唐立，袁旭峰，李寧，唐圣輝，談竹奎

（1.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002）

具有直流故障電流阻斷能力的MMC子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

唐立1，袁旭峰1，李寧1，唐圣輝1，談竹奎2

（1.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002）

由于直流斷路器成本較為昂貴，尚處于試驗(yàn)階段，具備直流故障電流阻斷能力的MMC拓?fù)洳攀菍?shí)現(xiàn)輸配電網(wǎng)可控性，提高M(jìn)MC運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵。在分析了傳統(tǒng)半橋型模塊化多電平換流器（half bridge sub-module based modular multilevel converter，HBSM-MMC）直流故障電流路徑的基礎(chǔ)上，對具有直流故障電流阻斷能力的MMC子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行綜述。分析了橋式子模塊和箝位型子模塊拓?fù)涞闹绷鞴收想娏髯钄嘣砗凸收蠒r的電流路徑，并對各種子模塊拓?fù)涞男阅芴攸c(diǎn)進(jìn)行對比分析、歸納總結(jié)，為業(yè)內(nèi)學(xué)者開展相關(guān)研究提供參考。

模塊化多電平換流器；直流故障；子模塊；故障阻斷

采用模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）構(gòu)建的輸電系統(tǒng)是一種新型靈活高效的柔性輸電系統(tǒng)[1-4]。與傳統(tǒng)的兩電平電壓源換流器（voltage source converter，VSC）、中點(diǎn)箝位型（neutral point clamped，NPC）、飛跨電容型（flying capacitor，F(xiàn)C）三電平換流器相比，MMC采用模塊化設(shè)計(jì)，通過調(diào)整功率單元的接入數(shù)量便可實(shí)現(xiàn)對MMC系統(tǒng)的功率和電壓等級的調(diào)節(jié)，便于系統(tǒng)擴(kuò)容。此外模塊化的特點(diǎn)使得MMC具有較強(qiáng)的硬件和軟件兼容性，易于冗余設(shè)計(jì)[5-7]。與級聯(lián)H橋型換流器相比，MMC具有公共直流母線，無需集中電容或其他無源濾波器進(jìn)行直流側(cè)濾波，便可得到高質(zhì)量的電壓電流波形。公共直流母線的存在也使得MMC可以在背靠背系統(tǒng)中應(yīng)用，提高系統(tǒng)可靠性的同時，也有利于降低系統(tǒng)成本。MMC自身的這些特點(diǎn)使得其在高壓直流輸電領(lǐng)域更有競爭力[8-9]。

對于長距離架空輸電線路，不可避免會發(fā)生直流短路故障。采用鋪設(shè)電纜的方法，可以大大降低發(fā)生直流故障的概率[10-11]，但電纜價格昂貴，而且部分場所因?yàn)閷?shí)際情況的限制無法鋪設(shè)電纜，而只有選擇架空線路[12]。鑒于直流故障電流的巨大應(yīng)力，如果故障電流得不到及時迅速地清除，很可能造成功率器件的永久性損壞，甚至?xí)构收蠑U(kuò)大，使整個系統(tǒng)崩潰，停止運(yùn)行[13-14]。

一般而言，針對直流故障可以斷開交流或直流斷路器（circuit breakers，CB）間接斷開交流電網(wǎng)與故障點(diǎn)的連接[15-17]。然而常規(guī)的機(jī)械斷路器響應(yīng)慢，并且功率器件在斷路器響應(yīng)期間仍然需要承受高電流應(yīng)力[18-19]。固態(tài)直流斷路器具有快速中斷直流故障電流的能力，但是由于其主電路全部采用半導(dǎo)體材料，成本高昂，并且其通態(tài)損耗較大[20-21]。針對上述問題，文獻(xiàn)[22-24]提出了混合直流斷路器。其在正常運(yùn)行時，機(jī)械路徑作為電流的主要流通路徑，這樣可以減小損耗；故障時，斷開直流固態(tài)斷路器用于故障隔離。然而這樣的混合直流斷路器具有相對較大的體積，且其成本仍然較高[24]。

針對現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在具有直流故障電流阻斷能力的MMC子模塊拓?fù)浞矫骈_展了廣泛深入的研究，并取得了不錯的研究成果，提出了多種不同的具有直流故障電流阻斷能力的子模塊拓?fù)鋄25]。

