邱欣，夏向陽，呂大全，孟科，蔡潔，湯賜，肖輝，易浩民，周云

?

具備阻斷直流側(cè)故障電流模塊化的多電平換流器應(yīng)用研究

邱欣1，夏向陽1，呂大全2，孟科2，蔡潔1，湯賜1，肖輝1，易浩民1，周云1

(1. 長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙，410014；2. 悉尼大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，悉尼，2006)

針對當前已投入運行的高壓直流(HVDC)輸電工程中模塊化多電平換流器(MMC)存在子模塊數(shù)量較多、不具備阻斷直流側(cè)故障電流等問題，提出一種基于傳統(tǒng)MMC拓撲結(jié)構(gòu)的新型模塊化多電平拓撲，其橋臂由2個子模塊組串聯(lián)構(gòu)成，2個子模塊組分別由半橋子模塊和箝位雙子模塊串聯(lián)組成，降低穩(wěn)態(tài)運行損耗和元器件使用數(shù)量；闡述該新型拓撲的基本參數(shù)選取原則及上、下2組子模塊的協(xié)調(diào)投切過程；針對新型MMC拓撲，采用相應(yīng)的模型預(yù)測控制策略。最后，通過實驗進行驗證。研究結(jié)果表明：新型拓撲不僅具備阻斷直流側(cè)故障電流能力，而且在子模塊數(shù)量相同時，輸出電平數(shù)增多，交流電壓輸出波形更接近正弦波。

模塊化多電平換流器; 半橋子模塊; 箝位雙子模塊; 直流側(cè)故障; 模型預(yù)測控制

與傳統(tǒng)電壓源換流器[1?2]相比，模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)由于其擴展性好、輸出電壓波形品質(zhì)高、開關(guān)頻率低等諸多優(yōu)點[3?4]，在柔性直流輸電中的應(yīng)用越來越廣泛。而MMC拓撲結(jié)構(gòu)作為柔性直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。目前，關(guān)于MMC的研究主要集中在系統(tǒng)建模、調(diào)制策略選擇、控制系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)上，如：HAGIWARA等[5?7]建立了MMC-HVDC的數(shù)學(xué)模型，提出適用于MMC的空間矢量脈寬調(diào)制和電容均壓控制的方法；管敏淵等[8?9]對MMC的交直流側(cè)控制方法和環(huán)流抑制進行了研究等。當前MMC拓撲結(jié)構(gòu)存在2點不足：1) 無法有效處理直流側(cè)故障[10]。當直流側(cè)發(fā)生故障時，由于系統(tǒng)中絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)反并聯(lián)二極管的續(xù)流作用，易構(gòu)成故障點交流系統(tǒng)直接連通的能量饋送回路[11?12]，需要跳開交流斷路器以便直流隔離開關(guān)可靠動作，但由于機械響應(yīng)較慢，嚴重危害系統(tǒng)的安全運行[13]，所以，現(xiàn)在已投運的MMC-HVDC工程大多采用電纜敷設(shè)線路，以降低直流故障率，但造價昂貴，經(jīng)濟效益差。2) 為了適應(yīng)大功率高電壓輸電場合，換流站子模塊數(shù)量較多，在增加建設(shè)成本的同時，系統(tǒng)需要采集和處理的信息量大，損耗也隨之增大。因傳統(tǒng)MMC拓撲的輸出電平數(shù)與橋臂子模塊數(shù)呈簡單線性關(guān)系，為獲得諧波含量較低的高質(zhì)量輸出電壓波形，則換流器需由許多子模塊串聯(lián)組成，這樣就易導(dǎo)致一次系統(tǒng)和控制系統(tǒng)實際構(gòu)成較復(fù)雜，對換流器的平穩(wěn)運行帶來嚴峻挑戰(zhàn)。劉興華等[14]提出一種基于循環(huán)嵌套機理的模塊化多電平換流器拓撲，雖然電平輸出能力得到提升，子模塊及控制設(shè)備用量也相應(yīng)減少，但其不能有效控制直流側(cè)故障電流，其應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。為解決目前MMC?HVDC所存在的問題，本文作者提出一種新型MMC拓撲結(jié)構(gòu)，其橋臂由2個子模塊組串聯(lián)構(gòu)成，2個子模塊組分別由半橋子模塊和箝位雙子模塊串聯(lián)組成，稱為MCH?MMC。闡述新型拓撲的基本參數(shù)選取原則及上、下2組子模塊的協(xié)調(diào)投切過程；針對該新型拓撲結(jié)構(gòu)，采用相應(yīng)的模型預(yù)測控制策略。最后，通過仿真實驗予以驗證。

