应用于智能配电网的子模块混联MMC-HVDC系统配置及启动策略

苏 欣 ，王玥娇 ，施 雨 ，张 浩 ，程 艳 ，滕 玮 ，王士柏 ，刘 博，王俏俏，张海龙

（1.济南供电公司，济南 250012；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250002；3.西安许继电力电子技术有限公司，西安710075）

模块化多电平换流器MMC（modular multilevel converter）由 Marquardt教授于 2001年提出，是一种采用多个子模块级联的多电平电压源型换流器拓扑[1-3]。最早由西门子公司在高压柔性直流输电领域投入到工程应用中，并引发了国内外的广泛关注[4-10]。目前，国内已建成包括±200 kV舟山工程在内的2个基于MMC拓扑的柔性直流输电项目。

现有高压柔性直流输电的工程应用都是采用半桥子模块级联构成桥臂，传输线采用直流电缆。该系统配置下，当系统发生直流双极短路故障时，只能闭锁换流器并跳闸交流断路器[11]，不仅造成直流停运，同时增加了故障清除后系统恢复重启的复杂度。将架空线引入柔性直流输电系统中，可以克服直流电缆造价高、输送功率受限的缺点[12-14]，但较高的直流故障发生给直流输电系统的安全可靠运行带来极大挑战[15-16]。

现有文献已经对具有直流故障穿越能力的柔性直流换流器拓扑进行了大量研究。大体可以分为3类：第1类是结合传统两电平变流器与模块化多电平换流器MMC结构特点的混合式模块化多电平换流器，包括 HCMC（hybrid cascaded multilevel converter）拓扑和 AAMC（alternate-arm multilevel converter）拓扑等[17-18]；第2类是由钳位双子模块、全桥式子模块等具备直流清除能力的子模块构成的MMC[19]。该类子模块同时还包括二极管嵌位式双子模块[20]、钳位单子模块[21]等；第3类是由2种或多种子模块混合级联构成的子模块混联MMC拓扑[22]。第3类拓扑综合了多种子模块的优点，同时具备直流故障穿越能力，提高直流电压利用率，降低系统设备造价和损耗等诸多优点，受到了广泛关注。

本文在混合子模块式MMC拓扑的基础上提出了一种新型系统配置方法，包括系统子模块数目配置及子模块参数配置，且对该配置方法提供了匹配的启动策略。同时在Matlab/Simulink环境中搭建系统仿真模型，验证了该新型系统配置方法及其启动策略的可行性及有效性。

1 MMC-HVDC系统简介

1.1 MMC拓扑介绍

MMC换流器拓扑结构如图1所示。它由三相6个桥臂组成，桥臂采用子模块级联的方式，均由N个子模块及1个电抗器串联构成。同相的上下桥臂构成1个相单元。混合子模块MMC换流器的每个桥臂由2种或多种子模块构成。

图1 换流器拓扑Fig.1 Structure of converter

1.2 不同子模块介绍

现有文献为MMC拓扑提出了多种子模块拓扑，但较为常用的为半桥子模块HBSM（half bridge sub-module）、全桥子模块 FBSM（full bridge sub-module）和钳位双子模块CDSM（clamping dual sub-module）3类，其在件数、运行电压等方面的对比如表1所示。

表1 3种子模块拓扑在器件数、运行电压等方面的对比Tab.1 Comparison among three sub-module topologies in term of device number,running voltage,etc

子模块混联MMC系统能够综合利用不同子模块的优点，如利用全桥子模块输出负电压的能力应用于高直流电压利用率场合，进而提升系统容量；利用钳位双子模块和全桥子模块等子模块闭锁时在故障电流下能提供反电势的能力以隔离交流系统与直流故障点；利用半桥子模块IGBT器件数少、损耗低的优势降低成本，该方面钳位双子模块次之，全桥子模块最差。

