基于单箝位型子模块的MMC及拓扑改进方案

王朝亮，许建中，赵成勇，赵鹏豪，宗 波，3

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014；2.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206；3.国网智能电网研究院，北京 102200）

0 引言

近年来，模块化多电平换流器MMC（Modular Multilevel Converter）发展迅速，并已成功应用在高压直流输电系统HVDC（High Voltage Direct Current system）领域[1-5]。基于模块化多电平换流器的高压直流输电（MMC-HVDC）是电压源换流器型高压直流输电 VSC-HVDC（Voltage Source Converter-HVDC）技术向高电压大功率方向发展的最新成果[1-2]。与传统基于电压源换流器的两电平、三电平VSC-HVDC相比，MMC采用了模块化结构，通过改变子模块数目可以实现电压及功率等级的灵活变化，并且具有开关频率低、损耗小、谐波含量和电磁干扰小、结构简单、易于扩展等诸多优点[1-10]，非常适合高电压、大功率的供电场合，在大规模风电并网、电网互连、黑启动、城市中心供电等领域具有广阔的应用前景。

直流故障是MMC-HVDC工程运行中必须考虑的故障类型，其对系统控制器及工程参数设计有重要影响。目前高压大容量直流断路器制造工艺尚不成熟，其工程应用还无法在短时间内实现[11-15]，因此直流侧故障只能够通过跳开交流断路器来切断故障电流，但该方法却带来了系统响应速度较慢、重新启动配合动作时序复杂、恢复时间长等一系列问题，这给系统的可靠性带来了严重影响。开发及研究具有直流故障穿越能力的MMC结构或类似结构已经成为了业界的关注热点。半桥子模块HBSM（Half-Bridge Sub-Module）、全桥子模块 FBSM（Full-Bridge Sub-Module）和双箝位型子模块CDSM（Clamp-Double Sub-Module）是 MMC 主要的子模块可选结构[16-17]，分别采用这3种子模块结构的MMC本文称为HBMMC、FBMMC和CDMMC。HBSM的损耗小、成本低，但是HBMMC不具备直流故障穿越能力。FBMMC和CDMMC具有直流故障穿越能力，由于FBMMC需要双倍数量的半导体器件，初期投资和运行损耗较大，限制了它的商业应用。CDMMC既可通过自身闭锁来切断直流故障电流，初期投资和运行损耗比FBMMC也小，但CDMMC的子模块在闭锁时会因为桥臂电流方向的不同导致子模块中的2个电容呈现出不同联接形式，根据电流方向对外显示不同的电压，导致换流器闭锁时间延长，影响切断故障电流的速度，其直流故障穿越能力弱于FBMMC。

本文在目前MMC拓扑结构研究及改进方案的基础上提出了一种单箝位型子模块SCSM（Single-Clamp Sub-Module）拓扑结构，基于SCSM的 MMC称为SCMMC（Single-Clamp MMC）。在不改变当下MMC的控制策略、调制策略和均压策略的情况下，SCMMC可以通过闭锁换流器自身来切断短路故障电流，能够很好地应对瞬时性直流故障，具有很强的直流故障穿越能力，有利于提高系统的可靠性。同时，为了降低工程造价和提高经济效益，提出采用SCSM和CDSM级联的混合MMC及采用SCSM和HBSM级联的混合MMC拓扑改进方案，可以根据工程造价及控制技术进行灵活配置，提高了SCSM的工程实用能力，最后对所提结构进行了仿真验证并对不同的MMC拓扑结构进行了对比分析。

1 SCMMC及子模块的结构

SCMMC的结构仍然采用MMC的通用拓扑结构，如图1（a）所示，共有3个相单元，每个单元分为上、下2个桥臂，每个桥臂由按工程需求确定的N个子模块串联组成。Udc为SCMMC的直流电压，i为桥臂电流，L为桥臂电抗。

