李 瑞，王忠旭，Derrick Holliday，姚良忠，Barry W.Williams

（1.Department of Electronic and Electrical Engineering University of Strathclyde,Glasgow G1 1XW；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱150001；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192）

基于三電平子模塊的倍電平復(fù)合式MMC變換器

李 瑞1，王忠旭2，Derrick Holliday1，姚良忠3，Barry W.Williams1

（1.Department of Electronic and Electrical Engineering University of Strathclyde,Glasgow G1 1XW；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱150001；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192）

為了降低模塊化多電平變換器MMC（modular multilevel converter）的接線復(fù)雜度和通信失效故障概率，ABB提出了采用壓接式IGBT串聯(lián)的級(jí)聯(lián)兩電平CTL（cascaded two-level）變換器。由于橋臂子模塊數(shù)由數(shù)百降為幾十，CTL變換器輸出電壓電平數(shù)較少，需要在交流側(cè)安裝濾波器。為此，提出了基于三電平TL（three-level）子模塊的倍電平復(fù)合式MMC變換器VLD-HMMC（voltage-level-doubler hybrid MMC）。每個(gè)橋臂有TL、半橋HB（halfbridge）子模塊混合組成，且交流側(cè)串聯(lián)有一個(gè)全橋FB（full-bridge）子模塊,輸出電壓電平數(shù)提高了1倍，從而省去了交流濾波器。各子模塊具有脈沖自主觸發(fā)功能且其功率開(kāi)關(guān)由壓接式器件串聯(lián)組成，降低了橋臂子模塊數(shù)，簡(jiǎn)化了控制器與主電路之間的接線復(fù)雜度，降低了通信故障的概率。單個(gè)功率開(kāi)關(guān)短路故障不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，并且可避免了子模塊電容的過(guò)度放電，保護(hù)電容器和功率開(kāi)關(guān)，提高變換器的可靠性及故障穿越能力。所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了直流故障穿越運(yùn)行，為HVDC換流站的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

模塊化多電平變換器（MMC）；高壓直流輸電；級(jí)聯(lián)兩電平變換器；直流雙極短路故障；三電平子模塊

引言

近年來(lái)，基于模塊化多電平變換器MMC（modular multilevel converter）的高壓直流輸電HVDC（highvoltage dc）技術(shù)得到了迅速發(fā)展［1］。為了解決直流短路故障保護(hù)問(wèn)題同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化，除全橋FB（full-bridge）子模塊MMC變換器（FB-MMC）［2,3］、變橋臂多電平變換器［4,5］、復(fù)合級(jí)聯(lián)FB多電平變換器［6,7］、復(fù)合式MMC變換器［8］外，海內(nèi)外學(xué)者還提出了多種其他不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC變換器。

文獻(xiàn)［9，10］對(duì)鉗位型雙子模塊進(jìn)行了研究，與FB-MMC相比，它的導(dǎo)通損耗降低了1/4。對(duì)于交流短路故障，鉗位型雙子模塊的電容相串聯(lián)以提供反向阻斷電壓，但是當(dāng)直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障并關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)后，子模塊的兩個(gè)電容并聯(lián)連接，因此僅能利用一半的電容電壓來(lái)阻斷直流故障電流。當(dāng)與半橋HB（half-bridge）子模塊混合使用以組成復(fù)合式MMC變換器時(shí)，需要更多的鉗位型雙子模塊來(lái)獲得直流故障阻斷能力，這增加了變換器的導(dǎo)通損耗及所需的功率開(kāi)關(guān)器件數(shù)量。

