朱晉，韋統(tǒng)振，霍群海，韓立博

(1．中國科學院電工研究所，北京100190;2．中國科學院大學，北京100190)

適用于架空線的MMC-HVDC換流站子單元拓撲系列

朱晉1，2，韋統(tǒng)振1，霍群海1，韓立博1

(1．中國科學院電工研究所，北京100190;2．中國科學院大學，北京100190)

本文提出一系列新型故障隔離型模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)子單元拓撲結(jié)構。與全橋型MMC拓撲結(jié)構相比，使MMC柔性直流輸電具備直流側(cè)故障處理能力的同時，優(yōu)化了建設成本與運行損耗。本文詳細描述了幾種新型拓撲結(jié)構的直流側(cè)故障電流阻斷機理，介紹了一種基于故障隔離型子單元的新型換流站拓撲思路，并搭建了單相實驗樣機平臺，實驗進一步驗證了該類拓撲結(jié)構的有效性。

故障隔離型子單元拓撲;柔性直流輸電;模塊化多電平換流站;直流側(cè)故障隔離

1 引言

模塊化多電平柔性直流輸電技術(MMCHVDC)由于其獨有的優(yōu)勢，被國內(nèi)外學者公認為特別適用于新能源并網(wǎng)、孤島供電、特大型城市電網(wǎng)輸配電、交流電網(wǎng)互聯(lián)等多種應用場合［1-7］。

目前普遍采用的半橋型MMC具有損耗小、成本低的特點，是目前工程中的首選。但是其不具備直流側(cè)故障隔離能力，因此必須采用故障率低的電纜輸電線，而長距離電纜鋪設直接導致柔性直流輸電工程的成本高昂。如何將柔性直流輸電擴展到架空線輸電領域，從而在某些應用場合有效降低成本和鋪設難度，成為目前國內(nèi)外柔性直流輸電領域的研究熱點［8-16］。文獻［12］提出一種MMC子單元旁路采用雙向晶閘管的改進方法，使直流故障等效為三相相間短路，從而故障電流的直流分量自然衰減至零，使閃絡故障滅弧，之后晶閘管等電流過零自然關斷。但是這種方法暫態(tài)故障處理時間較長，且如果直流側(cè)出現(xiàn)非暫態(tài)故障，依然需要依靠交流斷路器保護。有文獻分析了全橋型MMC的直流側(cè)故障隔離能力［13］，這種MMC換流站的建設成本與損耗會大幅增加。另有文獻提出一種采用箝位子單元技術的C-MMC結(jié)構，其在具備直流側(cè)故障隔離能力的同時，在經(jīng)濟性方面具備顯著優(yōu)勢［14-16］，然而這種拓撲與半橋型MMC相比，增加了投資成本和35%的額外運行損耗。

本文提出一系列故障隔離型子單元拓撲結(jié)構，使MMC換流站具備直流故障隔離能力的同時，優(yōu)化損耗和成本。該系列方案控制簡單，易于實現(xiàn)。其穩(wěn)態(tài)運行特性與半橋型MMC基本相同，可完全移植目前已有的站控與閥控策略。直流暫態(tài)故障時閉鎖所有IGBT即可阻斷故障電流，易于實現(xiàn)。本文第2節(jié)到第4節(jié)詳細介紹了三種故障隔離型子單元拓撲工作原理;第5節(jié)介紹了采用這種特殊子單元拓撲的新型多類型橋臂混聯(lián)型MMC實現(xiàn)方案;第6節(jié)選取其中一種子單元拓撲搭建了單相并網(wǎng)MMC實驗平臺，對其故障自清除能力進行了驗證。

2 第一類故障隔離型子單元工作原理

第一類故障隔離型子單元的拓撲結(jié)構如圖1所示。其具有正常和閉鎖兩種工作模式。兩種工作狀態(tài)下對應的IGBT開關狀態(tài)與子單元輸出電壓關系如表1所示。

正常運行情況下，T0持續(xù)導通，二極管D1和D2路徑上無電流，整個拓撲結(jié)構等效為兩種半橋子單元級聯(lián)電路中多加入了一個IGBT(T0)，因此在系統(tǒng)正常工作時，適用于半橋型MMC結(jié)構的各種控制策略均適用于這種子單元結(jié)構。由于T0處于持續(xù)導通狀態(tài)，并且正常工況下，電流不流經(jīng)T0，因此與傳統(tǒng)的半橋子單元相比，每兩個半橋子單元增加的損耗為T0的導通損耗，T0可以采用特殊定制的低導通損耗、高開關損耗IGBT。

圖1 第一類故障隔離型子單元拓撲Fig．1First kind of fault isolation type sub unit topology

表1 第一類故障隔離型子單元開關狀態(tài)與輸出電壓Tab．1First kind of fault isolation type sub unit switch state and output voltage

