Energy Internet

XU Bin1, LI Chenghao2, XIANG Wang2, WEN Jinyu2, ZHOU Guoliang1, LIU Xiaorui1

(1. Central Southern China Electric Power Design Institute (CSEPDI) of China Power Engineering Consulting Group Corporation, Wuhan 430071, China;2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Energy internet technology can achieve the efficient utilization and long-distance transmission of large-scale renewable energy. The DC grid based on modular multilevel converter (MMC) technology is an important component and effective technical mean of energy internet and renewable energy transmission. However, limited to the existing development of power electronic technology, the rated voltage and rated current of single MMC are hard to increase, which will hamper the large-scale renewable energy transmission over countries or over states. To solve the above challenges, the topological structures of MMC’s sub-modules, arms and converters in series and parallel were studied, whose technology advantages and disadvantages applied in large-scale wind power integration transmission were analyzed. Moreover, in order to combine the advantages of line commutated converter (LCC) and MMC and meet the need of future energy internet, the series, parallel structures of LCC and MMC were also studied. At last, the voltage balancing problem for series structure and current balancing problem for parallel structure were simulated and analyzed. Through the comparison on the capacity enlarging methods of various series, parallel structure, it can be concluded that either the series of MMC or the series of MMC and LCC is applicable for high voltage and power application. The research results can provide reference for the construction method and engineering application of high-power converter station.

energy internet; modular multilevel converter; line commutated converter； series and parallel of converter; wind power integration

TM 46

A

1000-7229(2015)10-0020-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.003

2015-06-21

2015-08-12

許斌(1982)，男，本科，高級工程師，主要研究方向為直流換流站成套和工程設計研究；

李程昊(1988)，男，博士，主要研究方向為柔性直流輸電及直流電網(wǎng)系統(tǒng)控制；

向往(1990)，男，博士研究生，研究方向為柔性直流輸電技術，模塊化多電平換流器，直流電網(wǎng);

文勁宇(1970)，男，博士，長江學者特聘教授，主要研究方向包括電力系統(tǒng)運行與控制、電能存儲與電力安全，多端直流輸電與直流電網(wǎng)，新能源并網(wǎng)與規(guī)劃。