基于三电平子模块的倍电平复合式MMC变换器

2015-02-18王忠旭DerrickHolliday姚良忠BarryWilliams

电源学报 2015年6期

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.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨150001；3.中国电力科学研究院，北京100192）

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

为了降低模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter）的接线复杂度和通信失效故障概率，ABB提出了采用压接式IGBT串联的级联两电平CTL（cascaded two-level）变换器。由于桥臂子模块数由数百降为几十，CTL变换器输出电压电平数较少，需要在交流侧安装滤波器。为此，提出了基于三电平TL（three-level）子模块的倍电平复合式MMC变换器VLD-HMMC（voltage-level-doubler hybrid MMC）。每个桥臂有TL、半桥HB（halfbridge）子模块混合组成，且交流侧串联有一个全桥FB（full-bridge）子模块,输出电压电平数提高了1倍，从而省去了交流滤波器。各子模块具有脉冲自主触发功能且其功率开关由压接式器件串联组成，降低了桥臂子模块数，简化了控制器与主电路之间的接线复杂度，降低了通信故障的概率。单个功率开关短路故障不会影响系统正常运行，并且可避免了子模块电容的过度放电，保护电容器和功率开关，提高变换器的可靠性及故障穿越能力。所提拓扑结构实现了直流故障穿越运行，为HVDC换流站的设计提供了技术参考。

模块化多电平变换器（MMC）；高压直流输电；级联两电平变换器；直流双极短路故障；三电平子模块

引言

近年来，基于模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter）的高压直流输电HVDC（highvoltage dc）技术得到了迅速发展［1］。为了解决直流短路故障保护问题同时实现系统性能的优化，除全桥FB（full-bridge）子模块MMC变换器（FB-MMC）［2,3］、变桥臂多电平变换器［4,5］、复合级联FB多电平变换器［6,7］、复合式MMC变换器［8］外，海内外学者还提出了多种其他不同拓扑结构的MMC变换器。

文献［9，10］对钳位型双子模块进行了研究，与FB-MMC相比，它的导通损耗降低了1/4。对于交流短路故障，钳位型双子模块的电容相串联以提供反向阻断电压，但是当直流侧发生双极短路故障并关断功率开关后，子模块的两个电容并联连接，因此仅能利用一半的电容电压来阻断直流故障电流。当与半桥HB（half-bridge）子模块混合使用以组成复合式MMC变换器时，需要更多的钳位型双子模块来获得直流故障阻断能力，这增加了变换器的导通损耗及所需的功率开关器件数量。

文献［11,12］对复合式子模块进行了论述，它将HB子模块和FB子模块相互连接，既可以阻断直流故障电流又降低了导通损耗及所使用的功率开关器件数量。与钳位型双子模块相比，复合式子模块也仅利用了一半的电容电压来阻断直流故障，且使用一个IGBT代替了一个二极管，增加了系统的成本。交叉连接子模块有效利用了全部电容电压来阻断直流短路故障电流［11,13］，但是钳位开关器件S1、S2、D1和D2承受2倍子模块电容电压，因此需要将功率开关器件串联连接，以满足耐压要求。文献［14］提出了三电平TL（three-level）子模块，与其它拓扑结构相比，其所需的功率半导体器件大为降低，并且充分了利用了子模块电容电压来阻断直流故障电流，为HVDC换流站的直流故障保护提供了可行的技术参考。

在VSC-HVDC实际工程应用中，直流电压通常为几百kV，因此，MMC变换器的每个桥臂需要数百个子模块，且子模块和控制器之间通过光纤连接以防止高压主电路对控制电路的正常运行产生干扰。巨大的子模块数量增加了线路的复杂性，考虑到通信失效故障，也降低了系统的可靠性［15］。为此，ABB在文献［16］中提出了级联两电平CTL（cascaded twolevel）变换器，桥臂子模块数由数百降为几十，大大简化了系统线路连接的复杂性。子模块功率开关器件由压接式IGBT串联组成，这一技术成功应用于当前两电平电压源高压直流输出VSC-HVDC（voltagesource-converter HVDC）领域，较为成熟并具有很好的可靠性。当某个功率开关失效产生短路故障时，其他器件可以分担更多的电压，变换器仍可维持正常运行，并避免了子模块电容的过度放电，保护了电容及功率开关器件，提高了变换器的可靠性及故障穿越能力。但是，由于子模块数较少，CTL变换器输出电压电平数通常为几十甚至十几，因此在交流侧需要安装滤波器，增加了系统的成本及体积［16］。