1 MMC主電路

三相半橋型子模塊（half-bridge sub-module，HBSM）的MMC電路通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其包括A、B、C 3個相單元，每個相單元分為上、下2個橋壁，每個橋壁由若干個子模塊（sub-module，SM）串聯(lián)構(gòu)成，上、下橋壁完全對稱。其中Ua、Ub、Uc為交流側(cè)電壓，Ls為交流側(cè)電感，Lx為橋壁電抗器，LDC為直流側(cè)平波電抗器，RDC為故障時故障點(diǎn)到換流器直流側(cè)的等效電阻，UDC為直流側(cè)電壓[26]?？梢酝ㄟ^改變MMC子模塊投入數(shù)量來改變其輸出電壓等級。其中橋壁電抗器Lx有減小相電流變化率和抑制相間環(huán)流的作用。直流側(cè)電容正常工作時為系統(tǒng)輸出提供電壓支撐，故障時為續(xù)流二極管提供反向阻斷電壓。續(xù)流二極管在IGBT閉鎖時提供電流通路[27]。

圖1 三相半橋型子模塊MMC及其直流故障時電流路徑Fig.1 Three-phase MMC with half-bridge sub-module and current path of MMC during DC fault

已投入運(yùn)行的MMC直流輸電系統(tǒng)均采用圖1所示的半橋型子模塊拓?fù)?，如西門子公司在2010年建成的美國Trans bay cable 200 kV直流輸電工程[28]和我國浙江舟山多端柔性直流輸電工程[29-30]等。半橋型子模塊發(fā)生直流故障后，其中以A、B兩相為例分析其電流流向，其余任意兩相之間同理。當(dāng)電流從A相流向B相時，交流側(cè)電流對所有子模塊電容串聯(lián)充電，如圖1路徑①所示；當(dāng)電流從B相流向A相時，交流側(cè)電流通過續(xù)流二極管持續(xù)向故障點(diǎn)注入電流，如圖1路徑②所示。鑒于此，無論何種情況下直流故障電流均不會自動清除[31-32]。采用自身具有故障電流阻斷能力的子模塊拓?fù)?，利用子模塊電容電壓的箝位作用，可以在故障時阻斷交流側(cè)持續(xù)地向故障點(diǎn)注入電流，達(dá)到阻斷直流故障的目的。

2 橋式子模塊拓?fù)?/h2>

橋式子模塊拓?fù)渲芯哂兄绷鞴收想娏髯钄嗄芰Φ淖幽K主要有2種基本類型：全橋型子模塊（full-bridge sub-module，F(xiàn)BSM）和混合串聯(lián)子模塊（hybrid-series-connected sub-module，HSSM）。

2.1 全橋型子模塊

文獻(xiàn)[33]提到了全橋型子模塊（full-bridge submodule，F(xiàn)BSM），其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示（定義電流由子模塊a端流向b端為正方向，i＞0，下文同理）。當(dāng)FBSM發(fā)生直流故障時，所有的IGBT均閉鎖關(guān)斷。由于續(xù)流二極管的存在，不同方向的電流流過子模塊的路徑是不同的。當(dāng)電流為正時（i＞0），此時的電流路徑如圖2（a）所示；當(dāng)電流為負(fù)時（i＜0），此時電流的路徑如圖2（b）所示。

圖2 全橋型子模塊Fig.2 Full-bridge sub-module,FBSM

從圖2可知，F(xiàn)BSM在故障狀態(tài)時，無論是在正向電流還是反向電流作用下，均是對電容C進(jìn)行充電，當(dāng)電容電壓與交流側(cè)電壓相互箝位時，充電過程結(jié)束，子模塊中不再有電流流過，直流短路故障電流得以清除[33]。其中，正向電流時，子模塊輸出電壓為UC，負(fù)向電流時，子模塊輸出電壓為-UC。也即是說，全橋型子模塊自身具有故障電流阻斷能力，且具有雙向?qū)ΨQ的故障電流阻斷能力[34]。

FBSM正常工作時可以輸出3種對稱的電平0、±UC，這一特點(diǎn)使得FBSM具有雙向?qū)ΨQ的AC/AC功率變換功能[25]。與HBSM相比，F(xiàn)BSM具有了直流故障電流阻斷能力，其代價是使用了2倍的功率器件，這將會增加換流器投資成本和運(yùn)行損耗。

