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南方電網(wǎng)科學研究院 李巖 劉濤 黃偉煌/

0 引言

隨著能源危機和環(huán)境污染的加劇，綠色可再生能源的大規(guī)模開發(fā)成為不可阻擋的趨勢。然而，由于風能、太陽能等綠色能源的間隙性和隨機性，對電能的匯集和輸送技術提出了更高的要求。高壓直流輸電技術具有輸電效率高、節(jié)省輸電走廊、便于交流電網(wǎng)互聯(lián)、調(diào)節(jié)快速可靠、適于電能大規(guī)模遠距離傳輸?shù)葍?yōu)勢[1]，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應用。近年來，國內(nèi)外建設了多個柔性高壓直流輸電工程，形成了不同電壓等級（±80 kV、±160 kV 、±320 kV和±800 kV等）的直流線路，進而推動了直流電網(wǎng)的形成[2]，發(fā)展直流電網(wǎng)成為綠色能源匯集和輸送的有效手段。盡管直流電網(wǎng)符合未來電網(wǎng)的發(fā)展方向，但是也面臨著很多挑戰(zhàn)，首當其沖的是缺少成熟的高壓大容量DC/DC變換器，這使得不同電壓等級的直流線路不能直接互聯(lián)[3]。

針對高壓大容量DC/DC變換器的拓撲選擇，主要分為模塊組合型和模塊化多電平兩類。前者指多個DC/DC單元通過串入串出、串入并出、并入并出和并入串出的形式進行組合[2]，這類DC/DC變換器目前只在中小容量場合中得到應用。而后者是以模塊化多電平變換器（MMC）為基礎的變換器，分為隔離型和非隔離型的MMC-DC/DC變換器[3]，又考慮到單極接地等故障，隔離型的適用范圍更廣[4]。由于近年來基于MMC的柔性高壓直流輸電技術發(fā)展迅猛，相關技術可直接移植，則MMC-DC/DC變換器在未來直流電網(wǎng)中具有良好的應用前景。

相比于常規(guī)并網(wǎng)MMC[5]，隔離型MMC-DC/DC變換器的交流側工作頻率可設定在300～1000Hz范圍的中頻段，從而可有效減少隔離變壓器的體積和重量[6]，同時可降低所需子模塊電容的體積和成本。進一步地，MMC-DC/DC變換器交流側的電壓除正弦波外，還可選擇為方波[7]、梯形波[8]或三角波[9]等，以降低開關次數(shù)和開關損耗。現(xiàn)有文獻對MMC-DC/DC變換器的研究集中在拓撲[1]和調(diào)制策略[8]上，對用于多端直流電網(wǎng)互聯(lián)的多端口MMC-DC/DC變換器還鮮少涉及。當多端直流電網(wǎng)互聯(lián)時，各個端口應該相互獨立，其中一端直流電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，要求其他端口仍然能正常工作[10]。然而，采用傳統(tǒng)半橋子模塊的MMC不具備主動防護能力，某一端直流電網(wǎng)故障勢必會波及到與之相連的各端直流電網(wǎng)。

為解決多端直流電網(wǎng)互聯(lián)的問題，本文以四端直流電網(wǎng)互聯(lián)為例，研究了四端口隔離型MMC-DC/DC變換器，提出了采用交叉連接雙半橋子模塊與三電平雙半橋子模塊混合的MMC方案，該方案保證了一端直流電網(wǎng)故障時其他端口不受影響，并且經(jīng)濟適用。進一步地，本文提出了采用混合子模塊的模塊化多電平橋臂的簡化模型，用于子模塊數(shù)量眾多時MMC-DC/DC變換器在正常及故障工況下的仿真。最后，在Matlab/Simulink中搭建了仿真平臺，對所提出的混合子模塊MMC-DC/DC方案以及簡化模型進行了驗證。

1 采用混合子模塊的MMC

由于MMC-DC/DC變換器是以MMC為基礎的，本節(jié)首先介紹采用混合子模塊的MMC，圖1中展示了并網(wǎng)MMC的一般拓撲結構，其中每個橋臂由半橋子模塊或其他類型子模塊及其組合構成[11]。下面通過a相介紹MMC的數(shù)學模型。

