柔性直流配电网MMC 子模块级联数量优化设计

王朝亮，吕文韬，许 烽，陆 翌，李继红

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

SNOP（柔性多状态开关）是一种具有潮流互济和电压支撑功能的新型电力电子装置，与常规开关相比，不仅具备通和断2 种状态，而且增加了功率连续可控状态，兼具运行模式柔性切换、控制方式灵活多样等特点，可避免常规开关倒闸操作引起的供电中断、合环冲击等问题，还能缓解电压骤降、三相不平衡现象，促进馈线负载分配的均衡化和电能质量改善，给配电网的运行带来诸多益处[1-2]。

为解决杭州江东配电网的典型问题并起到示范作用，杭州江东新城智能柔性直流配电网示范工程（以下简称“示范工程”）实施建设，在杭州市萧山区大江东新城临江工业园内建设一座SNOP站，采用三端背靠背MMC（模块化多电平换流器）结构[3-6]，实现江东新城配电网2 个10 kV 和1 个20 kV 供区互联，解决江东地区20 kV 和10 kV混供区互联存在的压差和角差问题，提升供区互济能力，增强供区边界的供电能力。

MMC 桥臂子模块数量是MMC 工程重要设计参数，MMC 一般采用半桥子模块结构[7-9]。文献[9-10]提出了半桥子模块的MMC 桥臂子模块数量配置方法，但未述及全桥型MMC（采用全桥子模块的MMC）桥臂子模块数量配置方法。本文基于示范工程的实际需要，对SNOP 三端MMC桥臂子模块级联数量进行了工程设计， 提出了MMC 桥臂子模块数量设计原则，针对全桥型MMC直流侧电压与交流侧电压不匹配的情况，提出了全桥型MMC 桥臂子模块数量的设计方法并进行了优化。

1 示范工程总体方案

示范工程建设±10 kV 电压等级的SNOP 站1座，其主要由±10 kV 直流母线、MMC 站（T1 站、T2 站和T3 站）和直流接口模块组成，具体接线如图1 所示。

图1 示范工程接线示意

T1 站交流侧与新湾变下的10 kV 供区相连，T1 站直流侧接入直流母线；T2 站交流侧与长征变下的10 kV 供区相连，T2 站直流侧接入直流母线；T3 站交流侧与临欣变下的20 kV 供区相连，T3 站直流侧接入直流母线。

为了方便直流负荷的接入，在±10 kV 母线上引出直流出线到直流断路器，经直流变压器变为±375 V 后，通过低压电缆与电动汽车快充站充电桩连接，并预留了接口，方便后续光伏接入。

示范工程SNOP 采用三端背靠背MMC 结构，MMC 一般会通过联接变压器匹配交流电压来接入交流电网，但由于联接变压器使得SNOP 站成本和占地大幅度增加，并且与示范工程要求的集装箱紧凑化设计要求相违背，故示范工程SNOP三端均不加装联接变压器，三端MMC 均直接接入交流电网。

示范工程属于配网工程，为了节省造价，开关器件采用耐压1.7 kV 的IGBT（绝缘栅双极晶体管），其参数为1.7 kV/650 A。一般工程设计开关器件耐压为子模块额定电容电压的2 倍左右，同时考虑换流器故障到闭锁，子模块电容电压上升的极限值不得超过1.7 kV，综合计算确定示范工程子模块额定电容电压Uc为0.91 kV 较为合适。

2 MMC 桥臂子模块数量设计原则

MMC 的拓扑结构如图2 所示，包括3 个相单元，每个相单元包含上、下2 个桥臂。每个桥臂由N 个相同的子模块串联组成，6 个桥臂具有很好的对称性，L 为桥臂电抗器，R 为桥臂等效杂散电阻。其中ix（下标x=a，b，c，下同）为交流电流，usx为交流系统输出的相电压，p 和n 分别代表正、负极直流母线，它们相对于参考中性点O 的电压分别为Udc/2 和-Udc/2，uxp和uxn分别为上、下桥臂的桥臂电压，Udc为直流电压。

图2 MMC 的拓扑结构

由图2 可知，忽略桥臂电抗和桥臂等效杂散电阻且不考虑冗余，单个MMC 桥臂至少能够承受0.5Udc和交流相电压峰值之和，即：

式中：Uc为子模块额定电容电压；N 为单个桥臂子模块个数；ULL为交流线电压有效值。

目前，MMC 一般采用半桥子模块结构，调制比m 不会超过1，可以表示为交流相电压峰值和0.5 倍直流电压的比值，即：

由公式（2）可知，交流相电压峰值小于0.5 倍直流电压，本文定义此种情况为直流电压与交流电压匹配。进一步推证，只要满足公式（3），必然满足公式（1）。

工程设计中一般采用公式（3）计算MMC 桥臂子模块数量N，即：

综上，常规MMC 桥臂子模块数量N 的设计原则为：在直流电压与交流电压匹配的前提下，MMC单个桥臂子模块数量N 能够有效支撑直流电压。

需要补充的是，根据文献[11-12]可知，当MMC 交流侧没有配备交流滤波器时，为保证交流侧电能质量满足标准要求，通常MMC 桥臂子模块数量不能小于20 个。

3 T1 和T2 桥臂子模块数量设计

T1 站和T2 站交流侧电压均为10 kV，直流电压均为20 kV，其参数设计相同，故两站MMC子模块数量N 设计也是相同的。由于T1 站和T2站直流电压与交流电压匹配，两站均采用半桥子模块结构，子模块额定电容电压Uc为0.91 kV，故根据上文的MMC 桥臂子模块数量设计原则，采用公式（4）计算可得：

