馬玉梅 謝洋 王傲玉 嚴(yán)慜 田育林

摘要：高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展是基于電壓源型換流器（VSC）技術(shù)的發(fā)展和成熟，目前較為常見的VSC結(jié)構(gòu)為模塊化多電平換流器（MMC）。本文提出了一種新型MMC結(jié)構(gòu)，即混合式MMC，該結(jié)構(gòu)由全橋子模塊和半橋子模塊按照一定比例混合而成，因此，具備良好的故障阻斷性能和經(jīng)濟(jì)性能。本文通過等效電路圖對混合MMC比例進(jìn)行推導(dǎo)[4]，得出了合理調(diào)整換流器中全橋子模塊和半橋子模塊的比例，并用PSCAD軟件搭建模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該比例的正確性，研究成果對實(shí)際工程具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電;混合型MMC;故障阻斷;子模塊比例

引言

我國一次能源地理分布不均，能源主要分布在西部，而主要負(fù)荷分布在東部沿海，因此需要遠(yuǎn)距離輸電;我國存在眾多島嶼，需要海底電纜送電。隨著人們對環(huán)境問題的日益重視，大城市的供電走廊也有限。HVDC由于在遠(yuǎn)距離輸電的成本和此特殊環(huán)境（背靠背、地下、海底等）中的優(yōu)勢而得到應(yīng)用[1]。

高壓直流輸電面對傳統(tǒng)交流用戶時，需要實(shí)現(xiàn)交直流之間的電能轉(zhuǎn)換。為實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，HVDC系統(tǒng)需要一個電子換流器，目前這種三相換流器有兩種基本結(jié)構(gòu)，即：電流源換流器（CSC）和電壓源換流器（VSC）[3]。本文所提出的混合式MMC是基于VSC進(jìn)行研究的。

直流側(cè)故障是換流站設(shè)計運(yùn)行必須考慮的嚴(yán)重故障類型，對設(shè)備參數(shù)、 控制策略和保護(hù)配置具有重要影響。未來隨著風(fēng)電、光伏等清潔新能源并網(wǎng)、超大型城市群輸配電增容改造、海上多孤立負(fù)荷送電的需求，多端VSC- HVDC的發(fā)展成為一種趨勢，如何處理直流故障同樣是工程實(shí)踐中需要考慮的關(guān)鍵問題。本文圍繞這個問題展開研究，尋找直流側(cè)故障阻斷的方案。

1模塊化多電平換流器（MMC）

1.1半橋子模塊（HBSM）

由于半橋子模塊損耗小、成本低，目前大部分MMC-HVDC工程所采用的子模塊拓?fù)涠紴镠BSM，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.1所示[1]。圖中iSM為流入子模塊的電流，USM為半橋子模塊的輸出電壓，Uc為電容電壓。圖中共有4個電力電子管，穩(wěn)態(tài)時有且僅有一個管子導(dǎo)通，其余關(guān)斷，可以通過控制圖中IGBT的導(dǎo)通條件控制管子投入的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)子模塊的投入或切除。

1. 2全橋子模塊（FBSM）

全橋子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.2所示。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，輸出電平有三種可能，分別是：Uc（T1、T4導(dǎo)通）、-Uc（T2、T3導(dǎo)通）、0（T1、T2導(dǎo)通或T3、T4導(dǎo)通）。為了使IGBT的損耗和開關(guān)頻率盡可能地平均，當(dāng)全橋子模塊輸出0電平時，應(yīng)可能地使不同組合的IGBT輪換導(dǎo)通。

2直流側(cè)故障診斷特性

2.1半橋

當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障后，MMC進(jìn)入閉鎖狀態(tài)[2]。此時，圖1.4中的T1、T2都處于關(guān)斷狀態(tài)，D1或者D2處于導(dǎo)通狀態(tài)。直流側(cè)故障能否隔離取決于反并聯(lián)二極管D1和D2哪一個導(dǎo)通，若D1導(dǎo)通，電流經(jīng)過D1向電容器充電，若D2導(dǎo)通，電流經(jīng)過D2將電容器旁路，直流側(cè)故障通過D2傳輸?shù)浇涣鱾?cè)，電流通路如圖2.1所示，表明直流側(cè)故障未被隔離，半橋MMC子模塊不完全具備直流側(cè)故障阻斷的能力。

2.2全橋

當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障后，MMC進(jìn)入閉鎖狀態(tài)。此時，圖1.5中的T1、T2、T3、T4都處于關(guān)斷狀態(tài)，D1和D4或者D2和D3處于導(dǎo)通狀態(tài)。若D1、D4導(dǎo)通，電流向電容器充電，若D2、D3導(dǎo)通，電流向電容充電，電流通路如圖2.2所示，表明直流側(cè)故障被隔離，全橋MMC子模塊具備直流側(cè)故障阻斷的能力。

3混合式子模塊MMC研究

目前應(yīng)用于實(shí)際工程中的MMC子模塊多為半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其在正常工作狀態(tài)下其具有良好的輸出特性，但因其無法阻斷直流側(cè)故障電流使其在應(yīng)用推廣方面受到了一定的阻礙。與之對應(yīng)的全橋子模塊MMC具備直流故障阻斷能力，但其控制復(fù)雜、所用功率器件數(shù)是半橋子模塊的兩倍?？紤]到全二者的互補(bǔ)性，將其按照一定比例混合，研究一種混合式子模塊MMC，既能降低MMC制造成本及控制器的設(shè)計難度，又能使MMC具備直流側(cè)故障電流的阻斷能力。

