模块化多电平换流器改进拓扑结构及其应用

张建坡 赵成勇 孙海峰 黄晓明 陆 翌 裘 鹏

（1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室 保定 071001 2.国家电网浙江省电力公司电力科学研究院 杭州 310014）

1 引言

模块化多电平换流器由于采用了模块化设计，通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出，从而解决了传统两电平和三电平电压源换流器的电磁干扰和输出电压的谐波含量高的问题。而基于模块化多电平的高压直流输电技术在新能源接入（特别是近海风电接入）、向无源电网供电（如海岛供电，海上钻井平台）、异步电网互联、城市配网等诸多领域有着广阔的应用前景，因此吸引了学术界和工业界越来越多的关注[1-6]。

在实际运行当中，基于MMC 的高压直流输电直流侧线路难免发生各种故障。由于MMC 拓扑结构和子模块结构的特点，尽管可以闭锁所有的IGBT，但是IGBT 反并联二极管为短路电流提供通路，短路电流不能被阻断，从而使其不具备直流短路闭锁能力。因此当发生直流侧故障时，只能断开交流断路器，系统停运，从而使得系统的再启动过程比较缓慢，而且频繁操作交流断路器会缩短其使用寿命。基于以上原因，许多柔性直流输电工程只能选择昂贵的直流电缆来降低直流侧故障几率，从而使相对经济的架空线路的使用受到限制。同时由于高电压大容量直流断路器的制造工艺尚不成熟，现有多端柔性直流工程也要求直流电缆具有极高的可靠性[7,8]，以降低直流侧故障发生概率，这在一定程度上限制了柔性直流向多端直流输电领域的发展和应用。

针对MMC 拓扑结构的不足，工业界和学术界提出了许多不同的子模块改进拓扑结构。在文献[9,10]中将STATCOM 中广泛使用的全桥子模块拓扑结构（FBSM）引入柔性直流输电领域，虽然此种拓扑结构对直流侧故障时的直流电流能够有效阻断，但与传统的MMC 半桥子模块相比，由于IGBT数量增加了一倍，从而增加工程总投资，同时正常运行时，模块的负电平输出对于直流输电应用意义不大。在文献[11-13]中，为降低全桥子模块换流器IGBT 的数量且同时具有直流闭锁能力，对子模块拓扑也做出了相应改进，提出了钳双子模块（Double Clamp Sub Module，DCSM）。该拓扑在全桥子模块基础上通过增加一个IGBT、一个电容器和两个二极管，实现了模块的三电平输出，且具有直流电流的闭锁能力。与全桥拓扑相比，DCSM 降低了单位电压需要的器件数量，但是此种拓扑由于模块采用类似全桥结构的两个子模块的并联连接形式，在结构上带来了一定的耦合性，且在故障期间，桥臂电容呈现出不同的连接形式。

针对上述问题，首先分析总结了不同的MMC子模块拓扑结构的优缺点，然后针对现有拓扑结构的不足，在不改变传统的MMC 成熟控制策略、调制策略和电容电压均衡策略的前提下，设计了在直流侧故障时，能够实现直流电流阻断能力的改进拓扑结构。最后以此拓扑结构为例，搭建了21 电平仿真模型，分析了直流侧的故障特性，并提出了相应的控制策略。

2 MMC 电路模型

2002 年，德国学者R.Marquart 和A.Lesnicar最早提出了MMC 拓扑结构的概念[10]，该拓扑奠定可控电压源型换流器的基础，MMC 的拓扑结构如图1 所示。系统有六个完全一样的桥臂构成，每一个桥臂又由若干个相同的子模块（SM）串联构成，同时上下桥臂中串有抑制短路电流和桥臂环流的电感，目前国内外最新投运的电压源型换流器柔性直流输电工程均使用了MMC 拓扑。

图1 MMC 简化电路Fig.1 The simplified circuit of MMC

对于模块化多电平换流器，由于每个桥臂的子模块在各自独立的触发脉冲控制下进行工作状态的转换，从而每个桥臂可等效为一个可控的电压源，其输出电压随控制信号的改变而变化。

