基于半压钳位子模块的MMC直流短路故障穿越研究

2015-02-18李笑倩刘文华杨文博许树楷

电源学报 2015年6期

关键词：桥臂换流器位子

李笑倩，刘文华，杨文博，宋强，朱喆，许树楷

（1.清华大学电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京100084；2.南方电网科学研究院，广州510080）

基于半压钳位子模块的MMC直流短路故障穿越研究

李笑倩1，刘文华1，杨文博1，宋强1，朱喆2，许树楷2

（1.清华大学电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京100084；2.南方电网科学研究院，广州510080）

基于模块化多电平换流器MMC（modular multilevel converter）的柔性直流输电技术，在高压大容量输电领域有广阔的应用前景。直流故障穿越是MMC应用必须解决的关键问题。目前，具有直流故障穿越能力的MMC改进拓扑在功率器件成本和换流器损耗方面依然偏高，并且缺乏物理实验验证。首先，提出一种基于半压钳位子模块的MMC改进拓扑；然后利用子模块电容电压来主动抑制二极管续流效应，迅速清除故障电流和实现自动重启，并且额外成本很低；最后，相应地搭建了1 kV/20 kW物理样机，通过物理实验详细地研究了所提拓扑的直流故障清除和恢复过程，并验证了该拓扑的直流故障穿越能力。

模块化多电平换流器（MMC）；直流线路故障；直流故障穿越

引言

基于模块化多电平换流器MMC（modular multilevel converter）的柔性直流输电系统已经成为一种新型的灵活输电方式，特别适用于大规模可再生能源输送、异步电网互联、取代常规直流为短路容量不足的地区供电［1-6］。在已投运和正在实施的柔性直流输电工程中，MMC的容量已经达到1 000 MW等级，单个MMC的最大直流电压达到500 kV。MMC在接近常规直流的高压大容量场合的应用已经成为必然趋势［7，8］。

在高压大容量的应用场合下，柔性直流输电系统将更多的采用架空线，主要是因为直流电缆的造价非常昂贵、敷设受到地理环境的制约、制造工艺短期内难以得到大幅提升（最高电压等级仅为320 kV），无法满足高压大容量场合的要求。与直流电缆相比，架空线故障率高，且故障多为瞬时性。然而，基于半桥式子模块的常规模块化多电平换流器HB-MMC（MMC based on half-bridge sub-modules）并不具备直流故障穿越能力。直流故障发生后，子模块二极管的续流效应使MMC变成不控整流桥，为交流系统向直流故障点馈入故障电流提供了通路［9-11］。直流故障电流巨大的应力很可能在短时间内烧毁功率器件。即使故障源是瞬时性的，直流故障电流也无法清除。此外，在多端直流系统当中，某一条直流线路发生故障可能导致整个多端系统退出运行，严重降低输电系统的可靠性和可用率。因此，MMC的直流故障穿越问题是关系到MMC在高压大容量架空线领域应用前景的关键问题。

对MMC拓扑的改进，利用MMC内部的开关器件来主动切断故障电流是使MMC具有直流故障穿越能力的重要思路。目前几种典型的改进拓扑结构主要包括：（1）基于全桥式子模块的FB-MMC（MMC based on full-bridge sub-modules）［12］，既可以快速切除故障电流，又可以在直流电压为零时继续为交流系统提供无功功率，但是需要2倍常规数目的功率器件，换流器损耗大，成本很高；（2）基于半桥式子模块和全桥式子模块的混合MMC［13］，比全桥式MMC的成本和损耗有所下降，但是由于半桥式子模块和全桥式子模块的工作状态差异很大，特别是在直流故障期间，所有的全桥式子模块可能需要一直处于投入状态，两类子模块的电容电压平衡较为困难；（3）基于全桥式子模块和串联IGBT的桥臂交替导通换流器AAMC（alternate arm multilevel converter）［14］，可以在直流电压为0的条件下继续工作，但是由于桥臂电流变为交流线电流（不再是交流线电流一半和直流电流之和），串联IGBT需要承受的电压变为交流相电压，导致换流器成本较高，此外还需要解决开关器件直接串联的动态均压问题；（4）基于钳位双子模块的MMC拓扑CD-MMC（MMC based on clamp double sub-modules）［15］，利用子模块电容电压形成反电动势来强制关断二极管，能够快速切除故障电流，虽然比全桥式MMC的损耗和成本有所降低，但是由于附加的IGBT和二极管在故障期间耐压值（为子模块的电容电压）较高，额外成本依然很高。

