具有直流故障电流阻断能力的MMC子模块拓扑结构研究

唐立，袁旭峰，李宁，唐圣辉，谈竹奎

（1.贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州电力科学研究院，贵州 贵阳 550002）

具有直流故障电流阻断能力的MMC子模块拓扑结构研究

唐立1，袁旭峰1，李宁1，唐圣辉1，谈竹奎2

（1.贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州电力科学研究院，贵州 贵阳 550002）

由于直流断路器成本较为昂贵，尚处于试验阶段，具备直流故障电流阻断能力的MMC拓扑才是实现输配电网可控性，提高MMC运行可靠性的关键。在分析了传统半桥型模块化多电平换流器（half bridge sub-module based modular multilevel converter，HBSM-MMC）直流故障电流路径的基础上，对具有直流故障电流阻断能力的MMC子模块拓扑结构进行综述。分析了桥式子模块和箝位型子模块拓扑的直流故障电流阻断原理和故障时的电流路径，并对各种子模块拓扑的性能特点进行对比分析、归纳总结，为业内学者开展相关研究提供参考。

模块化多电平换流器；直流故障；子模块；故障阻断

采用模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）构建的输电系统是一种新型灵活高效的柔性输电系统[1-4]。与传统的两电平电压源换流器（voltage source converter，VSC）、中点箝位型（neutral point clamped，NPC）、飞跨电容型（flying capacitor，FC）三电平换流器相比，MMC采用模块化设计，通过调整功率单元的接入数量便可实现对MMC系统的功率和电压等级的调节，便于系统扩容。此外模块化的特点使得MMC具有较强的硬件和软件兼容性，易于冗余设计[5-7]。与级联H桥型换流器相比，MMC具有公共直流母线，无需集中电容或其他无源滤波器进行直流侧滤波，便可得到高质量的电压电流波形。公共直流母线的存在也使得MMC可以在背靠背系统中应用，提高系统可靠性的同时，也有利于降低系统成本。MMC自身的这些特点使得其在高压直流输电领域更有竞争力[8-9]。

对于长距离架空输电线路，不可避免会发生直流短路故障。采用铺设电缆的方法，可以大大降低发生直流故障的概率[10-11]，但电缆价格昂贵，而且部分场所因为实际情况的限制无法铺设电缆，而只有选择架空线路[12]。鉴于直流故障电流的巨大应力，如果故障电流得不到及时迅速地清除，很可能造成功率器件的永久性损坏，甚至会使故障扩大，使整个系统崩溃，停止运行[13-14]。

一般而言，针对直流故障可以断开交流或直流断路器（circuit breakers，CB）间接断开交流电网与故障点的连接[15-17]。然而常规的机械断路器响应慢，并且功率器件在断路器响应期间仍然需要承受高电流应力[18-19]。固态直流断路器具有快速中断直流故障电流的能力，但是由于其主电路全部采用半导体材料，成本高昂，并且其通态损耗较大[20-21]。针对上述问题，文献[22-24]提出了混合直流断路器。其在正常运行时，机械路径作为电流的主要流通路径，这样可以减小损耗；故障时，断开直流固态断路器用于故障隔离。然而这样的混合直流断路器具有相对较大的体积，且其成本仍然较高[24]。

针对现有的技术缺陷，国内外相关学者在具有直流故障电流阻断能力的MMC子模块拓扑方面开展了广泛深入的研究，并取得了不错的研究成果，提出了多种不同的具有直流故障电流阻断能力的子模块拓扑[25]。