图1 SCMMC拓扑结构Fig.1 Topology of SCMMC

由于HBSM在故障时无法通过闭锁来切断故障电流，本文提出SCSM的拓扑结构，其在HBSM的基础上增加 1 个 IGBT（VT3）和 2 个二极管（VD3、VD4）。SCSM 结构如图1（b）所示，它包括 3 个 IGBT（VT1、VT2、VT3）、3 个反向二极管（VD1、VD2、VD3）、1 个反向独立二极管VD4及1个电容器C。在稳态运行时，VT3一直导通，可通过控制其他2个IGBT的开通和关断来输出0、1这2种电平状态。稳态运行时SCSM的电流通路见图2。SCMMC稳态运行时子模块的运行状态见表1，稳态运行时子模块有2种模式，换流器闭锁时的子模块工作状态为模式3。

图2 稳态时的电流通路Fig.2 Current path in steady state

表1 SCSM的工作状态Table 1 Operating status of SCSM

SCMMC稳态运行时，VT3一致处于导通的工作状态，但VT3并非一直过电流，而是VT3和VD3交替通过方向不同的电流，等效为短路，而VD4由于电容两端电压作用而处于反向偏置状态，等效为开路，所以当下较为成熟的MMC工程化的控制策略、调制策略和均压策略均可直接移植到采用SCSM的MMC上，仅需在子模块控制器里增加功率器件VT3的控制即可完成有效的系统控制。

在直流侧发生故障时，SCSM中的3个IGBT均被闭锁，见图3，虚线箭头为桥臂电流的方向。无论桥臂电流方向如何，SCSM在闭锁时电流都对子模块电容进行充电，模块输出电压均为UC，根据该特点可对直流故障电流进行抑制。SCSM的本质是在HBSM、FBSM和CDSM基础上进行拓扑改造，在尽可能降低IGBT器件用量的基础上实现FBSM的闭锁能力。

图3 故障闭锁时的电流通路Fig.3 Current path during fault blocking

2 SCMMC的直流故障穿越机理分析

在系统正常运行情况下，SCMMC与HBMMC结构是一样的，直流电压、模块电压与阀侧交流电压关系见式（1），其中 UC为单个子模块电容电压，Um、UL分别为交流相电压和线电压幅值，m为调制比，一般取0.85左右，N为单个桥臂上SCSM子模块个数。

在直流侧故障中，双极短路故障时最为严重的一种故障，对设备参数设计、保护配置和控制策略都有重要影响，故本文主要针对这种严重直流故障进行讨论。为了更好地分析SCMMC的直流故障穿越的机理，SCMMC-HVDC系统发生双极短路故障也可以按文献[15，18]的方法按闭锁前后分为故障检测和故障穿越2个阶段来分析。

在故障检测阶段，SCMMC发生双极短路的过程跟HBMMC的过程是一样的，电容会进行放电，桥臂的过电流包含子模块电容的放电电流和交流系统馈入的短路电流，且过电流主要是子模块电容放电造成的。闭锁前的故障检测阶段由于系统控制保护反应通常会产生2～5 ms的闭锁延时，由于故障瞬间直流电压Udc和电感电流Idc均不会突变，因此SCMMCHVDC闭锁前的放电过程是一个已知电路初始条件的振荡放电过程，其电路结构如图4所示，其中R为桥臂杂散电阻，Ldc为SCMMC-HVDC直流线路上的等效电抗，Rf为直流线路到故障点间的线路电阻。

图4 闭锁前的电流通路Fig.4 Current path before blocking

在故障穿越阶段，为从理论上基本分析出SCMMC的直流故障穿越能力，进行简化分析，仅考虑直流侧故障闭锁后SCMMC投入充电的子模块电容数目。在直流故障发生后，虽由于SCSM电容的暂时放电会造成模块电容电压的降低，但由于桥臂电抗的限流作用和系统的快速闭锁措施，电容电压降低的程度不会很大。根据图5，当直流侧发生两极短路故障时，电容充电电流将在不同相的上、下桥臂间循环流动，此时对于SCMMC有2N个SCSM电容投入充电，而两相桥臂间电压为交流线电压，由式（1）得：