2.2 混合串聯(lián)子模塊

將HBSM和FBSM直接串聯(lián)連接，文獻(xiàn)[35-36]提出了混合串聯(lián)子模塊（hybrid-series-connected submodule，HSSM）拓?fù)?，如圖3所示。當(dāng)HSSM發(fā)生直流故障時，子模塊中電流的方向同樣與初始電流方向有關(guān)。當(dāng)電流為正時（i＞0），電流路徑如圖3（a）所示；當(dāng)電流為負(fù)時（i＜0），電流路徑如圖3（b）所示。

圖3 混合串聯(lián)子模塊Fig.3 Hybrid series connected sub-module,HSSM

HSSM結(jié)合了HBSM和FBSM各自的優(yōu)點(diǎn)，正常工作時可以輸出4種電平0、±UC、2UC。故障時，交流側(cè)對電容C1、C2進(jìn)行充電，正向電流下對電容C1充電，輸出電壓UC；反向電流下對電容C2、C1串聯(lián)充電，輸出電壓-2UC（假設(shè)電容C2、C1的輸出電壓均為UC，下文同理）。HSSM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前后僅通過一條導(dǎo)線連接，HBSM和FBSM相對獨(dú)立，不存在耦合[36]。HSSM具有雙向不對稱故障電流阻斷能力，其中正向故障電流阻斷能力（UC）比反向（-2UC）弱。HSSM將低損耗的HBSM與具有直流故障電流阻斷能力的FBSM結(jié)合在一起，一定程度上實(shí)現(xiàn)了二者性能的折中，但是其體積相對較大。

3 箝位型子模塊拓?fù)?/h2>

使用二極管或IGBT作為箝位支路，把HBSM或FBSM通過不同的接線方式組合，可以得到具有直流故障電流阻斷能力的箝位型子模塊拓?fù)洹?/p>

3.1 自阻型子模塊

在HBSM子模塊基礎(chǔ)上，額外使用一個IGBT器件T3，2個二極管D3、G4作為箝位支路。文獻(xiàn)[37]提出了自阻型子模塊（self-blocking sub-module，SBSM）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。SBSM正常工作時保持HBSM的工作狀態(tài)，故障時電流流過箝位支路。當(dāng)電流為正時（i＞0），電流路徑如圖4（a）所示；當(dāng)電流為負(fù)時（i＜0），電流路徑如圖4（b）所示。

SBSM正常工作時輸出2種電平0、UC，故障時，無論正向還是反向電流均對電容C充電。正向電流時輸出電容電壓UC，反向電流時輸出電容電壓-UC，其具有雙向?qū)ΨQ的故障電流阻斷能力。SBSM與HBSM相比，其具有了直流故障電流阻斷能力；與FBSM相比，其使用的元器件數(shù)較少，開關(guān)損耗較低，控制方法簡易，降低了工業(yè)設(shè)計(jì)難度，具有良好的發(fā)展前景。

圖4 自阻型子模塊Fig.4 Self-blocking sub-module,SBSM

3.2 二極管箝位型子模塊

文獻(xiàn)[38]提出了一種二極管箝位型子模塊（diode-clamp sub-module，DCSM）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。DCSM的箝位支路與SBSM一樣，不同之處在于DCSM比SBSM多使用一個電容，其箝位支路連接在2個電容的中點(diǎn)。故障發(fā)生時，正方向電流（i＞0）的電流路徑如圖5（a）所示；負(fù)方向電流（i＜0）的電流路徑如圖5（b）所示。

圖5 二極管箝位型子模塊Fig.5 Diode-clamp sub-module,DCSM

由于DCSM比SBSM多使用一個電容C，其正常工作時可以輸出4種電平0、±UC、2UC。故障時，正向電流是對電容C1、C2串聯(lián)充電，輸出電壓為2UC；負(fù)向電流僅對電容C2充電，輸出電壓為-UC。DCSM具有雙向不對稱故障電流阻斷能力，其正向故障電流阻斷能力（2UC）比反向（-UC）強(qiáng)。

DCSM優(yōu)點(diǎn)在于，其箝位支路所需的額定電壓僅為常規(guī)功率器件的一半，從而降低了器件制造的成本。對于瞬時性直流故障，由于DCSM在故障清除的過程中不需要斷開與MMC主電路連接的斷路器，所以其能夠使整個系統(tǒng)在故障后快速重啟，重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可靠性和可用性[30]。

3.3 二極管箝位型雙子模塊

文獻(xiàn)[39]在DCSM的基礎(chǔ)上，提出了二極管箝位型雙子模塊（diode-clamp-double sub-module，DCDSM）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖6所示。DCDSM類似與2個DCSM的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其箝位支路由2個IGBT器件T5、T6和4個二極管D5、D6、D7、D8組成。故障發(fā)生時，正方向電流（i＞0）的電流路徑如圖6（a）所示；負(fù)方向電流（i＜0）的電流路徑如圖6（b）所示。