當換流站檢測到直流側(cè)故障，所有子單元切換到閉鎖模式，此時包括T0在內(nèi)的所有IGBT關斷。其子單元等效故障電流通路如圖2所示。當電流以正方向流過時，C1與C2串聯(lián)接入電路，如圖2(a)所示。當電流以反方向流過時，C1與C2并聯(lián)接入電路，如圖2(b)所示。此時故障電流通路中的各子單元電容電壓疊加，形成反電動勢阻斷故障電流。

上述兩類子單元在正常工作時，可以等效為兩個獨立的單電容子單元，可以采用目前已成熟的MMC閥控策略來進行子單元電容電壓均衡控制。

3 第二類故障隔離型子單元工作原理

圖2 第一類故障隔離型子單元拓撲閉鎖電流路徑Fig．2Latchup current path of first kind of fault isolation type sub unit topology

第二類故障隔離型子單元的拓撲結(jié)構如圖3所示。其工作模式同樣具備正常與閉鎖兩種模式。其與第一類故障隔離型子單元的結(jié)構區(qū)別僅在于二極管的電路連接方式。在正常模式時，與第一類故障隔離型子單元工作原理相同，T0持續(xù)導通，電流不從二極管D0流過。適用于半橋型MMC結(jié)構的各種控制策略均適用于這種子單元結(jié)構。損耗分析原理也與上述第一類故障隔離型子單元相同，不同之處在于其故障之后的閉鎖特性。因此表2僅給出第二類故障隔離型子單元閉鎖之后的輸出電壓特性。

圖3 第二類故障隔離型子單元拓撲Fig．3Second kind of fault isolation type sub unit topology

表2 第二類故障隔離型子單元開關狀態(tài)與輸出電壓Tab．2Second kinds of fault isolation type sub unit switch state and output voltage

由表2可以看出，在故障時，這類故障隔離型子單元無論流入電流方向如何，其輸出電壓始終等于兩倍電容端電壓。即在故障閉鎖之后，無論故障電流方向如何，子單元兩電容均串聯(lián)串入故障電流通路中形成反電動勢阻斷故障電流。

這種拓撲結(jié)構的優(yōu)點在于減少了二極管的使用數(shù)量，并且無論電流方向正反，都能提供兩倍反電動勢從而更快阻斷故障電流。當這種拓撲結(jié)構應用于橋臂混聯(lián)結(jié)構中時，能夠減少特殊故障隔離型子單元的使用數(shù)量。

但是這種拓撲結(jié)構也存在以下不足:D0與T0的最高承受電壓為電容端電壓的兩倍。因此在選取器件時，D0與T0的耐壓范圍選取為其他普通IGBT的兩倍。這在一定程度上增加了單個子單元的制造成本。

4 第三類故障隔離型子單元工作原理

前文所述子單元穩(wěn)態(tài)工作時內(nèi)部均等效為兩個半橋型子單元。第三類故障隔離型子單元的實現(xiàn)思路是將全橋子單元的一個IGBT用二極管替換，如圖4所示。

圖4 第三類故障隔離型子單元Fig．4Third kind of fault isolation type sub unit topology

在穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，T0持續(xù)導通，電流不通過D0，該子單元等效為一個半橋子單元，可輸出零電平和電容C0兩端電壓，如表3所示。

根據(jù)上述分析，在正常模式下，該故障隔離型子單元等效于一個半橋子單元與一個IGBT串聯(lián)，穩(wěn)態(tài)運行時增加了T0的導通損耗，并且每個子單元增加了D0與T0的器件成本。在直流故障閉鎖模式下，無論電流正負，均等效于將電容C0串入故障回路，輸出電壓等效為電容C0兩端電壓。其增加的T0與D0最大耐壓均為C0端電壓，與傳統(tǒng)的半橋型MMC采用的普通器件相同。

表3 第三類故障隔離型子單元開關狀態(tài)與輸出電壓Tab．3Third kind of fault isolation type sub unit switch state and output voltage

由于每個子單元均增加了D0與T0的器件成本以及T0的導通損耗，這種拓撲結(jié)構與全橋型MMC子單元相比雖然成本有所優(yōu)化，但是與文獻中提出的CDSM［15，16］以及上述兩類子單元相比不具備優(yōu)勢。這種拓撲結(jié)構同樣適用于混聯(lián)型橋臂結(jié)構，與半橋型子單元混合使用，配置更加靈活，使整個換流站更加模塊化。