为解决上述问题，本文提出了基于TL子模块的倍电平复合式MMC变换器VLD-HMMC（voltagelevel-doubler hybrid MMC），提高输出电平数，省去了交流侧滤波器，降低系统成本及体积，并改善交流侧变压器的绝缘要求。提出采用TL子模块和传统HB子模块并结合压接式IGBT组成复合式MMC电路，降低了子模块和半导体功率器件的数量，且各子模块具备自主触发功能，简化了系统接线的复杂度，提高了系统可靠性。

1 拓扑结构

基于TL子模块的倍电平复合式MMC变换器如图1所示，它由MMC电路和交流侧FB子模块组成，前者用来产生基波电压，交流侧FB子模块起滤波作用。MMC电路的每个桥臂均由g个TL子模块和h个HB子模块混合组成，并且其电容电压相同，均为

式中：Vdc为直流电压；N为每桥臂等效子模块数。交流侧FB子模块的电容电压为TL和HB子模块电容电压的1/2，即

所提变换器的子模块所使用的功率开关器件均由压接式IGBT（二极管）串联组成，当单个功率开关出现短路故障时，不会对系统正常运行产生影响，且避免了子模块电容的过度放电，保护了电容器和功率开关。每桥臂子模块数采用ABB所建议的典型值，通常为十几到几十个，且每个子模块均具有自主触发功能，可以根据接收到的控制器指令实现自主调制并产生PWM信号，从而大大简化了系统接线的复杂度，降低了通信故障的概率。由于TL子模块的最大输出电压为HB子模块的2倍，因此当采用TL子模块代替ABB提出的±320 kV CTL变换器中的HB子模块时，每桥臂子模块数可以由38降低到19，TL子模块的使用进一步简化了系统线路的复杂性。

图1 基于三电平子模块的VLD-HMMC变换器Fig.1 Three-level submodule based VLD-HMMC

2 工作原理

由于使用的子模块较少，MMC电路所产生的阶梯电压VT（VH）较大，输出电压VMMC含有较大的谐波，这导致在ABB提出的CTL变换器交流侧必须使用滤波器来滤除谐波成分。在所提拓扑结构中，由于交流侧FB子模块的存在，变换器输出电压Vo的阶梯为VT/2，与CTL变换器相比降低了1/2，因此谐波成分大为降低，从而省去了交流滤波器，降低了系统成本及体积，并改善了交流侧变压器的绝缘要求。

VLD-HMMC输出电压波形及FFT分析如图3所示。由图可见，由于交流侧FB子模块的使用，输出电压阶梯降低了1/2，THD则由22.57%降低到12.85%。且FB子模块仅对MMC电路产生的谐波电压进行补偿，并不会对输出电压基波产生影响，因此其电容量大大低于TL及HB子模块。

图2 VLD-HMMC输出电压波形及其FFT分析Fig.2 Output voltages and their FFT analyses of VLD-HMMC

VLD-HMMC变换器的每个桥臂及交流侧FB子模块均可等效为可控电压源，如图3所示，图中Larm、Rarm分别为桥臂电感及包含电感电阻在内的桥臂线路电阻。根据图3所示等效电路，上、下桥臂电流及交流电流的动态特性可描述为

图3 VLD-HMMC等效电路Fig.3 Equivalent circuit of VLD-HMMC

式中：k=a,b,c；VHuki、VHlki、VTuki、VTlki分别为上、下桥臂第i个HB子模块和TL子模块的电容电压；sHuki、sHlki、sTuki、sTlki分别为上、下桥臂第i个HB子模块和TL子模块的开关函数；VFk、sFk分别为交流侧FB子模块的电容电压和开关函数。上述开关函数定义为

VLD-HMMC变换器的总阻断电压Vblock由上桥臂阻断电压、另一相下桥臂阻断电压以及相应两相的交流侧FB子模块电容电压组成，如果Vblock大于交流侧线电压峰值，关断变换器后则可以将直流故障电流抑制为0。由于交流侧相电压峰值须小于变换器的最大输出电压Vdc/2，因此可以得到