根据计算结果，T1 站和T2 站MMC 桥臂子模块数目N 取整，设计为22。

同时，根据紧凑化设计要求，两站MMC 交流侧均不配备交流滤波器，由于N 设计为22，大于20，必然可以满足电能质量要求。

4 T3 桥臂子模块数量设计

T3 站直流电压为20 kV，交流侧线电压也为20 kV，直流电压与交流电压显然不匹配。通常情况下，采用加装交流变压器对交流电压降压以满足电压匹配要求，但由于示范工程要求采用紧凑化设计，同时为了节约占地空间和成本，全站要求不加装交流变压器。

由于T3 站直流电压与交流电压不匹配，且不得加装交流变压器，T3 站MMC 必然不能选用半桥子模块结构，只能选用全桥子模块结构。在这种情况下，前文提出的MMC 桥臂子模块数量设计原则就不再适用，需要提出新的优化设计方法。

4.1 全桥型MMC 桥臂子模块数量设计方法

由于单极直流电压小于交流相电压峰值，故全桥型MMC 单个桥臂必然会出现负值。 S 表示任意子模块的开关函数，其与子模块输出电压的关系如公式（6）所示：

参照图2，全桥型MMC 上、下桥臂实际输出电压如公式（7）所示：

式中：K1为任意时刻各相负责支撑直流电压的子模块数量的代数和；K2为桥臂中最多同时输出负电压的子模块数量；Spi和Spj分别表示x 相上桥臂第i 个和第j 个子模块的开关函数；Sni和Snj分别表示x 相下桥臂第i 个和第j 个子模块的开关函数（i=1，2，…，k1；j=1，2，…，k2）。

在直流电压与交流电压匹配的前提下，MMC单个桥臂子模块数量N 能够有效支撑直流电压，这是基于全部子模块采用半桥子模块结构而言的。对于全桥型MMC，这一原则应该扩展为全桥型MMC 桥臂子模块数量N 的选择保证任一相上、下桥臂投入的子模块输出电压的代数和能够有效支撑直流电压。当某一相上桥臂全部子模块正向投入时，其下桥臂必然负向投入K2个子模块，故可得公式（8）：

对公式（8）进行工程简化，即：

式中：Round 为向上取整。

当N 和K2确定后，全桥型MMC 所能输出的最高电平数由（N+1）提高到（N+2K2+1），提高了系统直流电压利用率，理论上会降低损耗，但由于K2的引入，增加了换流器的开关器件数目，进而又会增加运行损耗。由于可变因素过多，不便于工程应用，参考文献[13-14]，通过计算每个桥臂子模块的通态损耗和开关损耗，并在换流器总损耗最低情况下求解K2/N 值。工程上一般取K2/N≈30%时系统总运行损耗最低，此时全桥型MMC 运行损耗约为半桥型MMC 的130%。为了便于参数取整，简化工程计算，本文将N 和K2的关系简化为公式（10）：

需要说明的是，全桥型MMC 桥臂子模块数目依然需要满足公式（1），这可以作为工程选择判据之一。

4.2 T3 桥臂子模块数量设计

由于3 个MMC 站的所有开关器件相同，T3站子模块额定电容电压Uc也为0.91 kV，采用公式（9）和（10）可得：

进而计算可得N=33，K2=11。

且N=33 满足公式（1）的要求，故T3 站桥臂子模块数目选择为33。

5 工程验证

采用本文的设计方法进行示范工程设计，得到三端MMC 桥臂子模块配置数量（不考虑冗余）如表1 所示。

为验证MMC 桥臂子模块数量配置是否合理，整个示范工程进行了三站投运试验。T3 端为定直流电压控制，直流电压参考值为20 kV，无功功率参考值为0 Mvar；其余站为定有功功率控制，有功功率参考值为0 MW，无功功率参考值为0 Mvar。根据程序预设的“极连接-充电-解锁”等步骤，实现三站自动启动，启动过程平滑顺利，无异常。三端启动波形如图3—5 所示，图中展示量依次为三相交流电流、三相交流电压、正极直流电压、负极直流电压、直流电流以及解锁信号。

表1 MMC 桥臂子模块配置数量

图3 三端启动T1 站波形

图4 三端启动T2 站波形

图5 三端启动T3 站波形

整个示范工程顺利通过了试运行考验，并于2018 年8 月29 日投运，进一步验证了本文设计的有效性。

6 结语

本文基于杭州江东新城智能柔性直流配电网示范工程的实际需要，对SNOP 三端MMC 桥臂子模块级联数量进行了工程设计，提出了MMC桥臂子模块数量设计原则，针对全桥型MMC 直流侧电压与交流侧电压不匹配的情况，提出了全桥型MMC 桥臂子模块数量的设计方法，并通过示范工程验证了其有效性。