3.1 混合型MMC的比例推導(dǎo)

假設(shè)交流側(cè)相電壓有效值為Us，直流側(cè)電壓為Udc，線電壓幅值為UAB，且UAB=Us。由H-MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3.1可知，混合型MMC有A、B、C三相，每相由上下兩個橋臂組成，其等效電路圖如圖3.2所示。假設(shè)每個橋臂有N個子模塊，其中HBSM有M個，則FBSM有（N-M）個。定義為混合型MMC的比例，則：

μ=N-M/N（1）

假設(shè)各個電容完全一樣，則正常運(yùn)行時子模塊電容均壓后的電壓為：

UC =Udc/N（2）

當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時，混合式MMC的子模塊進(jìn)行閉鎖，閉鎖后進(jìn)入全橋子模塊電容充電階段，圖3.3即為全橋子模塊電容充電階段的等效電路圖。其中Ca_upper為A相上橋臂所有FBSM電容串聯(lián)等效電容，Cb_lower為B相下橋臂所有FBSM電容串聯(lián)等效電容。

根據(jù)前面所述全橋、半橋直流側(cè)故障發(fā)生時的特性，可知當(dāng)混合型MMC直流側(cè)發(fā)生故障時，回路中只有FBSM電容，且數(shù)量為2（N-M）個，根據(jù)H-MMC故障分析結(jié)果可知，當(dāng)FBSM電容充電結(jié)束后，表示直流側(cè)故障被隔離。用等效電路圖分析可知，忽略FBSM電容的不均一性，當(dāng)FBSM電容電壓滿足式（3）時，二極管正向?qū)ń刂?，故障被隔離。

當(dāng)只有2（N-M）個電容充電電壓達(dá)到Ujc時，故障被隔離，將混合型MMC的比例引入式（4），可以得到：

（5）

由上式可知，與交流側(cè)相電壓有效值、混合型MMC的比例密切相關(guān)。要使不高于FBSM的正常運(yùn)行電壓，則：

（6）

即： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

當(dāng)混合型MMC的全橋比例滿足式（7）時，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障后，F(xiàn)BSM的電容充電電壓達(dá)到Ucj，且小于正常運(yùn)行時的均壓電壓Uc時，直流側(cè)故障就被隔離。定義為全橋子模塊極限比例，當(dāng)μ<μx時，H-MMC不能夠隔離治理側(cè)故障;當(dāng)μ>μx，H-MMC具有隔離故障的能力，且進(jìn)一步增加FBSM，使成本增加，對故障隔離的能力沒有影響。

4仿真分析

4.1模型搭建

本文通過PSCAD上搭建交流10 kV電網(wǎng)，如圖4.1所示，經(jīng)三相電力變壓器降壓后與MMC換流器相連，每個橋臂包含20個子模塊，根據(jù)MMC的工作原理，該MMC交流側(cè)電壓波形為21個電平。直流電壓，交流側(cè)電壓有效值為。根據(jù)上述推導(dǎo)的公式（7），可算得該模型的FBSM比例為：

（10）

可得出該模型的FBSM有7個，HBSM有13個。

4.2 仿真對比與分析

（1）當(dāng)η=0時，半橋子模塊數(shù)量為20個，全橋子模塊為零，將故障點(diǎn)設(shè)置在直流側(cè)：根據(jù)圖4.2和4.3可知，當(dāng)H-MMC中子模塊全部為半橋時，直流側(cè)不具備故障阻斷能力。

（2）當(dāng)時，由7個全橋子模塊和13個半橋子模塊組成，將故障點(diǎn)設(shè)置在直流側(cè)：根據(jù)圖4.3和4.4可知，此時直流側(cè)具備故障阻斷能力。當(dāng)短路發(fā)生時，故障點(diǎn)電流可快速被阻斷，降低為零，當(dāng)故障消失時，故障點(diǎn)電流可迅速恢復(fù)到正常值。

5結(jié)論

HVDC作為電氣工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，換流器的研究對其發(fā)展十分重要。本文介紹了各種換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，分析了各種換流器的優(yōu)缺點(diǎn);同時結(jié)合當(dāng)前直流側(cè)故障阻斷能力這一熱點(diǎn)話題，詳細(xì)分析了直流側(cè)故障阻斷特性，根據(jù)FBSM隔離直流側(cè)短路故障的能力以及HBSM的經(jīng)濟(jì)性，將兩者結(jié)合設(shè)計了混合式子模塊的MMC，并通過電路圖的分析，詳細(xì)推導(dǎo)了全橋子模塊和半橋子模塊的臨界比例。當(dāng)全橋子模塊和半橋子模塊的比例小于時，直流側(cè)不具備故障阻斷能力;當(dāng)全橋子模塊和半橋子模塊的比例大于時，直流側(cè)具備故障阻斷能力，增大，可增強(qiáng)直流側(cè)故障阻斷性能，但繼續(xù)增大，對換流器故障隔離能力的影響不大，反而會大幅增加成本。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合具體情況選擇合適的比例，做到使換流器既具有良好的故障阻斷能力，又實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

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