由式（7）可得，阻断直流故障每桥臂所需TL子模块的最小值为

假设式（8）为整数，则可以算得每相IGBT数、二极管数及每相电流流经IGBT数分别为

根据以上数据，VLD-HMMC变换器与CTL变换器的性能对比如表1所示。与ABB所提CTL变换器相比，VLD-HMMC变换器使用了相对较多的IGBT和二极管，且电流流经的功率开关器件较多，但是其相电压电平数提高了1倍，从而省去了交流侧滤波器，且可以阻断直流双极短路故障。与具有直流故障阻断能力的其他拓扑结构相比，所提拓扑结构所使用的IGBT、二极管数量以及导通损耗仍然有所降低［14］。

表1 CTL变换器与VLD-HMMC变换器的性能比较Tab.1 Performance comparison between CTL and VLD-HMMC

3 仿真研究

为了验证上述分析的正确性，对基于TL子模块的VLD-HMMC变换器进行了仿真验证，仿真系统如图4所示，具体仿真参数见表2。故障发生前，换流站VLD-HMMC1调节系统功率，向交流电网G1传输1.5 GW额定功率；换流站VLD-HMMC2控制直流侧电压，且两换流站均处于单位功率因数运行状态［18］。假定在t=1.3 s时直流电缆中点发生直流双极短路故障，监测到故障后关断相应换流站以避免损坏系统。故障维持280 ms后被清除，然后重新启动系统，并恢复到故障前的运行状态。尽管所提变换器具有直流故障阻断功能，但在实际工程应用中仍需要在交流侧安装断路器，从而方便系统的安装、调试，因此仿真中将交流断路器动作时间设为40 ms，仿真波形如图5所示。

图4 基于VLD-HMMC的点对点HVDC系统Fig.4 Point-to-point HVDC link with VLD-HMMCs

当t=1.3 s直流故障发生后，直流电压跌落为0，如图5（a）所示。监测到故障后变换器的门极驱动信号被关断，从而触发变换器的直流故障电流阻断功能，三相交流电流和桥臂电流均降为0，因此变换器传输功率相应降为0，如图5（c）～（f）所示。从故障发生到关断换流站期间，由于直流故障电流的存在，上下桥臂出现冲击电流，但远小于保护电流阈值2 p.u.，避免了功率开关器件的损耗。当t=1.58 s时，直流故障被清除，然后换流站VLD-HMMC2被触发，并将TL子模块电容逐步接到正负直流母线上，从而对直流电缆进行充电并逐步建立直流母线电压，以减小直流电压、电流的震荡。当直流母线电压恢复到额定电压附近时，交流断路器闭合，VLDHMMC2被完全使能并将直流电压控制在额定值。此后，换流站VLD-HMMC1被触发从而在100 ms内将有功功率以斜坡方式从 0逐渐增加到-1.5 GW，以避免暂态震荡。

如图5（i～l）所示，换流站TL、HB子模块的电容电压均在100 kV附近波动，实现了电容电压的均衡；交流侧FB子模块的电容电压被控制在50 kV附近，且其受直流故障影响小于TL、HB子模块。

表2 仿真系统额定值Tab.2 Simulation System Nominal Parameters

图5 直流双极短路故障穿越运行仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of fault ride-through operation during pole-to-pole DC fault

4 结语

本文提出了基于TL子模块的VLD-HMMC变换器，每个桥臂有TL、HB子模块混合组成，且交流侧串联有一个FB子模块。与ABB提出的CTL变换器相比，所提拓扑输出电压电平数提高了1倍，省去了交流滤波器，降低了系统成本及体积。TL子模块及压接式IGBT（二极管）的使用，降低了桥臂子模块数，且各子模块具有脉冲自主触发功能，简化了控制器与主电路之间的接线复杂度，降低了通信故障的概率，提高了系统可靠性。当单个功率开关出现短路故障时，避免了子模块电容的过度放电，保护了电容器和功率开关，且单个功率开关的退出不会对系统性能产生影响，提高了变换器的可靠性及故障穿越能力。由于TL子模块的使用，所提拓扑具备直流故障电流阻断功能，在双极直流短路故障情况下，避免了功率器件的损毁，保护了变换器，实现了HVDC系统的直流故障穿越运行。

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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