1 典型MMC拓撲結(jié)構(gòu)與自阻型子模塊CDSM運行原理

1.1 典型MMC拓撲結(jié)構(gòu)

半橋子模塊(half bridge sub-module，HBSM)是模塊化多電平換流器最常使用的子模塊結(jié)構(gòu)，由IGBT(T1和T2)和反并聯(lián)二極管(D1和D2)構(gòu)成半H橋，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過2個開關(guān)器件T1和T2的作用，可以實現(xiàn)模塊輸出電壓SM在電容電壓C與0 V之間的切換。雖然此MMC拓撲具有擴展性好、諧波小、開關(guān)頻率較低、對器件一致觸發(fā)要求少等優(yōu)點，但其不具備直流側(cè)故障穿越能力這一致命弱點。

圖1 半橋子模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 CDSM拓撲結(jié)構(gòu)及運行原理

箝位雙子模塊(clamp double sub-module，CDSM)與HBSM相比，增加的器件和損耗均不大，且能實現(xiàn)直流故障快速自清除，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。CDSM是由2個等效半橋單元sub1和sub2經(jīng)2個鉗位二極管D6和D7以及反并聯(lián)二極管D5的IGBT(T5)串并聯(lián)構(gòu)成。通過控制箝位雙子模塊IGBT的觸發(fā)信號，根據(jù)子模塊不同的工作狀態(tài)(穩(wěn)態(tài)、旁路模式)，實現(xiàn)子模塊輸出電壓SM分別為直流電容電壓0 V，C和2C。

圖2 箝位雙子模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中：T1~T-5為IGBT；D1~D7為二極管；1和2為直流電容；SM為橋臂電流；C為直流電容電壓；SM為子模塊輸出電壓。

下面分析C?MMC直流故障下的等值電路和閉鎖機理。當直流側(cè)發(fā)生故障時，可通過控制系統(tǒng)封鎖所有IGBT的觸發(fā)信號，以清除故障電流弧道，讓子模塊運行在閉鎖狀態(tài)。閉鎖狀態(tài)的子模塊等值電路與電流方向密切相關(guān)，子模塊對外等效為帶電電容和二極管的串聯(lián)形式。二極管陽極到陰極方向與故障電流一致，分別如圖3和圖4所示。

假設(shè)交流側(cè)可以向直流側(cè)饋入故障電流，此時應(yīng)為SM＜0這種情況。設(shè)每橋臂均有個CDSM，直流側(cè)發(fā)生雙極性短路故障瞬間C?MMC等效圖和相間電流流向如圖5所示。

以相間回路為例，回路中要有電流，必須滿足：

圖4 閉鎖模式下C?MMC等值電路(iSM＜0)

圖5 直流側(cè)故障后C?MMC等效電路圖(極間短路)

在C?MMC正常狀態(tài)下，調(diào)制度小于等于1 (一般在0.8~0.9之間)，

即直流側(cè)電壓要大于2倍的相電壓峰值，得

(3)

其中：mp為相電壓最大值；ml為相線電壓最大值。由式(1)~(3)可知交流側(cè)與換流器之間沒有電流流通，所以，故障后交流側(cè)不會向直流故障點饋入交流電流。從圖5可以看出：當子模塊全部進入閉鎖狀態(tài)后，僅有橋臂電抗的放電電流通過二極管向子模塊電容充電；當電流減小為0 A時，C達到最大，換流器進入完全閉鎖狀態(tài)，從而實現(xiàn)了無需斷開交流斷路器，換流器就可自清除直流故障電流。