1 MMC主电路

三相半桥型子模块（half-bridge sub-module，HBSM）的MMC电路通用拓扑结构如图1所示。其包括A、B、C 3个相单元，每个相单元分为上、下2个桥壁，每个桥壁由若干个子模块（sub-module，SM）串联构成，上、下桥壁完全对称。其中Ua、Ub、Uc为交流侧电压，Ls为交流侧电感，Lx为桥壁电抗器，LDC为直流侧平波电抗器，RDC为故障时故障点到换流器直流侧的等效电阻，UDC为直流侧电压[26]。可以通过改变MMC子模块投入数量来改变其输出电压等级。其中桥壁电抗器Lx有减小相电流变化率和抑制相间环流的作用。直流侧电容正常工作时为系统输出提供电压支撑，故障时为续流二极管提供反向阻断电压。续流二极管在IGBT闭锁时提供电流通路[27]。

图1 三相半桥型子模块MMC及其直流故障时电流路径Fig.1 Three-phase MMC with half-bridge sub-module and current path of MMC during DC fault

已投入运行的MMC直流输电系统均采用图1所示的半桥型子模块拓扑，如西门子公司在2010年建成的美国Trans bay cable 200 kV直流输电工程[28]和我国浙江舟山多端柔性直流输电工程[29-30]等。半桥型子模块发生直流故障后，其中以A、B两相为例分析其电流流向，其余任意两相之间同理。当电流从A相流向B相时，交流侧电流对所有子模块电容串联充电，如图1路径①所示；当电流从B相流向A相时，交流侧电流通过续流二极管持续向故障点注入电流，如图1路径②所示。鉴于此，无论何种情况下直流故障电流均不会自动清除[31-32]。采用自身具有故障电流阻断能力的子模块拓扑，利用子模块电容电压的箝位作用，可以在故障时阻断交流侧持续地向故障点注入电流，达到阻断直流故障的目的。

2 桥式子模块拓扑

桥式子模块拓扑中具有直流故障电流阻断能力的子模块主要有2种基本类型：全桥型子模块（full-bridge sub-module，FBSM）和混合串联子模块（hybrid-series-connected sub-module，HSSM）。

2.1 全桥型子模块

文献[33]提到了全桥型子模块（full-bridge submodule，FBSM），其拓扑结构如图2所示（定义电流由子模块a端流向b端为正方向，i＞0，下文同理）。当FBSM发生直流故障时，所有的IGBT均闭锁关断。由于续流二极管的存在，不同方向的电流流过子模块的路径是不同的。当电流为正时（i＞0），此时的电流路径如图2（a）所示；当电流为负时（i＜0），此时电流的路径如图2（b）所示。

图2 全桥型子模块Fig.2 Full-bridge sub-module,FBSM

从图2可知，FBSM在故障状态时，无论是在正向电流还是反向电流作用下，均是对电容C进行充电，当电容电压与交流侧电压相互箝位时，充电过程结束，子模块中不再有电流流过，直流短路故障电流得以清除[33]。其中，正向电流时，子模块输出电压为UC，负向电流时，子模块输出电压为-UC。也即是说，全桥型子模块自身具有故障电流阻断能力，且具有双向对称的故障电流阻断能力[34]。

FBSM正常工作时可以输出3种对称的电平0、±UC，这一特点使得FBSM具有双向对称的AC/AC功率变换功能[25]。与HBSM相比，FBSM具有了直流故障电流阻断能力，其代价是使用了2倍的功率器件，这将会增加换流器投资成本和运行损耗。

2.2 混合串联子模块

将HBSM和FBSM直接串联连接，文献[35-36]提出了混合串联子模块（hybrid-series-connected submodule，HSSM）拓扑，如图3所示。当HSSM发生直流故障时，子模块中电流的方向同样与初始电流方向有关。当电流为正时（i＞0），电流路径如图3（a）所示；当电流为负时（i＜0），电流路径如图3（b）所示。

图3 混合串联子模块Fig.3 Hybrid series connected sub-module,HSSM

HSSM结合了HBSM和FBSM各自的优点，正常工作时可以输出4种电平0、±UC、2UC。故障时，交流侧对电容C1、C2进行充电，正向电流下对电容C1充电，输出电压UC；反向电流下对电容C2、C1串联充电，输出电压-2UC（假设电容C2、C1的输出电压均为UC，下文同理）。HSSM的拓扑结构前后仅通过一条导线连接，HBSM和FBSM相对独立，不存在耦合[36]。HSSM具有双向不对称故障电流阻断能力，其中正向故障电流阻断能力（UC）比反向（-2UC）弱。HSSM将低损耗的HBSM与具有直流故障电流阻断能力的FBSM结合在一起，一定程度上实现了二者性能的折中，但是其体积相对较大。

