MMC拓扑无变压器并网存在的问题和解决措施

连建阳，邱德锋，姜田贵，吴 婷，谢晔源

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

0 引言

城市电网是城市现代化建设的基础设施之一，是电力系统的主要负荷中心，具有用电量大、负荷密度高、可靠性和供电质量要求高等特点。柔性直流输电技术可在不增加短路容量的情况下，实现供电系统不同分区的合环运行，控制系统潮流方向，维持交流系统电压和频率稳定，为故障后负荷快速恢复提供支援。不同分区互联之后，可减少系统备用容量，在不新增线路情况下，提高系统的供电能力[1-3]。

MMC（模块化多电平换流器）拓扑自2001年被提出，受到学术界和工业界的广泛关注，现有大部分柔性直流输电工程均采用该拓扑[1，4]。在2010年和2011年的国际电力电子会议上提出了广义MMC的概念，以子模块为功率单元，并根据结构不同分为3种基本类型：HBSM（半桥子模块）、FBSM（全桥子模块）、 CDSM（钳位双子模块）[5-6]。

基于HBSM的MMC-HVDC损耗低、控制简单，但不能抑制直流短路电流，在直流侧发生双极故障时，故障电流会达到10 kA以上，并且流过IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的反向并联二极管，烧毁器件，为此需要在HBSM的两端并联晶闸管以提供短路电流通道。另外，由HBSM-MMC构成的多端直流输电系统不能迅速隔离直流线路故障，制约了其在直流电网的发展[7，14-16]。

基于FBSM的技术弥补了这一不足，在发生故障时通过闭锁换流阀，使得故障电流为子模块的电容充电，通过电容电压的抬升来抑制交流电源对短路点的电流。但是FBSM会带来损耗的增加和工程造价的提高，为了降低其带来的不利影响，研究人员提出了各种子模块和换流器的拓扑，CDSM是其中最有代表性的一种，利用2个HBSM结构和钳位电路构成了CDSM。但是包括CDSM在内的众多改进方案通过对子模块的结构进行重新组合，虽然解决了抑制直流短路电流的问题，但往往也带来控制复杂、可靠性降低等问题[8-9]。

文献[10]介绍了一种无换流变压器混合子模块柔性环网控制器，桥臂一半是全桥子模块，一半是半桥子模块。该拓扑可抑制交流电源对短路点的电流。但是该拓扑有两个缺点：一是当系统惯性较大时，只有全桥子模块承受短路电流，会导致全桥子模块过压损坏。二是该拓扑还有一半的全桥子模块，全桥子模块会带来损耗的增加和工程造价的提高。

文献[11]提出了一种桥臂串联阻尼模块的拓扑，文献[12]介绍了该拓扑在舟山五端柔直工程的应用方案。该拓扑可以在直流故障时迅速衰减故障电流，为直流极线上的直流断路器切除故障创造条件，同时加速了剩余健全系统的重启过程。整个故障隔离和系统重启过程在数百毫秒内完成，实现了柔性直流输电系统的故障快速恢复。

文献[13]分析了双极短路情况下，具有桥臂阻尼的半桥型模块化多电平换流器在故障后能加快故障电流的衰减速度，实现系统快速重启动。

为减小占地和降低成本，本文分析了柔直换流器不通过变压器而直接接入10 kV交流电网带来的问题和解决方案。主要针对10 kV经消弧线圈接地的城市配电网系统，搭建PSCAD/EMTDC仿真模型，分析无换流变压器的桥臂串联阻尼模块的MMC拓扑的交流和直流故障穿越特性，通过理论分析和仿真验证了该拓扑具有交流侧故障穿越和直流侧故障抑制能力，满足城市电网对柔性换流器拓扑可靠性、经济性、占地和故障特性的要求，为选取最佳的工程适用方案提供参考。

1 MMC拓扑不通过变压器并网存在的问题

城市电网的柔性换流器拓扑需要考虑可靠性、占地、经济性和故障特性。柔性直流输电系统中换流变压器的作用主要有：使换流器输出的交流电压与电网电压相匹配；作为连接阻抗的一部分；在发生不对称故障时阻隔零序电流。省去换流变压器，可节约城市占地和设备造价，降低损耗（无变压器损耗）。MMC拓扑如图1所示，包括半桥功率模块和桥臂电抗器。

图1 MMC拓扑

本文针对10 kV经消弧线圈接地的城市配电网系统，搭建两端柔性直流输电系统的PSCAD/EMTDC仿真模型，仿真参数如表1所示，交流系统参数选用杭州大江东区域配电网典型参数。

表1 仿真参数

为了便于分析，所有故障的发生时刻均为1.5 s，持续0.1 s后故障恢复。

1.1 直流侧单极接地故障

交流10 kV配电网普遍采用经消弧线圈接地。无换流变压器方式下，直流侧发生单极接地故障后，柔直换流器快速闭锁，闭锁后系统等效电路如图2所示。其中，LG为系统消弧线圈；Ra，Rb，Rc为系统等效阻抗；La，Lb，Lc为桥臂电抗器。该电路类似三相半波整流电路，三相电流交替过零。断路器Qf分闸动作，只能分开两相，另外一相需要等待电流过零之后才能分开。