图5 SCMMC直流侧故障闭锁电流路径Fig.5 Current path of SCMMC during DC fault blocking

值得一提的是，当直流侧发生单极接地故障时，根据图5，桥臂中有N个SCSM共计N个电容投入充电，桥臂两端电压为交流相电压，同理由式（1）有：

通过上面的基本分析可知，当发生直流故障，伴随着投入子模块电容的充电效应，SCMMC都能够保证投入模块电容电压之和迅速大于交流电压的幅值，达到抑制故障电流的效果，实现直流故障穿越。

3 拓扑改进方案

SCMMC通过进行快速闭锁可以迅速切断直流故障电流，实现直流故障穿越。但是SCMMC仍然存在明显的不足：虽然与FBSM相比，SCSM所需的半导体器件IGBT减少了1/4，但是相比于CDSM和HBSM，其所需的半导体器件仍然很多，初期投资和稳态运行损耗过大。通过分析可知，由于在稳态运行时SCSM中的VT3/VD3器件一直导通，其损耗会大于其他2组半导体器件，因此降低该器件的数量能够有效降低工程投资成本和损耗。为此，本文结合其他子模块结构，提出了以下2种改进结构。

3.1 改进结构1

由文献[15-17]知，CDSM因为桥臂电流方向不同对外显示出不同的电容电压，闭锁后若直流网络能量过大会造成直流故障电流清除时间延长，甚至会引起子模块电容电压增幅较大，危害器件。为弥补CDMMC和SCMMC的不足，并充分发挥两者的优点，本文提出采用SCSM和CDSM的混合MMC的拓扑改进方案，称之为SC-HMMC（Hybrid MMC adopting SCSMs and CDSMs），具体结构见图6，桥臂由 NS个SCSM和NC个CDSM混合级联构成。SC-HMMC在发生直流故障时的放电过程与HBMMC是一样的，但是由于桥臂上采用2种子模块结构均具有直流故障穿越能力，因此桥臂子模块的种类数量在满足式（4）的条件下，可以根据工程实际情况及控制保护的要求进行灵活配置，为了便于分析，针对SC-HMMC结构，本文后面的对比分析中2种子模块结构的电容数量各占一半，即NS=0.5 N、NC=0.25 N。

图6 SC-HMMC拓扑Fig.6 Topology of SC-HMMC

3.2 改进结构2

HBSM结构不具有穿越直流故障的能力，但是其投资成本比较小，而SCMMC能够穿越直流故障，但投资成本和损耗相对较大，为了扬长避短，充分发挥2种结构的优势，本文提出采用SCSM和HBSM的混合MMC的拓扑改进方案，称为SH-HMMC（Hybrid MMC adopting SCSMs and HBSMs），具体如图7所示，桥臂由NS个SCSM和NH个HBSM混合级联构成。

图7 SH-HMMC拓扑Fig.7 Topology of SH-HMMC

SH-HMMC发生直流故障后，在闭锁前的故障检测阶段，子模块电容会进行放电，放电过程与HBMMC相同。在系统闭锁后，SH-HMMC闭锁电流充电通路如图8所示，单个桥臂上的子模块的选取需要考虑以下3点原则（暂不考虑冗余）：

a.单个桥臂上子模块SCSM和HBSM的个数之和需要满足工程需要的个数N；

b.SCSM和HBSM个数的选择需要满足相间回路间电容提供的反向电压大于线电压幅值；

c.SCSM和HBSM个数的选择需要满足单个桥臂的电容提供的反向电压大于交流相电压幅值。

故SH-HMMC单个桥臂上子模块的选取需满足：

图8 SH-HMMC直流侧故障闭锁电流路径Fig.8 Current path of SH-HMMC during DC fault blocking

通过分析式（1）和式（5），并结合图7可得到SH-HMMC能够穿越直流故障的单个桥臂SCSM个数NS的取值范围，如式（6）所示。

其中，〈x〉表示大于参数x的最小整数。

由于MMC的调制比m的极限值为1，因此考虑到MMC运行中的各种工况，桥臂上SCSM个数NS的取值范围可以修正为：

通过式（7）分析可知，在充分考虑系统承受力的基础上尽可能节省投资成本和降低运行损耗，SHHMMC的单个桥臂SCSM个数NS=0.5N较为合理（后文的仿真和对比以此比例为例）。