3 箝位型子模块拓扑

使用二极管或IGBT作为箝位支路，把HBSM或FBSM通过不同的接线方式组合，可以得到具有直流故障电流阻断能力的箝位型子模块拓扑。

3.1 自阻型子模块

在HBSM子模块基础上，额外使用一个IGBT器件T3，2个二极管D3、G4作为箝位支路。文献[37]提出了自阻型子模块（self-blocking sub-module，SBSM）拓扑结构，如图4所示。SBSM正常工作时保持HBSM的工作状态，故障时电流流过箝位支路。当电流为正时（i＞0），电流路径如图4（a）所示；当电流为负时（i＜0），电流路径如图4（b）所示。

SBSM正常工作时输出2种电平0、UC，故障时，无论正向还是反向电流均对电容C充电。正向电流时输出电容电压UC，反向电流时输出电容电压-UC，其具有双向对称的故障电流阻断能力。SBSM与HBSM相比，其具有了直流故障电流阻断能力；与FBSM相比，其使用的元器件数较少，开关损耗较低，控制方法简易，降低了工业设计难度，具有良好的发展前景。

图4 自阻型子模块Fig.4 Self-blocking sub-module,SBSM

3.2 二极管箝位型子模块

文献[38]提出了一种二极管箝位型子模块（diode-clamp sub-module，DCSM）拓扑结构，如图5所示。DCSM的箝位支路与SBSM一样，不同之处在于DCSM比SBSM多使用一个电容，其箝位支路连接在2个电容的中点。故障发生时，正方向电流（i＞0）的电流路径如图5（a）所示；负方向电流（i＜0）的电流路径如图5（b）所示。

图5 二极管箝位型子模块Fig.5 Diode-clamp sub-module,DCSM

由于DCSM比SBSM多使用一个电容C，其正常工作时可以输出4种电平0、±UC、2UC。故障时，正向电流是对电容C1、C2串联充电，输出电压为2UC；负向电流仅对电容C2充电，输出电压为-UC。DCSM具有双向不对称故障电流阻断能力，其正向故障电流阻断能力（2UC）比反向（-UC）强。

DCSM优点在于，其箝位支路所需的额定电压仅为常规功率器件的一半，从而降低了器件制造的成本。对于瞬时性直流故障，由于DCSM在故障清除的过程中不需要断开与MMC主电路连接的断路器，所以其能够使整个系统在故障后快速重启，重新恢复稳态运行，提高了系统的可靠性和可用性[30]。

3.3 二极管箝位型双子模块

文献[39]在DCSM的基础上，提出了二极管箝位型双子模块（diode-clamp-double sub-module，DCDSM）拓扑结构，如图6所示。DCDSM类似与2个DCSM的串联结构，其箝位支路由2个IGBT器件T5、T6和4个二极管D5、D6、D7、D8组成。故障发生时，正方向电流（i＞0）的电流路径如图6（a）所示；负方向电流（i＜0）的电流路径如图6（b）所示。

图6 二极管箝位型双子模块Fig.6 Diode-clamp-double sub-module,DCDSM

DCDSM使用的器件是DCSM的2倍，正常工作时可以输出6种电平0、±UC、±2UC、-3UC。故障时，正向电流对电容C1、C4串联充电，输出电压2UC；反向电流对C3、C4、C1、C2串联充电，输出电压-4UC。其具有不对称的故障电流阻断能力，正向故障电流阻断能力（2UC）比反向（-4UC）弱。