1.1 MMC的數(shù)學模型

圖1中a相的上、下橋臂電流ipa和ina可用環(huán)流icira和輸出電流ia表示為

假設MMC的同一橋臂中電容電壓的瞬時值相同，當采用開關平均模型時，上、下橋臂電壓vpa和vna可用子模塊電容電壓vcpa和vcna表示為

其中，N為每橋臂子模塊個數(shù)，此處以半橋子模塊為例；dpa與dna為上、下橋臂子模塊的平均開關函數(shù)。

根據(jù)圖1可得上、下橋臂電壓vpa和vna滿足

其中Vdc為直流電壓，vag為a相輸出相電壓，vgo為共模電壓，Larm為橋臂電感。

根據(jù)公式知，MMC的每個橋臂可視為受控電壓源，控制橋臂電壓即可控制橋臂電流，又由公式知，控制橋臂電流即控制了輸出電流及環(huán)流，這即是MMC的工作原理。

1.2 常規(guī)子模塊結構

MMC的橋臂是由數(shù)量眾多的子模塊構成，控制橋臂電壓最終是通過控制各個子模塊的輸出電壓來實現(xiàn)。目前投運的MMC-HVDC工程大多采用半橋子模塊或者全橋子模塊，其結構如圖2所示。

圖2 半橋子模塊與全橋子模塊

當MMC采用半橋子模塊時，一旦發(fā)生直流側短路故障，在閉鎖所有開關器件之后，故障電流流經(jīng)反并聯(lián)二極管，各個子模塊的電容被旁路掉（電流流通路徑如圖2所示），這說明半橋子模塊MMC無法阻斷直流側短路故障；當采用全橋子模塊時，故障電流通過反并聯(lián)二極管將電容接入，各個子模塊的電容電壓組合起來，具備了阻斷直流側短路故障的能力。然而，相比于半橋子模塊，全橋子模塊所采用的功率器件數(shù)翻倍，驅(qū)動及相關外圍設備數(shù)也翻倍，這明顯增加了系統(tǒng)成本。為此，需要研究既能阻斷直流側短路故障，又能節(jié)省系統(tǒng)成本的混合子模塊MMC方案。

圖1 MMC的一般拓撲結構圖

1.3 混合子模塊方案

為實現(xiàn)MMC阻斷直流側短路故障的功能和降低系統(tǒng)成本，各種新型子模塊被提出，圖3展示了不同的子模塊結構[12]以及相應的短路故障電流流通路徑。

圖3 MMC不同的子模塊結構

圖3所展示的各種子模塊在正常工況下，都相當于兩個半橋子模塊串聯(lián)，各個子模塊所需的控制信號幾乎相同；各個子模塊的差異只在短路故障時體現(xiàn)。在圖3a中，雖然三電平雙半橋子模塊的結構形式類似于一個三電平橋臂，但其實質(zhì)上與單純兩個半橋子模塊串聯(lián)完全等效，這種子模塊不具備阻斷短路電流的能力。在圖3b中，雖然鉗位雙半橋子模塊中含有兩個電容，但其短路電流路徑上只有一個電容；另外，相比于圖3a，該子模塊增加了一個IGBT和兩個二極管，成本較高。圖3c展示了半橋與全橋混合的子模塊方案[10]，其中全橋子模塊的IGBT被二極管取代，成本相對較低，然而該方案的短路電流路徑上也只有一個電容。圖3d為交叉連接雙半橋子模塊[13]，與圖3a相比，增加了一個IGBT和一個二極管，但是其短路電流路徑上串入了兩個電容，該子模塊阻斷直流側短路故障的能力最強。

對比圖3中的各子模塊可知：圖3a子模塊成本最低，器件損耗最?。粓D3d阻斷直流側短路故障的能力最強，而成本增加相對較小。事實上，為實現(xiàn)MMC阻斷直流側短路故障的功能，并不需要所有子模塊電容都串入短路電流流通路徑中[14]，為此本文提出將圖3a與圖3d子模塊混合的方案，從而可以兼顧兩種子模塊各自的優(yōu)勢，這種方案與文獻[15]所提出的混合子模塊方案相比，更為經(jīng)濟適用。另外，由于圖3a與圖3d的子模塊在正常工況下等效，在控制上無需差異對待，這意味著所提方案有利于工程實現(xiàn)。