由于SH-HMMC桥臂上SCSM个数可以在满足式（7）的条件下进行灵活配置，增加SH-HMMC桥臂上SCSM个数，即增加闭锁后桥臂上充电的电容数量，可以提高故障电流清除速度和降低子模块电容电压的增幅，但这样就会增大工程投资成本和运行损耗。为此可以参考文献[15]中研究思路，在SHHMMC中的SCSM结构加入阻尼电阻，如图9所示，这样会在不增加SCSM个数的前提下增大系统阻尼，可以降低子模块电容电压上升幅度和加快系统的直流故障电流抑制速度，很好地实现完全闭锁。但是此种阻尼结构在故障闭锁瞬间会增大SCSM中VT3/VD3器件承受的反向电压，这对于在柔性直流工程中使用的单个IGBT器件而言是无法承受的，现有的单个器件均无法满足此要求，必须采用其他的技术方式（如对器件进行压接等）来实现，但会极大提高子模块技术成本，因此采用加入阻尼的SCSM的SH-HMMC的方案在工程实施前需要进行详细的工程论证和仿真验证。为保持器件耐压的一致性，本文在目前材料技术及加工工艺条件下不推荐采用带阻尼的子模块结构，仅是作为一个思路予以交代。

图9 带阻尼的SCSM结构Fig.9 Topology of SCSM with damping

实际中，当SH-HMMC直流侧故障闭锁后，投入模块电容电压由于桥臂电流的充电效应会有不同程度的上升，而其中影响电容电压上升幅度的重要因素是闭锁瞬间桥臂电流的大小，桥臂电流越大，则闭锁后子模块电压上升幅度也就越大。而故障闭锁前桥臂电流的大小除了受桥臂电抗的影响外，还会受到系统闭锁延时的影响，在桥臂电抗一定的情况下，系统闭锁延时越长，则造成的桥臂电流也越大。需要说明的是，SH-HMMC是在闭锁时以桥臂上的SCSM的电容电压建立的反向电压，因此SCSM充电有过充的风险，因此可以考虑以下2种措施：在换流器出口配置平波电抗器来限制短路电流；优化故障检测手段，缩短闭锁延时时间，尽快向换流器发出闭锁信号，减少电容的放电时间。

4 仿真验证及对比分析

4.1 仿真验证

为验证所提SCSM拓扑结构及系统的有效性，本文参考中国舟山多端柔性直流输电工程的参数，在PSCAD/EMTDC环境下建立了如图10所示的21电平的两端MMC-HVDC的系统，调制策略采用最近电平逼近调制策略，子模块均压策略采用工程中常用的排序均压法。系统参数设置如下：额定直流电压为±200 kV，额定传输容量为400 MW，换流变压器T1和T2的容量均为450MV·A，采用Y0/△接法，变比均为230 kV/209 kV，漏抗电感值LT=0.054 H，桥臂电抗电感值L=0.061 H，电容C=0.5 mF，子模块电容额定电压UC=20 kV（虽能承受如此高电压等级的IGBT目前仍无法制造，但本文以穿越直流故障的拓扑结构为研究目的，较低电平数可提高电磁暂态仿真速度），直流线路为10 km的架空线。仿真以SH-HMMC为例进行，单个桥臂的子模块SCSM个数NS=10，HBSM的个数NH=10。为模拟直流故障，设定t=2 s时SHHMMC系统在图9的直流线路中间5 km处发生双极短路故障，经过2 ms故障检测延时，换流器闭锁。