上述几种方案虽然使得MMC具有了直流故障穿越能力，但是还存在一些应用问题，尤其是在功率器件成本和换流器损耗方面依然偏高，工程实用性不强，并不适合未来高压大容量的发展需求。并且，目前关于MMC直流故障穿越问题的研究主要集中在理论分析和仿真研究层面上，相关物理实验研究并不充分。因此，本文提出一种基于半压钳位子模块的MMC改进拓扑HVC-MMC（MMC based on half-voltage clamp sub-modules），不仅具有故障清除和恢复能力，而且具有极高的经济性，能够满足未来高压大容量的发展要求。在第1节，介绍所提出拓扑的结构特点、故障清除和恢复原理，并与典型改进拓扑在功率器件成本和换流器损耗方法进行对比分析。在第2节，建立1 000 V/20 kW的基于半压钳位子模块的MMC物理样机，通过一系列实验研究该拓扑的直流故障清除和恢复现象，验证所提拓扑的直流故障穿越能力。

1 基于半压钳位子模块的MMC

MMC及典型子模块的电路结构如图1所示。二极管续流效应是基于半桥式子模块的常规MMC无法清除直流故障的原因。为了避免这种续流效应，本文提出了一种半压钳位子模块，它的结构如图1（e）所示。这种子模块在半桥式子模块的基础上，附加了1个保护IGBT（S3）和2个保护二极管（D3和D4），主功率器件（S1、S2、D1和D2）并没有变化。保护功率器件S3和D3串联在桥臂当中，并且与主功率器件的串联方向相反。保护二极管D4将子模块负极与子模块电容中点连接起来（C1= C2=2Cd）。

图1 MMC及典型子模块的电路结构图Fig.1 Circuit of MMC and representative sub-modules

在MMC正常运行时，S3始终开通，D4始终截止。S3和D3轮流导通，形成桥臂电流通路。显然，在正常运行下，半压钳位子模块的工作方式与半桥式子模块非常类似。因此，主功率器件（S1和S2）完全可以采用半桥式子模块的调制方法和平衡控制策略［16-18］，这里就不再赘述。C1和C2可以通过简单的电阻均压硬件电路来保证电压均衡，无需设计电压均衡控制策略。

1.1 故障清除原理

当发生直流故障时，立即闭锁所有IGBT（S1、S2和S3）的脉冲。子模块二极管（D1、D2、D3和D4）会将子模块电容（C2或串联后的C1与C2）引入桥臂当中，利用电容电压来迫使导通的二极管反向截止，从而切断故障电流通路。具体过程如图2、图3所示。

图2 故障清除和恢复过程中半压钳位子模块的电流通路Fig.2 Current path of the half-voltage clamp sub-module during dc fault clearance and recovery

图3 故障清除过程中基于半压钳位子模块的MMC电流通路Fig.3 Current path of HVC-MMC based on the half-voltage sub-module during dc fault clearance

当桥臂电流ibr＜0时，子模块内部的电流通路由2只二极管（D2、D4）和电容（C2）构成，如图2（a）所示。图3（a）为MMC内部的电流通路示意。由于串联起来的电容C2的总电压高于交流电压峰值，二极管D2和D4将承受反向电压［19］。类似地，当桥臂电流ibr＞0时，子模块内部的电流通路由2只二极管（D1、D3）和2个电容（C1、C2）构成，如图2（b）所示。图3（b）为MMC内部的电流通路示意图。由于串联起来的电容C1和C2的总电压高于交流电压峰值，二极管D1和D3将承受反向电压［19］。

由图2、图3可以看出，所有IGBT闭锁后，不论桥臂电流方向如何，所有二极管都会因为承受反向电压而转为截止状态，使得桥臂电流快速地衰减为0，截断故障电流通路。因此，基于半压钳位子模块的MMC拓扑能够迅速地清除故障电流。

1.2 故障恢复原理

在故障电流清除后，通过解除保护IGBT（S3）的脉冲封锁就能够将MMC再次置于不控整流状态。一般情况下，故障清除过程中，各IGBT闭锁速度是很快的，故障清除过程也比较短，子模块电容电压基本会维持在额定值附近。但是，考虑到实际装置中的各类损耗和电容放电回路的影响，子模块电容电压会有一定的损失。如果子模块电容电压很低，在ibr＞0时，子模块电容将会充电，电路如图2（d）所示。直至子模块电容充电结束时，所有子模块都被S3和D2旁路，电路如图2（c）所示。MMC转为不控整流状态，会在直流极间形成整流电压。