圖6 二極管箝位型雙子模塊Fig.6 Diode-clamp-double sub-module,DCDSM

DCDSM使用的器件是DCSM的2倍，正常工作時可以輸出6種電平0、±UC、±2UC、-3UC。故障時，正向電流對電容C1、C4串聯(lián)充電，輸出電壓2UC；反向電流對C3、C4、C1、C2串聯(lián)充電，輸出電壓-4UC。其具有不對稱的故障電流阻斷能力，正向故障電流阻斷能力（2UC）比反向（-4UC）弱。

DCDSM具有DCSM一樣的性能特點(diǎn)。此外，DCDSM達(dá)到同樣的輸出電壓輸出等級，其子模塊數(shù)目僅是常規(guī)設(shè)計(jì)的一半，既能簡化控制算法還能節(jié)省硬件成本，具有較好的發(fā)展前景[39]。

3.4 箝位型雙子模塊

文獻(xiàn) [40-41]提出了箝位型雙子模塊（clampdouble sub-module，CDSM）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7所示。CDSM前后均是半橋型子模塊，箝位支路由1個IGBT器件T5和3個二極管D5、D6、D7組成。由于前后半橋型子模塊間不存在結(jié)構(gòu)上的耦合，正常工作時等效于2個半橋型子模塊獨(dú)立運(yùn)行，可以對單個半橋進(jìn)行獨(dú)立控制[33]。故障時，正方向電流（i＞0）的電流路徑如圖7（a）所示；負(fù)方向電流（i＜0）的電流路徑如圖7（b）所示。

圖7 箝位型雙子模塊Fig.7 Clamp-double sub-module,CDSM

CDSM正常工作時可以輸出3種電平0、UC、2UC。故障時，在正向電流下，電容C1、C2為串聯(lián)連接，充電電流對C1、C2串聯(lián)充電，此時輸出電壓為2UC；在負(fù)向電流下，電容C1、C2為并聯(lián)連接，充電電流對C1、C2并聯(lián)充電，此時輸出電壓為C1或C2的電壓-UC。所以CDSM具有雙向不對稱直流故障電流阻斷能力，其正向故障電流阻斷能力（2UC）比反向（-UC）強(qiáng)。

CDSM與HBSM相比，其額外的箝位支路使其具有直流故障電流阻斷能力，但是需要更多的器件投入和增加了開關(guān)損耗。與FBSM相比，CDSM相對減少了器件的使用，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了HBSM和FBSM的折中。

3.5 箝位電路型雙子模塊

文獻(xiàn)[42]提出了箝位電路型雙子模塊（clampcircuit-double sub-module，CCDSM）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖8所示。與CDSM類似，其前后子模塊均采用半橋型子模塊。CCDSM的箝位支路使用了2個IGBT器件G5、T6，和4個二極管D5、D6、D7、D8。故障時，正方向電流（i＞0）的路徑如圖8（a）所示；負(fù)方向電流（i＜0）的路徑如圖8（b）所示。

CCDSM正常工作時，可以輸出5種電平0、±UC、±2UC，但是由于其不是對稱的電平（輸出正電平UC比負(fù)電平-UC多），所以其不適用于直接AC/AC功率變換的場合[42]。故障閉鎖后，正向電流對C1、C2串聯(lián)充電，輸出電壓2UC，反向電流對C2、C1串聯(lián)充電，輸出電壓-2UC，所以CCDSM具有雙向?qū)ΨQ的故障電流阻斷能力。CCDSM通常與HBSM混合使用，綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，減少硬件投入，提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖8 箝位電路型雙子模塊Fig.8 Clamp-circuit-double sub-module,CCDSM

3.6 五電平跨接子模塊

文獻(xiàn)[43-44]提出了五電平跨接子模塊（fivelevel-cross-connected sub-module，F(xiàn)LCSM） 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖9所示。其箝位支路由2個IGBT器件、和2個二極管D5、D6組成。與前面所有的電容接線方式不同，F(xiàn)LCSM的2個電容C1，C2通過箝位支路首尾連接在一起。故障時，正方向電流（i＞0）的路徑如圖9（a）所示；負(fù)方向電流（i＜0）的路徑如圖9（b）所示。