图10 仿真系统主电路Fig.10 Main circuit of simulation system

图11是改进拓扑SH-HMMC的故障仿真分析。在图11（a）中，闭锁换流器后，由于桥臂子模块电容充电提供了反向偏置电压，桥臂电流迅速衰减，从而实现了对桥臂器件的保护。在图11（b）中，交流电流同时也衰减为零，从而可以避免依靠交流断路器来切断故障电流。在图11（c）中，由于SCMMC拓扑切断了交流侧向直流侧馈入故障电流路径，直流电流很快衰减为零（清除时间12 ms以内），实现了直流故障穿越。图11（d）是a相上桥臂20个子模块电容电压波形，从图中可以看出，在闭锁后，SCSM中的电容电压在充电效应下有所升高，而HBSM由于其拓扑特点，其电容基本被旁路，充电能量较少，在闭锁后电容电压基本保持不变。

图11 直流故障穿越仿真Fig.11 Simulation of DC fault ride-through

4.2 不同结构对比

为了更好地比较不同MMC拓扑结构的特点，以4.1节的21电平仿真系统为例，对采用不同子模块的MMC的特点进行分析，其对比结果如表2所示，其中，SC-HMMC单个桥臂中SCSM为10个，CDSM为5个；SH-HMMC单个桥臂中SCSM为10个，HBSM为10个；损耗评估依据文献[19-21]方法进行评估，并以HBMMC的损耗为基准。为了对比不同结构的直流故障的穿越能力，采用了不同MMC结构进行仿真（2 s系统发生双极直流故障，检测延时5 ms后系统闭锁），其直流故障电流如图12所示。

通过表2和图12可知，在以上6种MMC结构中，HBMMC所用的半导体器件最少，稳态运行损耗也最小，因此目前的MMC工程均是采用HBMMC结构。但HBMMC无法通过闭锁换流器来切断直流故障电流，限制了其在长距离直流输电和多端系统中的应用。与之相比，FBMMC能够通过闭锁换流器自身瞬间切断故障电流，但是FBMMC需要双倍数量的半导体器件，初期投资过大，并且稳态运行损耗要比HBMMC大很多，经济性较差。SCMMC与FBMMC具有相同的直流故障穿越能力和运行损耗，其在闭锁后，2种结构的直流故障电流清除时间相同，但SCMMC中的IGBT的器件量相对于FBMMC要少用1/4，工程投资成本减小。SC-HMMC相对于FBMMC和SCMMC的器件用量和运行损耗进一步减小，直流故障电流清除时间优于CDMMC，其本质是从拓扑结构角度改善了CDMMC的直流故障穿越能力，是一种介于中间状态的拓扑结构。SH-HMMC和CDMMC的IGBT器件用量和运行损耗相同，仅SHHMMC的二极管用量有所减少，SH-HMMC的清除时间略小，这是由SCSM闭锁后充电造成的电容电压上升较快所致。

表2 不同MMC拓扑结构的特性比较Table 2 Comparison of performance among different MMC topologies

图12 不同系统的直流短路电流Fig.12 DC short circuit current of different systems

对于图2分析，采用文献[12]提出的直流故障穿越指标DFRTI来衡量可以得到式（8）：

此外，SC-HMMC和SH-HMMC可根据工程造价及控制保护技术水平灵活配置SCSM数量，提高了系统的实用工程能力。SCSM可和其他子模块结构进行混合配置，可根据系统的控制保护性能，配置不同的子模块结构和数量，改善MMC结构的性能，并可实现控制性能和经济效益的有效平衡。

5 结论

针对目前工程界普遍使用的HBMMC无法通过闭锁来迅速切断直流故障电流的问题，本文提出了一种SCSM拓扑结构，分析介绍了SCMC的结构特点并详细分析了采用基于SCSM的MMC-HVDC柔性直流输电系统的直流故障穿越机理。针对SCMMC器件用量和运行损耗仍然偏大的问题，本文提出了采用SCSM和CDSM级联构成MMC、采用SCSM和HBSM级联构成MMC的2种拓扑改进方案。仿真验证及对比分析可知，SCSM可以灵活配置，与多种子模块进行混合级联，在充分发挥不同子模块结构优点的基础上可以根据工程造价和控制保护性能灵活配置不同子模块结构和数量，从而可以实现控制性能和经济效益的有效统一。