具備直流側故障阻斷能力的混合式子模塊MMC研究

馬玉梅 謝洋 王傲玉 嚴慜 田育林

摘要：高壓直流輸電技術的發(fā)展是基于電壓源型換流器（VSC）技術的發(fā)展和成熟，目前較為常見的VSC結構為模塊化多電平換流器（MMC）。本文提出了一種新型MMC結構，即混合式MMC，該結構由全橋子模塊和半橋子模塊按照一定比例混合而成，因此，具備良好的故障阻斷性能和經(jīng)濟性能。本文通過等效電路圖對混合MMC比例進行推導[4]，得出了合理調整換流器中全橋子模塊和半橋子模塊的比例，并用PSCAD軟件搭建模型進行驗證，結果表明該比例的正確性，研究成果對實際工程具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：柔性直流輸電;混合型MMC;故障阻斷;子模塊比例

引言

我國一次能源地理分布不均，能源主要分布在西部，而主要負荷分布在東部沿海，因此需要遠距離輸電;我國存在眾多島嶼，需要海底電纜送電。隨著人們對環(huán)境問題的日益重視，大城市的供電走廊也有限。HVDC由于在遠距離輸電的成本和此特殊環(huán)境（背靠背、地下、海底等）中的優(yōu)勢而得到應用[1]。

高壓直流輸電面對傳統(tǒng)交流用戶時，需要實現(xiàn)交直流之間的電能轉換。為實現(xiàn)這種轉換，HVDC系統(tǒng)需要一個電子換流器，目前這種三相換流器有兩種基本結構，即：電流源換流器（CSC）和電壓源換流器（VSC）[3]。本文所提出的混合式MMC是基于VSC進行研究的。

直流側故障是換流站設計運行必須考慮的嚴重故障類型，對設備參數(shù)、 控制策略和保護配置具有重要影響。未來隨著風電、光伏等清潔新能源并網(wǎng)、超大型城市群輸配電增容改造、海上多孤立負荷送電的需求，多端VSC- HVDC的發(fā)展成為一種趨勢，如何處理直流故障同樣是工程實踐中需要考慮的關鍵問題。本文圍繞這個問題展開研究，尋找直流側故障阻斷的方案。

1模塊化多電平換流器（MMC）

1.1半橋子模塊（HBSM）

由于半橋子模塊損耗小、成本低，目前大部分MMC-HVDC工程所采用的子模塊拓撲都為HBSM，其拓撲結構如圖1.1所示[1]。圖中iSM為流入子模塊的電流，USM為半橋子模塊的輸出電壓，Uc為電容電壓。圖中共有4個電力電子管，穩(wěn)態(tài)時有且僅有一個管子導通，其余關斷，可以通過控制圖中IGBT的導通條件控制管子投入的狀態(tài)實現(xiàn)子模塊的投入或切除。

1. 2全橋子模塊（FBSM）

全橋子模塊的拓撲結構如圖1.2所示。穩(wěn)態(tài)運行情況下，輸出電平有三種可能，分別是：Uc（T1、T4導通）、-Uc（T2、T3導通）、0（T1、T2導通或T3、T4導通）。為了使IGBT的損耗和開關頻率盡可能地平均，當全橋子模塊輸出0電平時，應可能地使不同組合的IGBT輪換導通。

2直流側故障診斷特性

2.1半橋

當直流側發(fā)生故障后，MMC進入閉鎖狀態(tài)[2]。此時，圖1.4中的T1、T2都處于關斷狀態(tài)，D1或者D2處于導通狀態(tài)。直流側故障能否隔離取決于反并聯(lián)二極管D1和D2哪一個導通，若D1導通，電流經(jīng)過D1向電容器充電，若D2導通，電流經(jīng)過D2將電容器旁路，直流側故障通過D2傳輸?shù)浇涣鱾?，電流通路如圖2.1所示，表明直流側故障未被隔離，半橋MMC子模塊不完全具備直流側故障阻斷的能力。

2.2全橋

當直流側發(fā)生故障后，MMC進入閉鎖狀態(tài)。此時，圖1.5中的T1、T2、T3、T4都處于關斷狀態(tài)，D1和D4或者D2和D3處于導通狀態(tài)。若D1、D4導通，電流向電容器充電，若D2、D3導通，電流向電容充電，電流通路如圖2.2所示，表明直流側故障被隔離，全橋MMC子模塊具備直流側故障阻斷的能力。

3混合式子模塊MMC研究

目前應用于實際工程中的MMC子模塊多為半橋拓撲結構，其在正常工作狀態(tài)下其具有良好的輸出特性，但因其無法阻斷直流側故障電流使其在應用推廣方面受到了一定的阻礙。與之對應的全橋子模塊MMC具備直流故障阻斷能力，但其控制復雜、所用功率器件數(shù)是半橋子模塊的兩倍?？紤]到全二者的互補性，將其按照一定比例混合，研究一種混合式子模塊MMC，既能降低MMC制造成本及控制器的設計難度，又能使MMC具備直流側故障電流的阻斷能力。