2 新型MCH?MMC換流器拓撲優(yōu)化設(shè)計

2.1 新型MCH?MMC主電路結(jié)構(gòu)

新型拓撲MCH?MMC結(jié)構(gòu)如圖6所示。換流器由3相橋臂構(gòu)成，每相橋臂包含上、下2個換流閥和2個換相電抗。與傳統(tǒng)MMC拓撲結(jié)構(gòu)相比，其特別之處在于換流閥由2個子模塊組串聯(lián)構(gòu)成；2個子模塊組分別由個半橋子模塊(HBSM)和個箝位雙子模塊(CDSM)串聯(lián)組成。相臂內(nèi)的電抗器是為了抑制橋臂間因總直流電壓差異引起的相間環(huán)流。

圖6 新型MCH?MMC拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.2 針對新型換流器拓撲設(shè)計原理

為滿足模塊協(xié)調(diào)投切需要，2組子模塊額定電容電壓應(yīng)滿足式(4)，即通過2組子模塊的協(xié)調(diào)配合，第1組半橋子模塊電容電壓被第2組箝位雙子模塊電容電壓均分成2+1份。

如圖6所示，換流器每一橋臂包含的子模塊總數(shù)為sum，換流器輸出電平數(shù)為(見式(6))。為了維持直流電壓穩(wěn)定，一般要求換流器直流母線電壓滿足：

(5)

(7)

新型拓撲中2組子模塊的投切配合過程為：電壓等級高的第1組半橋子模塊以較大的臺階逼近正弦波，電壓等級低的第2組子箝位模塊以較小的臺階逼近正弦波，2組子模塊循環(huán)交替投切使得橋臂輸出電壓波形為正弦階梯波[14?17]。

考慮新型拓撲能有效處理直流側(cè)故障，設(shè)任一時刻上、下2個橋臂合起來投入個子模塊，和的取值須滿足：

即選取子模塊數(shù)目滿足相?相回路中電容提供的反電勢大于線電壓幅值。在閉鎖模式下，半橋子模塊處于旁路模式故電容電壓保持穩(wěn)定，直流網(wǎng)絡(luò)能量由箝位雙子模塊電容吸收。

據(jù)以上新型拓撲的基本參數(shù)選取原則及上、下2組子模塊的協(xié)調(diào)投切過程，本文提出的新型拓撲既保留了原有的直流故障穿越能力，還具有更強的電平輸出能力，減少了子模塊的使用量，從而降低了系統(tǒng)運行損耗。

3 MCH?MMC控制策略

3.1 穩(wěn)態(tài)運行時控制策略

從圖1~6可知：新型MCH?MMC拓撲結(jié)構(gòu)是由半橋子模塊組和箝位雙子模塊組級聯(lián)而成。其中CDSM在正常工作時，可等效為2個級聯(lián)的HBSM，因此，對于新型拓撲每相上、下橋臂均有個HBSM和個CDSM的MMC，完全可以移植每相上/下橋臂有+2個HBSM的MMC控制策略和調(diào)制方法，只需在器件觸發(fā)層面對脈沖進行再分配即可。

新型拓撲中子模塊同樣存在電容均壓與環(huán)流抑制問題。由于 CDSM 中2個子模塊在正常運行和故障期間呈現(xiàn)出不同的連接形式，結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出一定的耦合性，從而增加了控制和均壓的復(fù)雜度。本文在充分借鑒傳統(tǒng)高壓直流系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制策略和已有研究成果的基礎(chǔ)上，采用一種同樣適用于新型拓撲結(jié)構(gòu)的模型預(yù)測控制(model predictive control, MPC)策略[18?20]。其原理是利用它的成本函數(shù)最小化技術(shù)，根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的離散時間數(shù)學(xué)模型，開發(fā)對應(yīng)于離散時間模型的1個預(yù)測模型，并使用預(yù)測模型來選擇每個MMC單元中最佳的開關(guān)狀態(tài)，以抑制循環(huán)電流，并通過冗余開關(guān)狀態(tài)使電容電壓平衡。