3 具有直流阻断能力子模块拓扑

由于MMC 中的子模块采用了半桥拓扑结构，存在与 IGBT 并联的二极管，因此当直流侧发生短路时，短路电流不能被切断，实现直流侧故障电流的闭锁，只能够依靠交流断路器来切断交流电流，从而造成系统停运。

3.1 钳双子模块并联拓扑

Alstom 等公司将STATCOM 中广泛使用的全桥子模块拓扑结构（Full Bridge Sub Module，FBSM）引入柔性直流输电领域。该拓扑可以闭锁直流侧短路电流，但与MMC 半桥子模块相比，全桥子模块拓扑代价不菲，IGBT 数量增加了一倍。

为降低全桥子模块换流器中电力电子器件数量且仍然具有直流闭锁能力，R.Marquart 也对MMC子模块内拓扑做出了改进，提出了如图2 所示钳双子模块拓扑（Double Clamp Sub Module，DCSM）。该子模块通过在全桥子模块中增加了一个IGBT、一个电容器和两个二极管，使子模块可输出三个电压2uc、uc、0，与全桥拓扑相比降低了单位电压需要的器件数量。

图2 钳双子模块拓扑Fig.2 The double clamp sub module

该子模块正常运行时，钳位IGBT VT5 一直导通，此时钳双子模块等效为两个MMC 半桥子模块。当直流侧发生短路故障时，控制系统闭锁所有IGBT，此时的短路电流通路如图3 所示，类似全桥子模块，短路电流将被闭锁。

图3 桥臂电流路径Fig.3 The arm current path of DCSM

从图3 可以看出，在故障期间，两个储能电容呈现出不同的连接形式，且正常时由于采用了两个模块并联，结构上呈现出一定的耦合性，从而可能造成控制和均压复杂。

3.2 串联双子模块拓扑

当直流侧发生故障的时候，由图1 可知，当上、下桥臂电流都大于零的时候，此时桥臂电流对电容进行充电，从而能够限制短路电流。而当上、下桥臂电流都小于零的时候，由于IGBT 的闭锁，造成了此时反并联二极管的导通，从而上、下桥臂等效为短路状态，此时故障程度最大。因此只要改变反向桥臂电流路径，并且仍然能够实现对电容的充电操作，就可以起到限制短路电流的目的。在不改变传统MMC 中子模块间串联连接方式的前提下，论文对其半桥结构进行了改进，拓扑电路如图4 所示。其中1 和2 号端子构成输出端，3,3 相连。

图4 串联双子模块拓扑Fig.4 The series connected double SM

由于正常运行时，两个子模块间为串联连接方式，因此与传统MMC 相比，控制策略、调制策略和均压策略都没有什么不同，两个子模块SM1 和SM2 具有各自独立工作状态。表1 为SDSM 的开关状态表，其中1 表示导通，0 表示关断。

表1 SDSM 开关状态表Tab.1 The switch states of SDSM

VT1和VT5开通，VT2关断，此时模块1 输出电容电压；VT2和VT5开通，VT1关断，此时模块1旁路；VT4和VT5开通，VT3关断，此时模块2 输出电容电压；VT3和VT5开通，VT4关断，此时模块2 旁路；VT1开通，VT2关断，VT4开通，VT3关断，VT5开通，此时模块输出为两个电容电压之和；VT1、VT2、VT3、VT4和VT5均闭锁时，此时两个模块电容之间串联，桥臂电流对模块电容进行充电。

当直流侧发生故障的时候，系统闭锁，此时的故障电流流通路径如图5 所示。此时无论桥臂电流是正向流动还是反向流动，都能够保证两个电容之间是串联的关系，且总是处于充电的状态，从而加快故障电流的消除。同时由于直流电流的闭锁能力，所以传统半桥中的保护晶闸管不再需要。

图5 桥臂电流路径Fig.5 The arm current path of SDSM

与DCSM 一样，在正常运行过程中由于VT5和VD5的存在，相对半桥结构增加了系统的导通损耗，文献[9]对模块额外损耗进行了分析，得出了功率损耗影响不是很大的结论。