圖9 五電平跨接子模塊Fig.9 Five-level-cross-connected sub-module，F(xiàn)LCSM

正常工作時，F(xiàn)LCSM可以輸出5種電平0、±UC、±2UC，與CCDSM不同的是，F(xiàn)LCSM是輸出的對稱電平，所以其適用于直接的AC/AC功率變換的場合。故障閉鎖后，其正向電流對C1、C2串聯(lián)充電，輸出電壓2UC，反向電流對C2、C1串聯(lián)充電，輸出電壓-2UC，所以FLCSM具有雙向?qū)ΨQ的故障電流阻斷能力。

4 結(jié)語

本文主要分析了兩類具有直流故障電流阻斷能力的MMC子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（橋式子模塊和箝位型子模塊）。對MMC子模塊各自的性能特點(diǎn)進(jìn)行對比分析，歸納總結(jié)，可得到表1 MMC子模塊性能特點(diǎn)。

1）FBSM和FLCSM正常工作時可以輸出正負(fù)對稱的電平，除了適用于常規(guī)應(yīng)用外，還適用于AC/AC直接功率變換的場合。

2）FBSM、SBSM、CCDSM、FLCSM具有雙向?qū)ΨQ的故障電流阻斷能力，當(dāng)系統(tǒng)對可靠性可用性要求較高時，可以優(yōu)先選擇使用。

3）綜合子模塊的性能特點(diǎn)折中，F(xiàn)BSM、SBSM、DCDSM具有相對較好的發(fā)展前景。

針對國內(nèi)外現(xiàn)有對具有直流故障電流阻斷能力的MMC子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究，可以開展一些新的研究方向。

1）優(yōu)化子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改進(jìn)接線方式，研究使用較少功率器件而具有較強(qiáng)直流故障阻斷能力的新型子模塊。

2）提高單位子模塊的輸出電平數(shù)，在需求同樣的輸出電壓等級下，可以減少級聯(lián)子模塊數(shù)量，優(yōu)化電路硬件設(shè)計(jì)，降低設(shè)備成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3）從硬件角度出發(fā)，使用新型半導(dǎo)體材料（如碳化硅等）制造的功率器件構(gòu)成MMC子模塊，一方面可以改善因使用普通功率器件通態(tài)時發(fā)熱量大帶來的散熱問題，另一方面還可以降低系統(tǒng)故障時的響應(yīng)時間，達(dá)到快速切斷故障電流的目的。

4）對于MMC輸電系統(tǒng)，使用不同種類的子模塊級聯(lián)構(gòu)成混合型子模塊，可以發(fā)揮每種子模塊的優(yōu)勢，節(jié)省設(shè)備投入，簡化控制算法，提高系統(tǒng)的可靠性。

表1 MMC子模塊性能特點(diǎn)Tab.1 Performance characteristics of MMC sub-module

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（編輯 馮露）

Research on Topology of MMC Sub-Module with DC Fault Current Blocking Capability

TANG Li1，YUAN Xufeng1，LI Ning1，TANG Shenghui1，TAN Zhukui2
（1.College of Electric Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China；2.Guizhou Electric Power Research Institute，Guiyang 550002，Guizhou，China）

Because of the high cost of the DC circuit breaker,and immaturity of its technology，the MMC topology with the DC fault current blocking ability becomes the key to realize the controllability of power grid and improve the operation reliability of MMC.Based on an analysis of the DC fault current path of thetraditionalhalf bridgemodular multilevel converter（HBSM-MMC），this paper reviews the topology of the MMC sub-module with DC fault current blocking capability.The DC fault current blocking principle and the current path during the fault are analyzed，and the performance characteristics of each sub-module topology are analyzed and summarized，which can provide reference for the scholars to carry out relevant researches.

modular multilevel converter（MMC）； DC fault；sub-module；fault block

2016-11-16。

唐 立（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟K化多電平換流器的故障阻斷技術(shù)；

袁旭峰（1976—），男，博士后，教授，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)和城市柔性配電技術(shù)；

李 寧（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟K化多電平換流器環(huán)流抑制技術(shù)；

唐圣輝（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟K化多電平換流器均壓調(diào)制技術(shù)；

談竹奎（1975—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)。

1674-3814（2017）05-0031-09

TM46

A

國家自然科學(xué)基金（51667007）；中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目（GZKJQQ00000417）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51667007）；the Key Science and Technology Program of China Southern Power Grid Co.，Ltd.（GZKJQQ00000417）.