3.2 故障情況下控制策略

故障時換流器的控制策略如圖 7 所示。

圖7 直流側(cè)故障情況下控制策略

在檢測到直流故障后，系統(tǒng)會閉鎖所有的IGBT 以切斷故障電流。對于永久性故障和瞬時性故障，控制策略不同。對于永久性故障，需要斷開交流斷路器以隔離故障并進行修復(fù)。對于瞬時性故障，故障電流被切斷后，需要解鎖 IGBT 以重新建立直流電壓，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行狀態(tài)。由于電力電子器件開通和關(guān)斷十分迅速，且故障清除過程不需要交流斷路器動作，因而系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)。采用上述控制策略，故障清除時間非常短(小于20 ms)，從而能夠有效地保護子模塊中的電力電子開關(guān)器件。故障的快速切除可使系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常運行，因此，所提出的改進子模塊拓撲能夠顯著提高系統(tǒng)的直流故障穿越能力。

4 實驗驗證與分析

為驗證MCH?MMC拓撲的有效性及優(yōu)越性，搭建單相單端換流器實驗平臺，如圖8所示。在滿足上述換流器基本拓撲的設(shè)計原理下，MCH?HVDC中構(gòu)成換流橋臂的2個子模塊組分別由1個半橋子模塊和3個箝位雙子模塊構(gòu)成，控制系統(tǒng)電路采用TMS320F2812 DSP。

主要的系統(tǒng)參數(shù)如下：MMC額定功率為400 W；直流電壓為120 V；交流電壓(相?地有效值)為72 V；模塊電容為940mF；子模塊額定電容電壓為20 V；橋臂電感為5 mH；MMC的開關(guān)頻率為2.5 kHz新型MCH?MMC作為逆變站運行，即有功功率從直流側(cè)流動到交流側(cè)。

當=75 ms時，輸送的有功功率從220 W提升到400 W，MCH?MMC的仿真波形見圖9。從圖9可以看出：本文所提出的新型MMC能快速、順利地跟蹤電流和功率的變化，并且子模塊電容電壓在瞬間保持平衡。

圖10所示為MCH?MMC發(fā)生直流側(cè)故障時的仿真波形。

最初，MCH?MMC作為整流站運行，即直流側(cè)從交流測吸收有功功率(245 W)。當直流側(cè)發(fā)生故障后(用圖8所示的電阻串聯(lián)在直流側(cè)雙極之間模擬直流側(cè)故障)，橋臂電流arm迅速增大，MMC繼續(xù)運行，直到檢測所選子模塊的電容在換流器閉鎖前放電，直流電壓快速跌落。一旦封鎖所有IGBT的觸發(fā)信號時，故障電流流經(jīng)CDSM中的串聯(lián)電容，而HBSM中的電容均被旁路。在IGBT閉鎖后，CDSM中的電容有一段短充電時間，而HBSM電容電壓保持不變。由于CDSM子模塊電容在故障回路提供的反電勢比交流電壓大，交流電流和橋臂電流迅速均下降到0 A，從而閉鎖了直流側(cè)故障。到過電流且=100 ms時，換流器進入閉鎖狀態(tài)，過電流迅速減小。