文獻(xiàn)［11,12］對(duì)復(fù)合式子模塊進(jìn)行了論述，它將HB子模塊和FB子模塊相互連接，既可以阻斷直流故障電流又降低了導(dǎo)通損耗及所使用的功率開(kāi)關(guān)器件數(shù)量。與鉗位型雙子模塊相比，復(fù)合式子模塊也僅利用了一半的電容電壓來(lái)阻斷直流故障，且使用一個(gè)IGBT代替了一個(gè)二極管，增加了系統(tǒng)的成本。交叉連接子模塊有效利用了全部電容電壓來(lái)阻斷直流短路故障電流［11,13］，但是鉗位開(kāi)關(guān)器件S1、S2、D1和D2承受2倍子模塊電容電壓，因此需要將功率開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)連接，以滿足耐壓要求。文獻(xiàn)［14］提出了三電平TL（three-level）子模塊，與其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，其所需的功率半導(dǎo)體器件大為降低，并且充分了利用了子模塊電容電壓來(lái)阻斷直流故障電流，為HVDC換流站的直流故障保護(hù)提供了可行的技術(shù)參考。

在VSC-HVDC實(shí)際工程應(yīng)用中，直流電壓通常為幾百kV，因此，MMC變換器的每個(gè)橋臂需要數(shù)百個(gè)子模塊，且子模塊和控制器之間通過(guò)光纖連接以防止高壓主電路對(duì)控制電路的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾。巨大的子模塊數(shù)量增加了線路的復(fù)雜性，考慮到通信失效故障，也降低了系統(tǒng)的可靠性［15］。為此，ABB在文獻(xiàn)［16］中提出了級(jí)聯(lián)兩電平CTL（cascaded twolevel）變換器，橋臂子模塊數(shù)由數(shù)百降為幾十，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)線路連接的復(fù)雜性。子模塊功率開(kāi)關(guān)器件由壓接式IGBT串聯(lián)組成，這一技術(shù)成功應(yīng)用于當(dāng)前兩電平電壓源高壓直流輸出VSC-HVDC（voltagesource-converter HVDC）領(lǐng)域，較為成熟并具有很好的可靠性。當(dāng)某個(gè)功率開(kāi)關(guān)失效產(chǎn)生短路故障時(shí)，其他器件可以分擔(dān)更多的電壓，變換器仍可維持正常運(yùn)行，并避免了子模塊電容的過(guò)度放電，保護(hù)了電容及功率開(kāi)關(guān)器件，提高了變換器的可靠性及故障穿越能力。但是，由于子模塊數(shù)較少，CTL變換器輸出電壓電平數(shù)通常為幾十甚至十幾，因此在交流側(cè)需要安裝濾波器，增加了系統(tǒng)的成本及體積［16］。

為解決上述問(wèn)題，本文提出了基于TL子模塊的倍電平復(fù)合式MMC變換器VLD-HMMC（voltagelevel-doubler hybrid MMC），提高輸出電平數(shù)，省去了交流側(cè)濾波器，降低系統(tǒng)成本及體積，并改善交流側(cè)變壓器的絕緣要求。提出采用TL子模塊和傳統(tǒng)HB子模塊并結(jié)合壓接式IGBT組成復(fù)合式MMC電路，降低了子模塊和半導(dǎo)體功率器件的數(shù)量，且各子模塊具備自主觸發(fā)功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)接線的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)可靠性。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于TL子模塊的倍電平復(fù)合式MMC變換器如圖1所示，它由MMC電路和交流側(cè)FB子模塊組成，前者用來(lái)產(chǎn)生基波電壓，交流側(cè)FB子模塊起濾波作用。MMC電路的每個(gè)橋臂均由g個(gè)TL子模塊和h個(gè)HB子模塊混合組成，并且其電容電壓相同，均為