5 基于故障隔離型子單元的換流站拓撲

與全橋型MMC相比，當整個MMC換流站的所有橋臂子單元均采用上述故障隔離型子單元時，整個換流站的損耗與成本均顯著減少，但是仍然存在進一步優(yōu)化的可能。

為了進一步降低損耗與成本，充分發(fā)揮故障隔離型子單元的優(yōu)勢與特點，本文設計了一種基于故障隔離型子單元與半橋子單元結(jié)合的新型換流站拓撲結(jié)構，即在MMC換流站的每個橋臂均采用本文中所提出的某一類故障隔離型子單元與傳統(tǒng)的半橋子單元混聯(lián)。一方面利用故障隔離型子單元的故障隔離特性，另一方面盡可能減少其使用數(shù)量，增加半橋子單元使用數(shù)量，從而實現(xiàn)對換流站成本和損耗的進一步優(yōu)化。

如圖5所示，圖中各橋臂均由m個故障隔離型子單元和n個半橋子單元組成。圖中，S-SM代表前文所述的故障隔離型子單元，HBSM代表半橋子單元。m與n的個數(shù)由采用的故障隔離型子單元類型決定。其數(shù)量關系應滿足以下條件:無論各橋臂電流正負流向時，各故障電流潛在通路路徑中所有故障隔離型子單元接入之后，等效的各故障電流通路的總電勢至少要大于該故障電流通路中交流線電壓的峰值，從而形成反電動勢有效阻斷故障電流。

圖5 混聯(lián)型MMC換流站結(jié)構示意圖Fig．5Schematic diagram of hybrid type MMC converter structure

當直流母線出現(xiàn)短路故障時，圖5中所有子單元的全部IGBT閉鎖，即等效為所有子單元的電容串聯(lián)接入故障電流通路中，形成反電動勢阻斷故障電流。

6 實驗

為了驗證本文所提出的系列故障隔離型子單元故障隔離方案思路的正確性，本文選取第一類典型的子單元搭建了實驗室單相樣機平臺，每個橋臂采用一個故障隔離型子單元與一個半橋子單元混聯(lián)。直流側(cè)通過兩個電容串聯(lián)組成直流母線，在穩(wěn)態(tài)運行時，使單相新型MMC實驗樣機運行在STATCOM狀態(tài)，某一時刻在直流側(cè)并聯(lián)短路等效小電阻，模擬直流雙極短路情況，實驗參數(shù)如表4所示。實驗波形如圖6～圖8所示。

圖6中，上面波形為交流并網(wǎng)電壓，下面波形為交流并網(wǎng)電流。圖7為并網(wǎng)電流和橋臂電流按時間刻度放大的詳細波形。圖8中示波器第一通道和第二通道為第一類故障隔離型子單元內(nèi)C1和C2兩端的波形，第三通道為半橋子單元電容電壓。如實驗結(jié)果所示，在穩(wěn)態(tài)運行時，并網(wǎng)電流和橋臂電流特性以及子單元電容電壓波動特性與傳統(tǒng)的MMC換流器沒有區(qū)別，子單元電容電壓控制在給定值附近，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。當在中間時刻在直流母線并聯(lián)等效短路電阻之后，系統(tǒng)檢測到短路故障閉鎖，各部分電流被迅速阻斷為零，子單元電容電壓維持在閉鎖前電壓附近，不再上升，直流側(cè)故障被有效阻止。

表4 實驗參數(shù)Tab．4Experimental parameters

圖6 并網(wǎng)交流側(cè)電壓波形Fig．6AC side voltage waveform

圖7 并網(wǎng)電流和上下橋臂電流Fig．7Grid current and upper and lower bridge arm current

圖8 橋臂子單元電容電壓波形Fig．8Bridge arm unit capacitor voltage waveforms

7 結(jié)論

本文提出了一系列新型故障隔離型子單元拓撲結(jié)構和基于這幾種類型子單元結(jié)構的混聯(lián)橋臂拓撲，形成具有自主知識產(chǎn)權且具備直流側(cè)故障自清除能力的新型換流站拓撲。通過理論分析與實驗驗證表明，本文所提出的拓撲結(jié)構能夠有效快速地清除直流側(cè)故障，降低了架空線柔性直流輸電換流站的投資成本和運行損耗。

［1］朱晉，韋統(tǒng)振，霍群海(Zhu Jin，Wei Tongzhen，Huo Qunhai)．一種新型全橋變橋臂型VSC-HVDC變流拓撲(A new full-bridge alternative arm based VSC-HVDC converter)［J］．中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2013，33(3):52-61．

［2］朱晉，韋統(tǒng)振，李東，等(Zhu Jin，Wei Tongzhen，Li Dong，et al．)．全橋變橋臂電壓源變流器拓撲參數(shù)及恒壓策略研究(A parameter and voltage balancing scheme for full-bridge alternate arm voltage source converters)［J］．中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2013，33(21):26-35．