等到直流极电压达到整流电压后，就可以继续解除主功率器件（S1、S2）的脉冲封锁，MMC就能够恢复正常运行，逐步抬升功率，恢复到故障前的状态。

1.3 经济性分析

将本文所提拓扑和典型的具有直流故障穿越能力的MMC拓扑，在功率器件成本和换流器损耗方面进行对比，以说明所提拓扑的经济性。为了直观地进行对比分析，以常规MMC为基准进行了标幺化。MMC额定容量为200 MVA，额定直流电压±160 V（Udc=320 kV），额定交流电压为166 kV，桥臂电抗为0.1 H（11%），每个桥臂子模块数目N= 133，子模块电容Cd=5 000 μF，子模块平均开关频率为150 Hz。额定电压为Udc/N的IGBT器件选取英飞凌公司生产的FZ1200R45KL3_B5，额定电压为Udc/2N的IGBT器件选取该公司生产的FZ1200 R17HP4_B2。

功率器件成本主要与换流器所需的功率器件总数及其耐压水平相关。相关计算结果如表1所示。由表1可以看出，本文所提的半压钳位子模块方案的功率器件成本最低，主要是因为半压钳位子模块的结构特点决定了该方案中附加的保护IGBT和二极管的耐压值仅为主IGBT的1/2，因此可以选择耐压值低的功率器件。例如，主IGBT选择3 300 V时，保护IGBT可以选择1 700 V甚至1 200 V。目前，同等电流等级下，耐压值地的功率器件成本会大大下降，例如：额定电压分别为1 200 V、1 700 V、3 300 V、4 500 V的IGBT成本（包括IGBT器件及其驱动电路）约为0.9∶1∶4∶10。因此，虽然半压钳位子模块方案的附件器件数目不低，但是额外成本却很少。考虑到在高压大容量输电应用中MMC可能包含上千个子模块，总体成本会有显著降低。

换流器损耗采用固定节温（125℃）下的线性损耗计算模型［20］，在典型工况下（容量为额定值，功率因数为0.93），计算结果如表1所示。可以看出，工作在软开关状态的桥臂交替导通MMC的换流器损耗最低。相比之下，半压钳位子模块方案的换流器损耗略高，这主要是由附加的保护IGBT和二极管的通态损耗导致的。

综上所述，本文提出的半压钳位子模块方案的换流器损耗略高，但是功率器件的投资成本大大降低，具有良好的经济优势。在应用半压钳位子模块方案时，保护IGBT和二极管应该选择开关损耗大、导通损耗小的功率器件，这样能够进一步降低换流器损耗，提高该方案的经济性。

表1 具有直流故障穿越能力的MMC典型拓扑对比Tab.1 Comparison of several representative MMC topologies with DC-fault ride through capability

2 基于半压钳位子模块的MMC的直流故障穿越的实验研究

为了研究本文所提改进拓扑的直流故障穿越能力，建立了基于半压钳位子模块的MMC物理样机并开展实验研究，实验系统的电路结构如图4所示。物理样机额定功率20 kW，额定直流电压1 000 V，每个桥臂包含4个半压钳位子模块，子模块电容容值为3 000 μF，桥臂电抗为5 mH。

由于直流短路实验会产生较大的冲击电流，如果直接在380 V等级下进行实验可能导致实验室电源装置的破坏。为了保证直流短路实验的安全性，在直流短路实验中将实验交流电源降至100 V，并且将实验样机所标称的额定电流也同比例降低，以保证装置的标么值不变。虽然为保证实验安全将实验电压降低，但是并不会影响到对直流短路故障过程及半压钳位子模块工作原理的验证。图2中的交流系统是通过Chroma 61845回收式电网模拟电源实现的，可以方便调制实验用交流电压。直流短路故障是通过手动操作的刀闸进行模拟的。正常运行时，刀闸处于断开状态，直流侧空载，样机仅向交流电源发送10 A的无功电流。在进行瞬时性直流故障实验时，先手动闭合刀闸，模拟直流侧短路；再手动拉开刀闸，模拟短路点外部故障源消失。

图4 MMC直流短路故障的实验系统示意Fig.4 Sketch map of MMC DC short-circuit fault experimental system