1.3 直流故障穿越机理

直流双极短路故障发生后，会形成如图2所示的故障回路，若采用传统的由半桥子模块组成的MMC换流器，交流系统会经过故障回路对直流故障点馈入故障电流。对电网稳定性造成影响，同时会损坏换流阀等电气设备。而采用本文所述的包含全桥子模块和钳位双子模块的MMC，在故障发生后对换流器进行闭锁，此时全桥子模块和钳位双子模块在故障电流回路表现为一个电容电压的反电势，系统等效电路如图2所示。故障电流回路具体由交流侧电势最高的一相（如图2中A相），经过A相上桥臂的桥臂电抗器、全桥子模块和钳位子模块中的二极管及电容器，正极直流线路，系统直流短路点，最后经交流侧电势最低的一相（如图2中C相）的桥臂电抗器、子模块二极管及电容器，流入交流系统形成完整回路。

图2 子模块混联MMC直流短路故障等效电路Fig.2 Equivalent circuit of sub-module hybrid MMC DC short-circuit fault

该回路中，全桥子模块和钳位双子模块中的电容器均能提供反向电动势（如图3、图4所示），当单个桥臂的全桥子模块和钳位双子模块在直流短路闭锁状态下产生的总反电势 （即电容电压和）超过交流阀侧线电压的一半时，故障回路的电动势之和将与故障电流呈反方向，从而可将故障电流抑制为0，等待故障线路完成去游离后，重新解锁换流器恢复故障前传输功率，即可实现直流故障穿越。

2 新型系统配置

2.1 系统子模块数目配置

系统子模块数目配置需要综合系统成本、损耗、容量以及直流故障穿越能力各方面的要求。通过对各类子模块数目的优化配置，可以使换流器在具备直流故障穿越能力、提升系统容量等优点的同时，最大程度的节约经济成本及减小系统损耗。

前文已经说明，全桥子模块、钳位双子模块及半桥子模块均具备不同的优势，因此根据需求本文可能考虑到将2～3种子模块进行混合级联。若单纯采用半桥子模块和全桥子模块进行混合，则相对应用钳位双子模块系统初期投资和系统损耗较大，若单纯采用半桥子模块和钳位双子模块进行混合，则不具备全桥子模块输出负电压的能力，不能应用于高直流电压利用率场合。

采用2～3种子模块进行混合级联，将使装置的设计和维护变的相对较为复杂，适当降低工程实用性，但任何一种拓扑的工程应用都是各种性能综合考虑的结果。目前，2种子模块混合级联的换流阀已经具备工程应用条件，有较高的市场前景，说明子模块混合级联的工程实现性问题已经得到解决。3种子模块的混合级联与之相比不存在本质区别，同样不存在工程实现性问题。

由于综合采用了多种子模块进行混合级联，因此有必要对各类子模块的数量配置及参数配置进行说明。

首先，可以根据系统容量需求确定全桥子模块个数。在已知的系统有功功率P、无功功率Q、总容量S、直流电压Udc以及受器件电流应力限制的桥臂电流Iarm等条件的约束下，计算电网相电压峰值（换算到阀侧），有

则P、Q全额输出时系统满载调制度为

当k≤1时，不配置全桥子模块；当k＞1时，全桥子模块数配置为

式中，Usm为子模块电容额定电压。考虑系统过载能力及电网电压波动范围，n值取适度裕量后应尽可能小。

其次，根据直流故障穿越能力需求确定钳位双子模块个数。在确定n值后，l值的选取如下

考虑适度裕量后l取值应尽可能小。

最后，为保证最大程度减小经济成本和系统损耗，在确定l值后，n值确定为

2.2 子模块参数配置

由于模块化多电平换流器主要应用于高压大功率场合，子模块的额定电容电压选择主要受到器件约束，因此，全桥子模块和半桥子模块的额定电容电压宜相同，根据功率器件的额定电压选取合理值。而子模块的额定电流主要取决于系统容量对桥臂电流的需求。而子模块的电容容值需要综合考虑子模块电容电压波动程度、成本和体积等因素，同时需要考虑直流故障时不同类型子模块的电压变化量，以及其对故障恢复的影响。

在直流故障发生后，故障电流会流经全桥子模块电容及钳位双子模块电容，对该两种子模块电容进行充电。从而造成该两种子模块电容电压会受直流短路故障电流影响偏离子模块额定电压值。若该电容电压变化过大，会触发子模块过压保护，甚至于损坏子模块。