3.1 混合型MMC的比例推導

假設交流側相電壓有效值為Us，直流側電壓為Udc，線電壓幅值為UAB，且UAB=Us。由H-MMC的拓撲結構如圖3.1可知，混合型MMC有A、B、C三相，每相由上下兩個橋臂組成，其等效電路圖如圖3.2所示。假設每個橋臂有N個子模塊，其中HBSM有M個，則FBSM有（N-M）個。定義為混合型MMC的比例，則：

μ=N-M/N（1）

假設各個電容完全一樣，則正常運行時子模塊電容均壓后的電壓為：

UC =Udc/N（2）

當直流側發(fā)生短路故障時，混合式MMC的子模塊進行閉鎖，閉鎖后進入全橋子模塊電容充電階段，圖3.3即為全橋子模塊電容充電階段的等效電路圖。其中Ca_upper為A相上橋臂所有FBSM電容串聯(lián)等效電容，Cb_lower為B相下橋臂所有FBSM電容串聯(lián)等效電容。

根據(jù)前面所述全橋、半橋直流側故障發(fā)生時的特性，可知當混合型MMC直流側發(fā)生故障時，回路中只有FBSM電容，且數(shù)量為2（N-M）個，根據(jù)H-MMC故障分析結果可知，當FBSM電容充電結束后，表示直流側故障被隔離。用等效電路圖分析可知，忽略FBSM電容的不均一性，當FBSM電容電壓滿足式（3）時，二極管正向導通截止，故障被隔離。

當只有2（N-M）個電容充電電壓達到Ujc時，故障被隔離，將混合型MMC的比例引入式（4），可以得到：

（5）

由上式可知，與交流側相電壓有效值、混合型MMC的比例密切相關。要使不高于FBSM的正常運行電壓，則：

（6）

即： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

當混合型MMC的全橋比例滿足式（7）時，當直流側發(fā)生故障后，F(xiàn)BSM的電容充電電壓達到Ucj，且小于正常運行時的均壓電壓Uc時，直流側故障就被隔離。定義為全橋子模塊極限比例，當μ<μx時，H-MMC不能夠隔離治理側故障;當μ>μx，H-MMC具有隔離故障的能力，且進一步增加FBSM，使成本增加，對故障隔離的能力沒有影響。

4仿真分析

4.1模型搭建

本文通過PSCAD上搭建交流10 kV電網(wǎng)，如圖4.1所示，經(jīng)三相電力變壓器降壓后與MMC換流器相連，每個橋臂包含20個子模塊，根據(jù)MMC的工作原理，該MMC交流側電壓波形為21個電平。直流電壓，交流側電壓有效值為。根據(jù)上述推導的公式（7），可算得該模型的FBSM比例為：

（10）

可得出該模型的FBSM有7個，HBSM有13個。

4.2 仿真對比與分析

（1）當η=0時，半橋子模塊數(shù)量為20個，全橋子模塊為零，將故障點設置在直流側：根據(jù)圖4.2和4.3可知，當H-MMC中子模塊全部為半橋時，直流側不具備故障阻斷能力。

（2）當時，由7個全橋子模塊和13個半橋子模塊組成，將故障點設置在直流側：根據(jù)圖4.3和4.4可知，此時直流側具備故障阻斷能力。當短路發(fā)生時，故障點電流可快速被阻斷，降低為零，當故障消失時，故障點電流可迅速恢復到正常值。

5結論

HVDC作為電氣工程領域的發(fā)展趨勢，換流器的研究對其發(fā)展十分重要。本文介紹了各種換流器的拓撲結構和運行方式，分析了各種換流器的優(yōu)缺點;同時結合當前直流側故障阻斷能力這一熱點話題，詳細分析了直流側故障阻斷特性，根據(jù)FBSM隔離直流側短路故障的能力以及HBSM的經(jīng)濟性，將兩者結合設計了混合式子模塊的MMC，并通過電路圖的分析，詳細推導了全橋子模塊和半橋子模塊的臨界比例。當全橋子模塊和半橋子模塊的比例小于時，直流側不具備故障阻斷能力;當全橋子模塊和半橋子模塊的比例大于時，直流側具備故障阻斷能力，增大，可增強直流側故障阻斷性能，但繼續(xù)增大，對換流器故障隔離能力的影響不大，反而會大幅增加成本。因此在實際工程應用中，應結合具體情況選擇合適的比例，做到使換流器既具有良好的故障阻斷能力，又實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

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