式中：Vdc為直流電壓；N為每橋臂等效子模塊數(shù)。交流側(cè)FB子模塊的電容電壓為T(mén)L和HB子模塊電容電壓的1/2，即

所提變換器的子模塊所使用的功率開(kāi)關(guān)器件均由壓接式IGBT（二極管）串聯(lián)組成，當(dāng)單個(gè)功率開(kāi)關(guān)出現(xiàn)短路故障時(shí)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，且避免了子模塊電容的過(guò)度放電，保護(hù)了電容器和功率開(kāi)關(guān)。每橋臂子模塊數(shù)采用ABB所建議的典型值，通常為十幾到幾十個(gè)，且每個(gè)子模塊均具有自主觸發(fā)功能，可以根據(jù)接收到的控制器指令實(shí)現(xiàn)自主調(diào)制并產(chǎn)生PWM信號(hào)，從而大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)接線的復(fù)雜度，降低了通信故障的概率。由于TL子模塊的最大輸出電壓為HB子模塊的2倍，因此當(dāng)采用TL子模塊代替ABB提出的±320 kV CTL變換器中的HB子模塊時(shí)，每橋臂子模塊數(shù)可以由38降低到19，TL子模塊的使用進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)線路的復(fù)雜性。

圖1 基于三電平子模塊的VLD-HMMC變換器Fig.1 Three-level submodule based VLD-HMMC

2 工作原理

由于使用的子模塊較少，MMC電路所產(chǎn)生的階梯電壓VT（VH）較大，輸出電壓VMMC含有較大的諧波，這導(dǎo)致在ABB提出的CTL變換器交流側(cè)必須使用濾波器來(lái)濾除諧波成分。在所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于交流側(cè)FB子模塊的存在，變換器輸出電壓Vo的階梯為VT/2，與CTL變換器相比降低了1/2，因此諧波成分大為降低，從而省去了交流濾波器，降低了系統(tǒng)成本及體積，并改善了交流側(cè)變壓器的絕緣要求。

VLD-HMMC輸出電壓波形及FFT分析如圖3所示。由圖可見(jiàn)，由于交流側(cè)FB子模塊的使用，輸出電壓階梯降低了1/2，THD則由22.57%降低到12.85%。且FB子模塊僅對(duì)MMC電路產(chǎn)生的諧波電壓進(jìn)行補(bǔ)償，并不會(huì)對(duì)輸出電壓基波產(chǎn)生影響，因此其電容量大大低于TL及HB子模塊。

圖2 VLD-HMMC輸出電壓波形及其FFT分析Fig.2 Output voltages and their FFT analyses of VLD-HMMC

VLD-HMMC變換器的每個(gè)橋臂及交流側(cè)FB子模塊均可等效為可控電壓源，如圖3所示，圖中Larm、Rarm分別為橋臂電感及包含電感電阻在內(nèi)的橋臂線路電阻。根據(jù)圖3所示等效電路，上、下橋臂電流及交流電流的動(dòng)態(tài)特性可描述為

圖3 VLD-HMMC等效電路Fig.3 Equivalent circuit of VLD-HMMC

式中：k=a,b,c；VHuki、VHlki、VTuki、VTlki分別為上、下橋臂第i個(gè)HB子模塊和TL子模塊的電容電壓；sHuki、sHlki、sTuki、sTlki分別為上、下橋臂第i個(gè)HB子模塊和TL子模塊的開(kāi)關(guān)函數(shù)；VFk、sFk分別為交流側(cè)FB子模塊的電容電壓和開(kāi)關(guān)函數(shù)。上述開(kāi)關(guān)函數(shù)定義為

VLD-HMMC變換器的總阻斷電壓Vblock由上橋臂阻斷電壓、另一相下橋臂阻斷電壓以及相應(yīng)兩相的交流側(cè)FB子模塊電容電壓組成，如果Vblock大于交流側(cè)線電壓峰值，關(guān)斷變換器后則可以將直流故障電流抑制為0。由于交流側(cè)相電壓峰值須小于變換器的最大輸出電壓Vdc/2，因此可以得到