分析该两种子模块故障闭锁特性，对于全桥子模块桥臂电流全部流过模块电容，而对于钳位双子模块，2个模块电容进行分流，每个电容仅流过一半的桥臂电流。因此，若按传统参数配置，将3种模块电容取相同值，在直流短路故障发生后，直流短路电流对子模块进行充电，将导致全桥子模块电容电压变化量为钳位双子模块电容电压变化量的2倍，而半桥子模块不受该故障电流影响。此时，3种子模块电容电压值将产生较大区别，尤其对于全桥子模块模块电压变化最大，可能会触发子模块过压保护。

在工程实现中，满足各因素条件约束下，为节约成本各器件可取偏小值，此时直流故障时不同类型子模块的电压变化量成为子模块电容容值选取的主要因素。为避免正常选取方案下全桥子模块在直流故障下出现过压保护，本文建议将全桥子模块的电容值设置为半桥子模块及钳位双子模块电容值的2倍，从而保证全桥子模块和钳位双子模块在直流短路故障阶段的电压变化量相同。根据系统需求合理配置各类子模块的电容值选取，从而降低全桥子模块电压变化的同时，有助于系统故障恢复工况下的子模块均压控制。全桥子模块电容值配置不同于其他子模块，在启动及正常运行阶段，依靠换流阀自身的子模块均压控制策略，依然能够保证子模块电压的均压良好，即使在直流短路故障恢复过程，也能将子模块电压快速调整至均衡状态。

图3 钳位双子模块故障闭锁运行Fig.3 Fault blocking operation diagram of CDSM

图4 全桥子模块故障闭锁运行Fig.4 Fault blocking operation diagram of FBSM

2.3 启动策略

前文给出了适合子模块混联MMC-HVDC系统的配置方法，由于使用了多种模块级联，且全桥子模块与其他子模块选取不同的电容值，会对系统的控制保护造成一定的影响。在正常运行控制中，影响较小，主要体现在全桥子模块的电压波动比其他模块小，基本的控制方法不需要进行调整。但不同模块电容的不同会造成充电速度不一致。常规的充电方式不能满足该子模块混联MMC拓扑的正常充电。本文提出了适合该新型系统配置的换流阀启动策略。启动策略分为以下步骤。

（1）自然软启阶段。由于工程上MMC子模块控制单元通过子模块电容取电，因此在零电压启动的过程中，必然要经历一个自然软启阶段。此阶段中IGBT不可控，电容通过反并联二极管充电。正向、负向桥臂电流均为全桥子模块和钳位双子模块进行充电，而半桥子模块只在桥臂电流为正的时间段内充电，因此在自然软启阶段结束后，子模块之间电压略有不同，但将在后续软启均压阶段均压控制中调整回来。

（2）软启均压阶段。若仅通过自然软启充电，子模块电压并不能充至额定值，且存在子模块电压发散的风险，因此有必要进行软启均压。所谓软启均压控制策略，则是通过动态切除部分子模块，从而进一步提升子模块稳态电压。同时通过检测各子模块电压实时值及桥臂电流方向，动态决定切除的子模块。如当桥臂电流为正，即子模块充电时，则应切除子模块电压最高的部分子模块，从而保障桥臂内的子模块电压均衡。

由于不同子模块的特性不同，在不同子模块级联MMC换流器在启动过程中，一般习惯在桥臂电流为负时切除全部子模块，以保证子模块的均衡。半桥子模块桥臂电流为负时，等效为切除状态，该方案可以将其他子模块仿照半桥子模块的特性。本文方法则需无论桥臂电流正负，在同一桥臂内切除一定数量的子模块，其余子模块依然闭锁，达到稳态后切除软起电阻并解锁换流器。

钳位双子模块在充电过程中，令引导IGBT导通，此时充电控制及效果与半桥子模块完全相同。在桥臂电流为正、负时刻，均对全桥子模块进行充电，通过均压作用，能够将全桥子模块的充电能量调整为半桥子模块及钳位双子模块的2倍。鉴于全桥子模块电容值为其他模块的2倍，由此确保通过均压能将不同子模块电压控制均衡。切除的子模块需要动态选择桥臂中电压最高的l个子模块。l的个数的计算公式确定为