表2 为半桥拓扑、全桥拓扑，双钳位拓扑和串联双子模块拓扑结构在输出单位电平时所需要的器件个数。从表2 可以看出，论文对半桥拓扑结构的改进，即实现了对于直流侧故障电流的阻断能力，同时也避免了全桥结构器件过多问题。

表2 单位电平下不同拓扑所需器件个数Tab.2 The device number of different topologies

4 直流侧故障特性分析

由于传统的MMC 不具备直流侧故障时短路电流抑制功能，因此需要闭锁IGBT，触发保护晶闸管，进而交流断路器动作，系统停运，因此很少有文献对直流侧故障进行分析。而具备了直流闭锁功能的MMC 能够实现直流侧故障电流的抑制，因此不再需要交流断路器动作，从而避免了系统的停运，因此在故障期间可以设计不同的控制策略，更好地发挥两端系统的作用。

直流线路可能发生故障有单极接地故障、两相短路故障和断线故障[14]。对于断线故障，由于直流电流为零，正常的功率传输关系被打破，所以对运行于整流状态的MMC 而言，因为此时输出功率为零，从而造成电容过度充电和电压上升，而对于运行于逆变状态MMC 而言，在未改变控制策略下，由于输入功率为零，造成桥臂中作为储能的电容放电，进而电压下降和系统失稳。但是无论是工作于整流状态还是逆变状态，只要故障后采用定直流电压控制，则能够保证直流电压的稳定，此时两端系统自动转换为静止无功补偿模式，或闭锁待机状态。

对于单极接地故障，由于变压器阀侧采用三角形接线方式，此时直流侧接地点不能够和阀侧形成回路，理论上不会有接地电流出现。但是考虑到线路的分布参数影响，此时接地点与线路对地电容之间形成回路，造成对地电容的充放电，因此直流电流会出现小幅振荡过程，随着充放电过程的结束，接地极对地电压最终降低为零，直流电流恢复正常。对于非接地极而言，此时对地电压翻倍，而两极电压保持不变，因此对直流母线电压影响不大，此时系统可以转换为单级运行。但是由于直流侧非接地极线路对地电压翻倍，对于电缆线路可能会带来过电压问题（而对于架空线路，过电压问题可能不是很大）。对系统交流侧而言，单极接地改变了直流系统电位的参考点位置，因此根据故障前和故障后直流侧电压udc，上、下桥臂电压ua1、ua2和阀侧电压ua关系式（1）和式（2），可以推出式（3），即阀侧交流对地电压出现0.5udc的直流偏置。但只要系统满足过电压要求，理论上是可以转换为单级运行模式。

两极短路故障是直流侧最为严重的故障，由于直流线路短接，两侧换流器中的子模块电容通过短路路径快速放电，直流两极电压会很快衰减到零，整流器与逆变器之间的功率传输将立即终止，随之两侧交流系统近似于发生三相短路故障，严重危害整个系统的安全运行，此时只能依靠换流器的闭锁功能，实现电流的抑制。当传输线路采用电缆时，一般为永久性故障，因此，系统应该首先闭锁换流器，当监测到直流线路电流为零的时候，断开两端的隔离开关，然后进行线路的维修和更换。而对于采用架空线路的情况，如果发生的为暂时性故障，此时同样应闭锁换流器，待直流电流为零后解锁，系统重新启动和投运。同样对于永久性故障则只能够闭锁，待直流母线电流为零后跳开隔离开关，然后进行线路维修。对于永久性故障，由于MMC 具有直流故障电流的阻断能力，所以跳开隔离开关后，两端系统可以转换为无功补偿运行模式，以对系统提供无功支持或者闭锁待机状态。综上分析，直流侧故障控制过程如下:

（1）两端系统实时监测正、负极直流母线电压和电流。

（2）根据监测数据判断直流侧故障类型。（断线故障，直流电流为零，母线电压上升或下降；单极接地故障，接地极对地电压为零，两极电流出现振荡，并最终稳定；两极短路故障，直流电流出现突变且大幅振荡，且两极电压为零）

