具有直流故障清除能力的MMC子模块及其选取方法

韩朋乐

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450001）

0 引 言

模块化多电平变换器（MMC）采用子模块串联结构，可提高系统功率和电压等级，实现电压的多电平变换输出。在电力电子、电力拖动及电网变换等供配电领域，它具有巨大的应用前景。

实际工作中，MMC由于结构缺陷，导致直流侧发生短路时不能立即闭锁短路，进而损坏子模块结构，影响整个系统的使用。实际工作中，直流侧线路故障是经常发生的故障类型。现有处理方式是使用直流断路器阻断直流侧电路，以防MMC的损坏。但是，此故障规避方式需要大量的断路器设备，增加了成本，且断路器易老化损坏，仍威胁系统安全[1]。

近年来，社会上出现了多种具有直流侧短路阻断能力的MMC子模块。虽然每种子模块的结构不同，但都实现了直流侧短路故障的闭锁清除。由于现有的各种子模块都存在一定缺陷，导致实际选型困难。本文分析了各种常用MMC子模块的工作原理，对比了各种子模块在运行时对系统的影响，阐述了各种拓扑的优缺点，便于工程技术人员实际选型。

1 MMC的基本原理

德国学者R. Marquart和A. Lesnicax于2002年提出了MMC结构。MMC的基本拓扑结构如图1所示，整体类似于一个三相全桥结构，只是将三相全桥中的开关管换成了由若干子模块构成的桥臂，每个桥臂由若干个串联的子模块SM1～SMn构成，且每个桥臂的输出端都串联用于滤波的电感L。此结构使电力变换的设计更加灵活、多变，其中最基本的子模块结构是半桥子模块（HBSM）和全桥子模块（FBSM）。

图1 MMC简化电路

2 具有直流故障清除能力的MMC子模块

基于MMC子模块的基本结构，衍生了多种具有直流故障清除能力的子模块，如箝双子模块、串联双子模块、交叉连接型子模块及混合型子模块等[2]。

2.1 箝双子模块并联拓扑

如图2所示，箝双子模块拓扑（Clamp Double Sub Module，CDSM）在传统的全桥中间母线上并联了一个IGBT开关管，在IGBT两端的母线上分别串联两个二极管，并增加一个并联电容，实现了闭锁能力，减少了输出单位电压所需的器件数量，并使子模块能够输出三个电平——2Uc、Uc及0。

子模块正常运行时，CDSM中的开关管VT5一直导通，使得整个子模块等效为两个半桥子模块。直流侧短路故障发生时，所有的IGBT会被控制系统关断，此时短路电流的通路如图3所示。短路电流不管从哪个方向输入，都会流过两个电容，并从另一端输出。电容的阻断作用实现了短路阻断闭锁，而电流方向的不同使电容的串并联关系不同。

图2 CDSM拓扑结构

图3 CDSM桥臂电流路径

2.2 串联双子模块拓扑

图4 是串联双子模块（Series-connected Double Sub Module，SDSM）的拓扑结构，端子1和端子2是输出端，而两个端子3是相连的。

图4 SDSM拓扑结构

正常运行时，两个子模块SM1和SM2串联，且独立工作，使控制软件和调制方法设计时与传统MMC相同[3]。

当发生直流侧故障时，故障电流的通路如图5所示。不管故障电流从哪个输出端进入，都会流过两个电容C1、C2，并回到输出端，进而实现短路电流的闭锁。同时，两个电容之间在两个短路方向上都是串联，且都由短路电流充电，易排除最终的故障电流。

图5 SDSM桥臂电流路径

2.3 交叉连接型子模块拓扑

图6 是交叉连接型子模块（Cross-connected Sub Module，CCSM）的拓扑结构。这种结构由两个半桥结构和两个IGBT构成，其中两个IGBT连接两个半桥的正负母线[4]。通过对各个开关管的控制，最终可输出五个电平——0、±Uc及±2Uc。

图6 CCSM的拓扑结构

当发生直流侧故障时，全部IGBT断开，输出端的短路电流通过IGBT的反并联二极管和两个电容进行流动，进而实现短路电流的阻断，如图7所示。

图7 CCSM桥臂电流路径

2.4 混合型子模块拓扑

图8 是混合型子模块（Hybrid Sub Module，HSM）的拓扑结构，类似由一个半桥结构和一个全桥结构并联构成。二极管D6是一个IGBT的反并联二极管，但由于一直处于关断状态，所以可省略[5]。这种结构使现有的全桥和半桥IGBT模块易于快速构成，便于使用和调试，可输出四个电平——0、±Uc及2Uc。

图8 HSM拓扑结构

当发生直流侧故障时，关断全部IGBT，两个输出端进入的短路电流会在子模块内部形成一个电流通路，并流过反并联二极管和电容器实现短路电流的阻断，如图9所示。

HSM衍生于传统的全桥结构，提高了输出电平的数量，且结构简单。但是，当短路电流从D3的阳极进入时，短路电流在回路中只流过一个电容，导致短路电流阻断能力降低。

图9 HSM桥臂电流路径

3 各类MMC子模块的性能比较和选取方法

系统输出功率和系统输出电压等级相同时，对比分析各子模块的优缺点，结果如表1所示。对比的参数包括控制复杂度、开关管数量、模块损耗及器件耐压等。由于结构不同，各子模块的应用场景也不同。其中，SDSM虽然控制复杂度高，但是损耗较低，使用的开关管数量较少，降低了成本；CCSM虽然损耗较高，但是对母线电压的承受力较强，可应用于特殊场景。具体应用中，技术人员可根据具体需要进行选择[5]。

由表1可知，传统的FBSM拓扑结构和控制简单，但拓扑损耗较高，对母线电压值的承受力较低，实际应用较少；其余4种拓扑由于增加了额外的开关管或者二极管，提高了控制复杂度，增加了系统损耗，但实现了直流电路闭锁功能。可见，不同子模块拓扑虽然结构差异较大，但都通过对中间电容的充电实现了断路电流的阻断，只是阻断的电流回路各不相同[6]。

具体地，CDSM拓扑和HSM拓扑仅在经典的全桥结构上增加了若干开关管，仍具有经典全桥结构的优点，如控制系统更加容易设计且改动较小，普遍应用于实际工程；SDSM拓扑和CCSM拓扑对经典全桥的改变较大，特别是SDSM拓扑结构，直接改变了全桥四开关的串联模式和整个子模块的功能结构。因此，控制系统设计和硬件设计时，需增大调试投入，充分仿真分析，以避免运行电路功能的失调[7]。

选择MMC子模块拓扑时，需综合考虑设计成本、控制难度、软硬件变更的大小、整个系统调试的困难度、系统运行的稳定性、系统损耗及成本等因素，如表2所示。

4 结 论

目前，MMC模块是直流电网故障隔离和消除的研究热点。使用不同的MMC子模块的拓扑结构进行短路电流的阻断，提高了现有电网运行的可靠性和灵活性，减小了现有电网系统中使用的断路器个数，降低了系统成本。因此，本文总结常用子模块的拓扑结构，分析各种直流短路阻断的原理，得到了基于不同考虑情形的选择方法，可为工程技术人员提供参考。

表1 不同子模块参数比较

表2 子模块结构的折衷考虑表