當MMC采用混合子模塊方案時，首先需要確定兩種子模塊的比例。由于每個子模塊中含有兩個電容，則直流母線電壓與電容電壓滿足

式中，M為每個橋臂中子模塊的總個數(shù)。

為保證MMC的直流側短路故障阻斷能力[11]，需滿足

式中，Md為交叉連接雙半橋子模塊的個數(shù)，Vagm為交流側電壓的幅值。為保證足夠的裕度，Vagm可取為0.5Vdc。則根據(jù)式和可知

式中，Mt為三電平雙半橋子模塊的個數(shù)。

總之，只要兩種子模塊的比例滿足式所示的關系，就能保證MMC具備直流側短路故障阻斷能力。進一步地，k值越大，直流側短路電流下降越快，但系統(tǒng)成本也越高。反之亦然，k值越小，直流側短路電流下降越慢，但系統(tǒng)成本也越低。

1.4 混合子模塊MMC的簡化模型

高壓大容量MMC中子模塊數(shù)量龐大，這使得MMC-DC/DC變換器的仿真運算變得異常復雜。商業(yè)軟件Matlab/Simulink或PSCAD/EMTDC中已經(jīng)提供了常規(guī)半橋子模塊或全橋子模塊MMC的仿真簡化模型，而對混合子模塊MMC還未涉及。針對本文所提出的混合子模塊方案，給出MMC一個橋臂的簡化模型如圖4所示，模型中假設所有電容電壓都相同。

在圖4a中，橋臂主電路簡化模型由三個受控電壓源vin、vbl0和vbl1構成，其中vin代表所有子模塊都正常投入工作時的橋臂電壓；當所有開關器件因故障而閉鎖后，vbl0代表橋臂電流正向流入時的電壓，vbl1代表橋臂電流負向流入時的電壓；iarm、icap0和icap1代表各個支路的電流。

在圖4b中，當Fault信號為0時，表示無故障發(fā)生，向量[Non, 0, 0]被選中，此處Non是由上層控制信號決定的橋臂中接入工作的電容總個數(shù)，則橋臂電壓可表示為

當Fault信號為1時，表示故障發(fā)生，所有開關器件閉鎖，向量[0, 2M, 2Md]被選中。此時電容電壓vc可表示為

對于混合子模塊橋臂，故障后的正向橋臂電流會流經(jīng)所有的電容，對電容進行充電；而故障后的負向橋臂電流只流經(jīng)交叉連接雙半橋子模塊的電容。由于此處假設了所有電容電壓的瞬時值相同，所以式（8）是成立的。進一步地，可得到故障后橋臂電流方向不同時，橋臂電壓分別為

式（9）表明，當橋臂中只含有交叉連接雙半橋子模塊時，Md=M，則無論橋臂電流流入或流出，所有子模塊電容都接入；反之，當橋臂中只含有三電平雙半橋子模塊時，Md=0，則反向的橋臂電流將旁路所有子模塊電容，這與上文節(jié)的理論分析相符合。

圖4所示的混合子模塊橋臂的簡化模型，還可拓展至采用其他類型子模塊或混合子模塊的MMC，用于仿真分析。

2 四端口模塊化多電平DC/DC變換器

在混合子模塊MMC的基礎上，本節(jié)介紹四端口隔離型模塊化多電平DC/DC變換器的拓撲結構，以及控制策略。

2.1 拓撲結構

四端口MMC-DC/DC變換器的拓撲結構如圖5所示，每個直流端口通過混合子模塊MMC和三相中頻隔離變壓器（MFT）連到公共交流母線上，圖中只使用了3個MFT，實現(xiàn)了四個端口的兩兩隔離。

圖5 四端口模塊化多電平DC/DC變換器結構

圖4 混合子模塊MMC的橋臂簡化模型

在圖5中，每個端口的MMC都具備直流側短路故障的阻斷能力。當某個直流端口發(fā)生短路時，該故障端口的MMC立刻閉鎖所有開關器件，由于交叉連接雙半橋子模塊電容的接入，阻斷了直流側短路故障的擴散，其他直流端口經(jīng)過短暫擾動后，迅速恢復正常工作，這說明四個端口的工作狀態(tài)是相互獨立的。