［3］雷霄，王華偉，曾南超，等(Lei Xiao，Wang Huawei，Zeng Nanchao，et al．)．LCC與VSC混聯(lián)型多端高壓直流輸電系統(tǒng)運行特性的仿真研究(Simulation research on operation characteristics of hybrid multi-terminal HVDC system with LCC and VSC)［J］．電工電能新技術(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2013，32(2):48-57．

［4］趙雄光，宋強，饒宏，等(Zhao Xiongguang，Song Qiang，Rao Hong，et al．)．基于V-I特性的多端柔性直流輸電系統(tǒng)的控制策略(Control of multi-terminal VSC-HVDC system based on V-I characteristics)［J］．電工電能新技術(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2013，32(4):15-20．

［5］Zixin Li，Ping Wang，Haibin Zhu，et al．An improved pulse width modulation method for chopper-cell-based modular multilevel converters［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(8):3472-3481．

［6］Zixin Li，Ping Wang，Zunfang Chu，et al．An inner current suppressing method for modular multilevel converters［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28 (11):4873-4879．

［7］湯廣福，賀之淵，龐輝(Tang Guangfu，He Zhiyuan，Pang Hui)．柔性直流輸電工程技術研究、應用及發(fā)展(Research，application and development of VSC-HVDC engineering technology)［J］．電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power System)，2013，37(15):3-11．

［8］Cross A M，Trainer D R，Crookes R W．Chain-link based HVDC Voltage Source Converter using current injection［A］．Proceedings of the 9th IET International Conference on AC and DC Power Transmission［C］．2010．

［9］Davidson C C，Trainer D R．Innovative concepts for hybrid multi-level converters for HVDC power transmission［A］．Proceedings of the 9th IET International Conference on AC and DC Power Transmission［C］．2010．

［10］Feldman R，Tomasini M，Clare J C，et al．A hybrid voltage source converter arrangement for HVDC power transmission and reactive power compensation［A］．Proceedings of the 5th IET International Conference on Power E-lectronics，Machines and Drives，PEMD 2010［C］．2010.1-6．

［11］Merlin M M C，Green T C，Mitcheson P D，et al．A new hybrid multi-level Voltage-Source Converter with DC fault blocking capability［A］．Proceedings of the 9th IET International Conference on AC and DC Power Transmission［C］．2010．

［12］Xiaoqian Li，Qiang Song，Wenhua Liu，et al．Protection of nonpermanent faults on DC overhead lines in MMC-based HVDC systems［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2013，28(1):483-490．

［13］趙成勇，許建中，李探(Zhao Chengyong，Xu Jianzhong，Li Tan)．全橋型MMC-MTDC直流故障穿越能力分析(DC faults ride-through capability analysis of full-bridge MMC-MTDC system)［J］．中國科學:技術科學(Science China:Technological Sciences)，2013，43(1): 106-114．

［14］Yinglin Xue，Zheng Xu，Geng Tang．Self-start control with grouping sequentially precharge for the C-MMC-based HVDC system［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2014，29(1):187-198．

［15］Marquardt R．Modular Multilevel Converter:An universal concept for HVDC-Networks and extended DC-Bus-applications［A］．2010 International Power Electronics Conference(IPEC)［C］．2010.502-507．

［16］Marquardt R．Modular Multilevel Converter topologies with DC-Short circuit current limitation［A］．IEEE 8th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia(ICPE＆ECCE)［C］．2011.1425-1431．

(，cont．on p.71)(，cont．from p.24)

A series of sub-module topology suitable for overhead lines MMC-HVDC

ZHU Jin1，2，WEI Tong-zhen1，HUO Qun-hai1，HAN Li-bo1
(1．Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 2．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

This paper proposed a series of novel sub-module topology for modular multilevel converter(MMC)．Compared with the full-bridge sub-module type MMC(F-MMC)，MMC-HVDC using these sub-module will have DC side fault handling ability，and the construction cost and operation loss are optimized at the same time．This paper describes the DC fault current blocking mechanism of several new topologies in detail，and also introduces new mixed topology of bridge arm based on multi-type of sub-module．A platform of single-phase experimental prototype is set up to verify the effectiveness of this kind of topology structure．

fault isolation type sub-module topology;flexible direct current transmission;modular multilevel converter station;DC side fault isolation

TM722

A

1003-3076(2015)02-0020-05

2014-10-09

國家自然科學基金(50807052;51107134)資助項目

朱晉(1987-)，男，湖北籍，博士研究生，研究方向為柔性輸配電技術;韋統(tǒng)振(1976-)，男，山東籍，研究員，博士，研究方向為柔性直流輸電及高壓直流斷路器研究。