启动流程如图5所示，首先投入软启电阻，进行自然软启。当任一子模块电压达到上电电压后，进入软启均压阶段，切除l个子模块继续充电，待系统稳定后，切除软启电阻，继续充电至稳定，解锁换流器，充电过程完成。

图5 混合子模块级联MMC拓扑的启动流程Fig.5 Flow chart of start-up of hybrid sub-module cascaded MMC topology

3 仿真验证

基于前文给出的子模块混联MMC-HVDC系统的一种新型配置方法及启动策略，本节对配置方法及其启动策略的可行性及有效性进行仿真验证。

3.1 仿真模型介绍

在Matlab/Simulink环境下搭建基于3种子模块混联的21电平MMC-HVDC系统的仿真模型，系统结构如图6所示。由于本系统可以应用于智能配电网中，故其结论均能应用于各电压、功率等级的MMC输配电系统中。直流母线电压为±10 kV，系统有功功率20 MW，无功功率6 Mvar，两端的参数完全相同。双端仿真模型相关参数如表2所示。

图6 仿真系统结构Fig.6 Structure of simulation system

表2 双端MMC-HVDC系统参数Tab.2 Parameters of MMC-HVDC

3.2 系统参数配置

根据系统容量需求确定全桥子模块个数，阀侧交流电压可由直流电压、系统容量、桥臂电流等限制条件确定，该系统桥臂限制电流取1 152 A。计算可得

考虑1.2倍电压裕量，调制度取为

保留一定裕量，确定全桥子模块宜取2个。

根据直流故障穿越能力需求确定钳位双子模块个数为

钳位子模块个数宜取7个。剩余4个子模块由半桥子模块填充。本文21电平模型，子模块额定电压取1 000 V，桥臂电流限制为8 502 A，桥臂电抗器电感及半桥子模块电容等参数均按传统MMC成套设计方案设计。本文仅将全桥子模块的电容提高为半桥子模块电容2倍，以确保直流故障正常穿越。

3.3 仿真验证

观察系统站1的仿真波形。站1做定直流电压控制和定无功功率控制，站2做定有功功率控制和定无功功率控制。图7给出了系统启动过程的波形，各变量均采用标幺值表示。从波形可知系统能够正常启动，并保证3种子模块能够均压良好的状态下解锁正常运行。图7中，0～0.06 s为自然软启阶段；在0.06 s时子模块上电，进入软启均压阶段；至0.9 s时达到稳定条件，系统切除软启电阻继续充电；至1.5 s时达到解锁条件，系统解锁正常运行。

图8给出了直流故障穿越阶段的仿真波形，并使用子模块原始参数和新参数做对比。两组参数下系统均能使正常穿越，但原始参数下，全桥子模块电容电压已经超过1.8 p.u.，会触发子模块过压保护，系统直流故障穿越阶段模块电压波形如图9所示。而使用新参数配置下，全桥子模块与钳位子模块电容电压变化基本相同，能够限制在系统允许值，从而保证直流故障穿越能够正常进行。

图7 系统启动过程波形Fig.7 Waveforms of system start-up

图8 系统直流故障穿越阶段波形Fig.8 Waveforms of system on DC fault-crossing stage

图9 系统直流故障穿越阶段模块电压波形Fig.9 Waveforms of sub-module voltage on the system DC fault crossing stage

4 结论

本文基于子模块混联MMC-HVDC系统，提出了一种新型系统配置方法及其系统启动策略，并在Matlab/Simulink中搭建双端仿真模型进行了仿真验证，得到了以下结论。

（1）新型系统配置方法能够在保证直流故障穿越功能和系统过调制功能的前提下，最大程度地减小经济成本和系统损耗。

（2）新型配置方法在直流故障穿越过程中，全桥子模块的电压变化能够有效抑制到与钳位子模块相同值，有益于直流故障穿越过程的正常进行。

（3）匹配的启动策略能够令系统正常启动并解锁，启动过程中3种子模块均压良好。

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