（3）如果为单极接地故障，输电设备能够满足绝缘要求，则不需要闭锁换流器，转换为单极运行模式，否则，转到步骤（4）；如果为断线故障，则跳开两端隔离开关，转到步骤（5）。

（4）闭锁换流器，并监测直流电流，当电流为零时跳开两端隔离开关。

（5）根据系统要求转换工作状态，STATCOM或闭锁待机状态。

5 仿真分析

为验证本文设计的子模块拓扑结构和直流侧故障控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC 搭建两端MMC-HVDC 模型，进行了仿真分析。直流电压Udc=±200kV，额定容量450MV·A。MMC1 采用定直流电压、定无功功率控制，MMC2 采用定有功功率、定无功功率控制，SW1、SW2、SW3和SW4为隔离开关，采用IGBT-CB[14,15]，采用文献[16-18]中的半桥子模块拓扑结构的调制策略和均压策略。

图6 两端仿真模型Fig.6 The two terminal simulating model

5.1 正常下直流侧电压电流特性分析

图7 为系统正常运行下的直流侧电压、电流波形。

图7 正常运行波形Fig.7 The wave forms of MMC under normal condition

在图7a 中，正负极直流母线电流具有大小相等的特点；在图7b 中，正负极直流母线对地电位相等，其电位差为直流母线两极电压。

5.2 直流侧故障分析

对直流侧永久性单极接地和两极短路故障进行了仿真分析，故障发生时间在1s，距离两端换流站50km，线路采用架空线路。

系统发生单极接地故障时，从图8a 中可以看出，正极母线电压被拉为零电位，而负极母线对地电压加倍，同时正负极直流母线电压差保持不变。对于阀侧交流电压而言，如第4 节中分析，此时三相交流电压对地会出现直流偏置现象，如图8b 所示（偏置了200kV）。由于对地电容，直流母线侧可以认为有无数个接地点，而当直流母线发生接地故障的时候，对地电容将通过接地点构成放电回路，此时直流侧会出现接地电流，但是随着电容放电过程的结束，接地电流会逐渐衰减为零，正负极电流也将恢复为正常，如图8c 所示。

图8 单极接地故障电压、电流波形Fig.8 The waveforms under positive pole to ground fault

单极接地故障对交流电流没有产生影响，如图8d 所示，只是造成负极母线对地电压翻倍，从而对电缆的耐压能力提出考验。此外由于交流电压的直流偏置，对交流设备的绝缘能力提出了考验。如果能够满足绝缘要求，系统可以保持单极运行模式。

图9 为两极短路故障仿真波形。从图9a 可以看出，在闭锁换流器后桥臂电流迅速衰减，从而实现了对桥臂器件的保护，（考虑信号采集和处理时间，闭锁信号延迟0.5ms）而在图9b 中，交流电流同时也衰减为零，从而避免依靠断路器来切断故障电流。在图9c 中，由于桥臂电容电压的作用，直流电流很快衰减为零，此时可以触发两端隔离开关，从而可以进行线路的维修和更换工作。

图9 两极短路电流波形Fig.9 The waveforms under pole to pole fault

6 结论

论文首先总结分析了模块化多电平不同子模块拓扑结构特点。在直流侧发生故障的时候，针对传统半桥型拓扑不能够实现直流电流阻断问题，对其拓扑结构进行了改进，构造了具有直流电流阻断能力的双子模块串联拓扑结构，即避免了全桥拓扑器件过多的问题又解决了双钳位并联拓扑结构的耦合问题，从而在一定程度上消除了影响MMC-HVDC输电中架空线路应用、以及构建多端直流输电拓扑时的瓶颈问题，同时也避免了只能依靠两端系统的交流断路器来实现故障处理。为了提高系统的故障穿越能力，在对直流侧故障特性分析的基础上，设计了相应的控制策略。最后在PSCAD/EMTDC 中搭建的21 电平MMC-HVDC 双端仿真模型基础上，对控制策略进行了研究与仿真验证，仿真结果验证了其有效性。

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