圖11所示為新型MMC在直流電壓顯著下降情況下的仿真波形。

圖8 試驗系統(tǒng)原理圖

(a) 直流電壓；(b) 交流電壓；(c) 交流電流；(d) 橋臂電流

(a) 直流電壓；(b) 交流電壓；(c) 交流電流；(d) 橋臂電流

(a) 直流電壓；(b) 交流電壓；(c) 交流電流；(d) 橋臂電流

最初，MCH?MMC 作為整流站運行，直流側(cè)電壓維持在額定電壓120 V，直流側(cè)從交流測吸收有功功率(370 W)。對于傳統(tǒng)的VSC，將直流電壓從120 V下降到70 V (下降42%)，此時，由于直流電壓小于交流電壓，該壓降使換流器停止運行。而對于提出的新型MMC，將有功功率相應(yīng)地下降到 215 W(減少42%)，并增加100 Var無功功率來確保HBSM有足夠的充電時間。如圖11所示，在該直流電壓降情況下，輸出交流電流仍然可以很好地控制，驗證了MCH?MMC在直流電壓跌落期間可以通過調(diào)節(jié)有功功率和無功功率來靈活控制并保持良好的運行特性。

所搭建的實驗平臺電壓等級較低，與實際工程電壓等級不匹配，但該MCH?MCC仍具備阻斷直流側(cè)故障電流的能力。MCH?MMC在穩(wěn)定狀態(tài)、功率上升及直流側(cè)故障狀態(tài)下的實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。MCH?MMC不僅具備直流故障電流阻斷能力，而且具有更高的設(shè)備利用率和更低的功率損耗，適用于大功率傳輸場合。

5 結(jié)論

1) 本文提出一種基于傳統(tǒng)MMC拓撲結(jié)構(gòu)的新型模塊化多電平拓撲，闡述了該拓撲的構(gòu)成方式、基本參數(shù)選取原則及子模塊的協(xié)調(diào)投切過程。

2) 針對該新型拓撲結(jié)構(gòu)，采用相應(yīng)的模型預(yù)測控制策略。采用混合子模塊組作橋臂的新型MCH?MMC拓撲不僅具有阻斷直流側(cè)故障電流的能力，而且減少子模塊的使用量，降低系統(tǒng)運行損耗，在實際工程應(yīng)用中能降低換流站投資成本，簡化控制系統(tǒng)硬件并節(jié)約占地面積，適用于高壓直流輸電場合。

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(編輯 陳燦華)

Applied research of a modular multilevel converter with DC fault ride-through capability

QIU Xin1, XIA Xiangyang1, Lü Daquan2, MENG Ke2, CAI Jie1, TANG Ci1, XIAO Hui1, YI Haomin1, ZHOU Yun1

(1. College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China; 2. School of Electrical and Information Engineering, the University of Sydney, Sydney 2006, Australia)

In view of sub-modules (SMs) in larger quantities and the incapability of blocking DC fault current of the modular multilevel converter (MMC) for high voltage direct current (HVDC) transmission projects in current operation, a new modular multilevel topology based on traditional MMC topology was presented with its bridge arm consisting of two serial SMs groups constituted by half bridge sub-module (HBSM) and clamp double sub-module(CDSM) in series, incorporating features of low conduction loss and reduce additional components. Its basic parameters design and the coordination switching processes of SMs in two groups were elaborated. The corresponding model predictive control (MPC) strategy was adopted for the new MMC topology. The results show that the new MMC topology not only has the ability to block DC fault current, but also increases output level number at the same number of SMs requirements. The AC voltage output waveform is closer to a sine wave.

modularmultilevel converter(MMC); half bridge sub-module(HBSM); clamp double sub-module(CDSM); DC fault; model predictive control(MPC)

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.021

TM72

A

1672?7207(2017)01?0148?08

2016?03?10；

2016?05?22

湖南省教育廳創(chuàng)新平臺開放基金資助項目(16K004)；湖南省(長沙理工大學(xué))研究生科研資助項目(CX2016B405)(Project(16K004) supported by Hunan Provincial Department of Education Innovation Platform Open Fund Project; Project(CX2016B405) supported by Hunan Province (Changsha University) of Science & Technology Graduate Student Research)

夏向陽，博士(后)，教授，碩士生導(dǎo)師，從事電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等研究；E-mail: xia_xy@126.com