由式（7）可得，阻斷直流故障每橋臂所需TL子模塊的最小值為

假設(shè)式（8）為整數(shù)，則可以算得每相IGBT數(shù)、二極管數(shù)及每相電流流經(jīng)IGBT數(shù)分別為

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，VLD-HMMC變換器與CTL變換器的性能對(duì)比如表1所示。與ABB所提CTL變換器相比，VLD-HMMC變換器使用了相對(duì)較多的IGBT和二極管，且電流流經(jīng)的功率開(kāi)關(guān)器件較多，但是其相電壓電平數(shù)提高了1倍，從而省去了交流側(cè)濾波器，且可以阻斷直流雙極短路故障。與具有直流故障阻斷能力的其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所使用的IGBT、二極管數(shù)量以及導(dǎo)通損耗仍然有所降低［14］。

表1 CTL變換器與VLD-HMMC變換器的性能比較Tab.1 Performance comparison between CTL and VLD-HMMC

3 仿真研究

為了驗(yàn)證上述分析的正確性，對(duì)基于TL子模塊的VLD-HMMC變換器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真系統(tǒng)如圖4所示，具體仿真參數(shù)見(jiàn)表2。故障發(fā)生前，換流站VLD-HMMC1調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率，向交流電網(wǎng)G1傳輸1.5 GW額定功率；換流站VLD-HMMC2控制直流側(cè)電壓，且兩換流站均處于單位功率因數(shù)運(yùn)行狀態(tài)［18］。假定在t=1.3 s時(shí)直流電纜中點(diǎn)發(fā)生直流雙極短路故障，監(jiān)測(cè)到故障后關(guān)斷相應(yīng)換流站以避免損壞系統(tǒng)。故障維持280 ms后被清除，然后重新啟動(dòng)系統(tǒng)，并恢復(fù)到故障前的運(yùn)行狀態(tài)。盡管所提變換器具有直流故障阻斷功能，但在實(shí)際工程應(yīng)用中仍需要在交流側(cè)安裝斷路器，從而方便系統(tǒng)的安裝、調(diào)試，因此仿真中將交流斷路器動(dòng)作時(shí)間設(shè)為40 ms，仿真波形如圖5所示。

圖4 基于VLD-HMMC的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)HVDC系統(tǒng)Fig.4 Point-to-point HVDC link with VLD-HMMCs

當(dāng)t=1.3 s直流故障發(fā)生后，直流電壓跌落為0，如圖5（a）所示。監(jiān)測(cè)到故障后變換器的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)被關(guān)斷，從而觸發(fā)變換器的直流故障電流阻斷功能，三相交流電流和橋臂電流均降為0，因此變換器傳輸功率相應(yīng)降為0，如圖5（c）～（f）所示。從故障發(fā)生到關(guān)斷換流站期間，由于直流故障電流的存在，上下橋臂出現(xiàn)沖擊電流，但遠(yuǎn)小于保護(hù)電流閾值2 p.u.，避免了功率開(kāi)關(guān)器件的損耗。當(dāng)t=1.58 s時(shí)，直流故障被清除，然后換流站VLD-HMMC2被觸發(fā)，并將TL子模塊電容逐步接到正負(fù)直流母線上，從而對(duì)直流電纜進(jìn)行充電并逐步建立直流母線電壓，以減小直流電壓、電流的震蕩。當(dāng)直流母線電壓恢復(fù)到額定電壓附近時(shí)，交流斷路器閉合，VLDHMMC2被完全使能并將直流電壓控制在額定值。此后，換流站VLD-HMMC1被觸發(fā)從而在100 ms內(nèi)將有功功率以斜坡方式從 0逐漸增加到-1.5 GW，以避免暫態(tài)震蕩。

如圖5（i～l）所示，換流站TL、HB子模塊的電容電壓均在100 kV附近波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了電容電壓的均衡；交流側(cè)FB子模塊的電容電壓被控制在50 kV附近，且其受直流故障影響小于TL、HB子模塊。

表2 仿真系統(tǒng)額定值Tab.2 Simulation System Nominal Parameters

圖5 直流雙極短路故障穿越運(yùn)行仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of fault ride-through operation during pole-to-pole DC fault