2.2 控制策略

對于四端口的MMC-DC/DC變換器，系統(tǒng)控制策略采用主從控制，即：一個端口的MMC采用逆變模式，其控制策略如圖6a所示；其他端口的MMC采用整流模式，其控制策略如圖6b所示。

圖6 四端口MMC-DC/DC變換器的控制策略

通過圖5說明變換器的系統(tǒng)控制策略，圖5中選擇端口1作為直流電源，而其他三個端口為負載，則有：MMC1工作于逆變模式，確保了公共交流母線電壓的穩(wěn)定，本文中仍采用最常見的正弦波形式；MMC2、MMC3和MMC4工作于整流模式，確保負載直流電壓的穩(wěn)定。在每個端口的MMC內(nèi)部控制中，當采用簡化模型時，由于假定了橋臂中所有電容電壓相同，則無需電容電壓的平衡控制；而環(huán)流控制中采用了重復控制[16]等方法抑制二次環(huán)流諧波；調(diào)制算法中采用最近電平調(diào)制，以生成每個橋臂中接入工作的電容總個數(shù)Non。

3 仿真驗證

對所提出采用混合子模塊的四端口MMC-DC/DC變換器以及其簡化模型進行仿真驗證，參數(shù)如下表所示，其中四個端口兩種子模塊的比例k均取為1。

四個端口的仿真波形如圖7～圖10所示，波形依次是該端口的交流側三相電壓和電流、直流側電壓和輸出電流、a相上下橋臂的電流和電容電壓，以及端口輸出的有功和無功功率。仿真中0～0.01s為正常工況，0.01s時端口2發(fā)生直流側短路故障，仿真中通過100 Ω電阻短路；0.0101s時，檢測到故障，端口2的MMC2閉鎖所有開關器件。

表 四端口模塊化多電平DC/DC變換器的仿真參數(shù)

圖7 MMC-DC/DC變換器端口1的仿真波形

圖8 MMC-DC/DC變換器端口2的仿真波形

圖9 MMC-DC/DC變換器端口3的仿真波形

圖10 MMC-DC/DC變換器端口4的仿真波形

通過圖7～圖10可看出，當未發(fā)生故障時，四個端口的交流側和直流側電壓和電流都進入穩(wěn)態(tài)，而橋臂電流中的二次環(huán)流諧波被完全抑制；端口1往端口2、3和4依次傳遞500MW、300MW和200MW的有功功率，無功功率接近0；另外，仿真中設置端口1額外輸出100MW功率用于本端口負載和系統(tǒng)損耗。當端口2發(fā)生故障并閉鎖所有開關器件后，端口2的交流電流、直流電壓和電流、橋臂電流和輸出有功迅速衰減至零，被旁路電容的電壓逐漸衰減至零。而端口1、3和4的波形經(jīng)過短暫波動后，迅速恢復穩(wěn)態(tài)，端口1只向端口3和4傳遞有功功率。

上述仿真說明：采用混合子模塊的方案確實起到隔斷直流側故障的效果，并且本文所提簡化模型用于仿真具有可行性。

4 結束語

高壓大容量DC/DC變換器是不同電壓等級直流電網(wǎng)互聯(lián)的關鍵。本文以四端直流電網(wǎng)互聯(lián)為例，研究了四端口隔離型MMC-DC/DC變換器，提出了采用交叉連接雙半橋子模塊與三電平雙半橋子模塊混合的MMC方案，該方案保證了一端直流電網(wǎng)短路故障時其他端口不受影響，并且經(jīng)濟適用。然后，本文提出了采用混合子模塊的MMC橋臂的簡化模型，用于子模塊數(shù)量眾多時變換器在正常以及故障工況下的仿真。最后，本文通過Matlab/Simulink對所提出的采用混合子模塊的四端口MMC-DC/DC變換器進行了仿真驗證，證實了所提出子模塊混合方案的可行性以及簡化模型的正確性。

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