对于常规半桥式子模块MMC在直流故障下的实验现象如图5所示，记录了直流故障发生后MMC样机直流电压、直流电流和桥臂电流的实验波形。该实验令样机的保护IGBT一直处于导通状态，此时基于半压钳位子模块的MMC样机不具有故障清除能力，相当于常规半桥式MMC。可以看出，直流故障发生后，直流电压立即跌落到0。由于二极管续流作用，在短路点形成了很大的直流短路电流（约75 A），导致短路点无法灭弧。桥臂电流过流也非常严重，同时体现出MMC的不控整流状态。

图5 常规MMC的直流短路故障现象Fig.5 Experimental waveforms of HB-MMC during DC short-circuit fault

直流故障的清除过程如图6所示。样机通过检测桥臂电流是否过流来判断是否发生直流故障，一旦检测到直流故障，立即闭锁所有IGBT。可以看出，故障发生约6 ms后，判断出直流故障，开始进行故障清除。经过约4 ms后，完成了故障清除，直流电流和桥臂电流都变为0。这说明本文提出的基于半压钳位子模块的MMC改进拓扑能够快速地实现故障清除。

图6 基于半压钳位子模块的MMC直流故障清除过程Fig.6 Experimental waveforms of fault clearance procedure for HVC-MMC during DC short-circuit fault

直流故障的恢复过程如图7所示。在故障清除后约0.8 s，短路点的外部故障源消失，意味着短路点的绝缘已经恢复。在160 ms后，样机解锁保护IGBT、解锁主IGBT，进行自动恢复。可以看出，仅在20 ms内，直流电压快速重新建立起来，桥臂电流和直流电流也恢复到故障前的状态。这说明本文提出的基于半压钳位子模块的MMC改进拓扑能够在瞬时性故障绝缘恢复后实现自动重启、恢复正常运行。需要指出的是，当前实验中，样机重启的时机是人为干预的，不是根据本地电气量判断的。因此，160 ms是人为干预的延时，并不能代表样机重启所需的时间。实际上，在短路点绝缘恢复时刻，样机就可以重启了。此外，当前实验条件下，瞬时性故障的模拟是通过手动操作刀闸实现的，无法做到令短路点外部故障源在短时间内消失，下一阶段实验将计划利用自动控制的接触器来更为准确地模拟瞬时性故障。

图7 基于半压钳位子模块的MMC瞬时性直流故障的清除和恢复过程Fig.7 Experimental waveforms of fault clearance and recovery procedure for HVC-MMC during non-permanent DC fault

3 结语

直流故障穿越是MMC在高压大容量架空线场合应用必须解决的关键问题。本文提出了基于半压钳位子模块的MMC改进拓扑，详细地分析了其故障清除机理和瞬时性故障下自动恢复的机理。该拓扑利用子模块电容电压，迫使续流二极管截止，切断交、直流短路电流通路，在很短的时间内实现故障清除；通过解锁保护IGBT脉冲将换流器转为不控整流状态以重建直流电压，自动恢复。与现有方案对比，本文提出的改进拓扑的换流器损耗略高，但功率器件成本大大降低，具有良好的经济优势。本文建立了基于半压钳位子模块的MMC物理样机，通过实验详细地研究了该拓扑的直流故障清除和恢复过程，有力地验证了所提拓扑的直流故障穿越能力。

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Research on DC-fault Ride Through of MMC Using Half-voltage Clamp Sub-module

LI Xiaoqian1,LIU Wenhua1,YANG Wenbo1,SONG Qiang1,ZHU Zhe2,XU Shukai2
（1.State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments,Beijing 100084,China; 2.Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid,Guangzhou 510080,China）

High-voltage direct current system using modular multilevel converter（MMC）has potential for wide application in bulky energy transmission.DC-fault ride through is an issue which MMC must deal with.The conventional MMC topologies which are capable to ride through DC faults have relatively high semiconductor costs and converter losses, and their experimental verifications are insufficient.This paper proposes a MMC topology using half-voltage clamp submodule,which not only can use the sub-module capacitor voltages to actively eliminate the freewheeling effect of diodes and thereby achieve fast fault clearance and automatic recovery,but also has low extra cost.Accordingly,a 1 kV/20 kW laboratory prototype is built and experiments have been conducted to research the dc-fault clearance and recovery phenomenon and verified the dc-fault ride through capability of the proposed topology.

modular multilevel converter（MMC）;DC line fault;DC fault ride through