图2 直流侧单极接地后等效电路

下面分析断路器Qf两相分开、一相没有分开的工作情况。该情形类似于一阶激励响应，其电流满足式（1）：

式中： i（∞）为稳态响应； i（0+）为初始值；时间常数 τ=（La+LG）/Ra。

系统阻抗小，感抗大，导致时间常数τ较大，一般为十几秒到几十秒。以本仿真系统为例，其仿真波形如图3所示。在没有增加桥臂阻尼的情况下，经过0.3 s，直流分量的衰减小于10%。该直流分量带来2个危害：将导致后备保护动作，故障范围扩大；换流器长期耐受过电流冲击，导致设备内部的电力电子器件过热损坏。

图3 直流侧单极接地故障仿真波形

1.2 直流侧双极短路故障分析

无换流变压器方式下,直流侧发生双极短路故障后，柔直换流器快速闭锁，闭锁后系统等效电路如图4所示。其中，LG为系统消弧线圈；Ra1， Rb1， Rc1， Ra2， Rb2， Rc2为系统等效阻抗； La1，Lb1，Lc1，La2，Lb2，Lc2为桥臂电抗器。

图4 直流侧双极等效电路

直流侧双极短路主要有2个危害：

（1）双极短路期间，系统类似三相不控整流电路，系统阻抗较小，断路器Qf分闸动作时间一般为50～100 ms，这期间，桥臂电流达到几千安甚至几十千安，对换流器内部的电力电子器件造成了极大的冲击。

（2）断路器Qf分闸后，桥臂电流通过短路点进行续流。该续流回路为一阶零输入响应，其时间常数τ=La1/Ra1，一般为秒级。故障电流的长时间存在不利于系统的重启和快速恢复。

图5是直流侧双极短路故障情况下，无桥臂阻尼桥臂电流波形。无桥臂阻尼模块，桥臂电流峰值达到5 kA，故障电流过零时间超过0.3 s。

图5 直流侧双极短路故障桥臂电流仿真波形

2 桥臂串联阻尼模块MMC拓扑结构及运行原理

桥臂串联阻尼模块MMC拓扑如图6所示，包括N个半桥SM（子模块）和M个DM（阻尼模块）。桥臂阻尼模块由IGBT和电阻并联组成。

图6 桥臂串联阻尼模块MMC拓扑

阻尼模块有2种工作状态，分别为旁路状态和阻尼状态。处于旁路状态时，T1导通，阻尼电阻R1被旁路；处于阻尼状态时，T1关断，阻尼电阻将串入桥臂中。

阻尼模块的工作状态与换流器的解闭锁状态保持一致。当换流器解锁时，阻尼模块工作于旁路状态；当换流器闭锁时，阻尼模块工作于阻尼状态。故障发生时，保护动作闭锁换流器，桥臂中的阻尼模块均工作在阻尼状态，此时桥臂中等效为串入了较大的电阻，能够对故障电流进行限制，同时在进线断路器跳开后，能够使桥臂中的电流快速衰减，为故障隔离和快速恢复创造条件。

阻尼模块的工作状态与换流器的解闭锁状态保持一致，因此与常规的MMC控制策略基本相同，不会增加控制系统的复杂性。

3 桥臂串联阻尼模块MMC拓扑故障分析

3.1 直流侧单极接地故障

无换流变压器方式下,直流侧发生单极接地故障后，柔直换流器快速闭锁，闭锁后投入阻尼模块。

增加桥臂阻尼后，其电流波形如图7所示，可保证电流在0.2 s内过零，保证断路器可靠分闸，保护设备安全。

3.2 直流侧双极短路故障

无换流变压器方式下,直流侧发生双极短路故障后，柔直换流器快速闭锁，闭锁后投入阻尼模块。

桥臂串联阻尼模块可以有效减小直流双极短路的危害，主要体现在以下2个方面：

（1）换流器闭锁的同时阻尼模块投入，可以把桥臂短路电流限制在几千安。

（2）阻尼模块投入后，可以把放电时间常数缩短为毫秒级，为系统的快速恢复提供可能。

图7 直流侧单极接地故障仿真波形

图8 是直流侧双极短路故障情况下，有桥臂阻尼桥臂电流波形。无桥臂阻尼模块桥臂电流峰值达到5 kA，故障电流过零时间超过0.3 s。增加桥臂阻尼模块后，桥臂电流的峰值为2.3 kA，故障电流在1 ms内过零。

图8 直流侧双极短路故障桥臂电流仿真波形

4 结论

柔直换流器不通过换流变压器而直接接入10 kV城市配电网系统会带来如下3个问题：

（1）当交流侧发生单相接地故障时，故障侧的零序电压会传导到非故障侧，导致非故障侧也有零序电压。

（2）当直流侧发生单极接地故障时，交流侧会存在较大的直流偏置电流导致断路器无法正常分闸。为解决该问题，本文推荐在桥臂中串联阻尼模块，加速直流偏置电流的衰减。本文推荐的参数可使直流偏置电流在0.1 s左右衰减到0。

（3）无换流变压器之后，导致系统短路阻抗较小。当发生直流双极短路时，短路电流将达到数十千安，进而导致换流阀损坏。桥臂增加阻尼模块，并在故障时快速投入阻尼模块，可有效抑制故障电流幅值。本文推荐的参数可使直流短路电流幅值小于2.5 kA，有效解决了该问题.

通过对各种故障类型的分析可知，桥臂串联阻尼模块的MMC拓扑具有交流侧故障穿越和直流侧故障抑制能力，且减少了换流变压器，降低了成本，减少了占地，可满足城市电网对柔性换流器拓扑可靠性、经济性、占地和故障特性等的要求。