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于TL子模塊的VLD-HMMC變換器，每個(gè)橋臂有TL、HB子模塊混合組成，且交流側(cè)串聯(lián)有一個(gè)FB子模塊。與ABB提出的CTL變換器相比，所提拓?fù)漭敵鲭妷弘娖綌?shù)提高了1倍，省去了交流濾波器，降低了系統(tǒng)成本及體積。TL子模塊及壓接式IGBT（二極管）的使用，降低了橋臂子模塊數(shù)，且各子模塊具有脈沖自主觸發(fā)功能，簡(jiǎn)化了控制器與主電路之間的接線復(fù)雜度，降低了通信故障的概率，提高了系統(tǒng)可靠性。當(dāng)單個(gè)功率開(kāi)關(guān)出現(xiàn)短路故障時(shí)，避免了子模塊電容的過(guò)度放電，保護(hù)了電容器和功率開(kāi)關(guān)，且單個(gè)功率開(kāi)關(guān)的退出不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，提高了變換器的可靠性及故障穿越能力。由于TL子模塊的使用，所提拓?fù)渚邆渲绷鞴收想娏髯钄喙δ?，在雙極直流短路故障情況下，避免了功率器件的損毀，保護(hù)了變換器，實(shí)現(xiàn)了HVDC系統(tǒng)的直流故障穿越運(yùn)行。

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Voltage-level-doubler Hybrid MMC Based on Three-level Submodules

LI Rui1,WANG Zhongxu2,Derrick Holliday1,YAO Liangzhong3,Barry W.Williams1
（1.Department of Electronic and Electrical Engineering,University of Strathclyde,Glasgow G1 1XW,UK; 2.School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001, China;3.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China）

The cascaded two-level（CTL）converter based on series-connected press-pack IGBTs is proposed by ABB to simplify the line connection complexity of a modular multilevel converter（MMC）and reduce the communication failure possibility.As the submodules per arm are reduced from several hundreds to several tens,the CTL converter has fewer output voltage levels and an ac-side filter is required to reduce harmonics.To tackle this problem,the three-level（TL）submodule based voltage-level-doubler hybrid MMC（VLD-HMMC）is proposed,where the TL submodules and half-bridge（HB）submodules are mixed in each arm and a full-bridge（FB）submodule is connected in series on the ac-side.The output voltage levels are doubled and thus any ac filter requirements are avoided. The submodule modulation ismade semi-autonomousand the power devices are composed of series-connected press-pack semiconductors.As a result,the submodules per arm are reduced and the connection between controller and the main power circuit issimplified,yielding lower communication failure probability.When a short-circuit fault is applied across one switching device,the system can still operate normally and the over-discharge of submodule capacitors as well as the damage to capacitors and power switches are avoided.This improves the converter reliability and contributes to dc fault ridethrough operation.The proposed topology with dc fault blocking capability provides an attractive approach for the development of HVDC power stations.

modular multilevel converter（MMC）;HVDC transmission,cascaded two-level converter;DC pole-to-pole fault;three-level submodule

李瑞

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.28

：TM 46

：A

李瑞（1984-），男，通信作者，博士，主要從事HVDC及新能源發(fā)電技術(shù)研究，E-mail:rui.li@strath.ac.uk。

王忠旭（1991-），男，碩士研究生，主要從事新能源發(fā)電及電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究，E-mail:wangzhongxu2010@163.com。

Derrick Holliday（1968-），男，博士，高級(jí)講師，主要從事HVDC及新能源發(fā)電技術(shù)研究，E-mail:derrick.holliday@stra th.ac.uk。

姚良忠（1961-），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析及大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)，E-mail:yaoliangzhong@epri. sgcc.com.cn。

Barry W.Williams（1950-），男，博士，教授，主要從事HVDC及電力電子技術(shù)研究，E-mail:barry.williams@eee.strath.ac.uk。

2015-01-01

EPSRC項(xiàng)目（EP/K006428/1，EP/K035096）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51261130484）

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