DCDSM具有DCSM一样的性能特点。此外，DCDSM达到同样的输出电压输出等级，其子模块数目仅是常规设计的一半，既能简化控制算法还能节省硬件成本，具有较好的发展前景[39]。

3.4 箝位型双子模块

文献 [40-41]提出了箝位型双子模块（clampdouble sub-module，CDSM）拓扑结构，如图7所示。CDSM前后均是半桥型子模块，箝位支路由1个IGBT器件T5和3个二极管D5、D6、D7组成。由于前后半桥型子模块间不存在结构上的耦合，正常工作时等效于2个半桥型子模块独立运行，可以对单个半桥进行独立控制[33]。故障时，正方向电流（i＞0）的电流路径如图7（a）所示；负方向电流（i＜0）的电流路径如图7（b）所示。

图7 箝位型双子模块Fig.7 Clamp-double sub-module,CDSM

CDSM正常工作时可以输出3种电平0、UC、2UC。故障时，在正向电流下，电容C1、C2为串联连接，充电电流对C1、C2串联充电，此时输出电压为2UC；在负向电流下，电容C1、C2为并联连接，充电电流对C1、C2并联充电，此时输出电压为C1或C2的电压-UC。所以CDSM具有双向不对称直流故障电流阻断能力，其正向故障电流阻断能力（2UC）比反向（-UC）强。

CDSM与HBSM相比，其额外的箝位支路使其具有直流故障电流阻断能力，但是需要更多的器件投入和增加了开关损耗。与FBSM相比，CDSM相对减少了器件的使用，在一定程度上实现了HBSM和FBSM的折中。

3.5 箝位电路型双子模块

文献[42]提出了箝位电路型双子模块（clampcircuit-double sub-module，CCDSM）拓扑结构，如图8所示。与CDSM类似，其前后子模块均采用半桥型子模块。CCDSM的箝位支路使用了2个IGBT器件G5、T6，和4个二极管D5、D6、D7、D8。故障时，正方向电流（i＞0）的路径如图8（a）所示；负方向电流（i＜0）的路径如图8（b）所示。

CCDSM正常工作时，可以输出5种电平0、±UC、±2UC，但是由于其不是对称的电平（输出正电平UC比负电平-UC多），所以其不适用于直接AC/AC功率变换的场合[42]。故障闭锁后，正向电流对C1、C2串联充电，输出电压2UC，反向电流对C2、C1串联充电，输出电压-2UC，所以CCDSM具有双向对称的故障电流阻断能力。CCDSM通常与HBSM混合使用，综合二者的优点，减少硬件投入，提高经济效益。

图8 箝位电路型双子模块Fig.8 Clamp-circuit-double sub-module,CCDSM

3.6 五电平跨接子模块

文献[43-44]提出了五电平跨接子模块（fivelevel-cross-connected sub-module，FLCSM） 拓扑结构，如图9所示。其箝位支路由2个IGBT器件、和2个二极管D5、D6组成。与前面所有的电容接线方式不同，FLCSM的2个电容C1，C2通过箝位支路首尾连接在一起。故障时，正方向电流（i＞0）的路径如图9（a）所示；负方向电流（i＜0）的路径如图9（b）所示。

图9 五电平跨接子模块Fig.9 Five-level-cross-connected sub-module，FLCSM

正常工作时，FLCSM可以输出5种电平0、±UC、±2UC，与CCDSM不同的是，FLCSM是输出的对称电平，所以其适用于直接的AC/AC功率变换的场合。故障闭锁后，其正向电流对C1、C2串联充电，输出电压2UC，反向电流对C2、C1串联充电，输出电压-2UC，所以FLCSM具有双向对称的故障电流阻断能力。

4 结语

本文主要分析了两类具有直流故障电流阻断能力的MMC子模块拓扑结构（桥式子模块和箝位型子模块）。对MMC子模块各自的性能特点进行对比分析，归纳总结，可得到表1 MMC子模块性能特点。

1）FBSM和FLCSM正常工作时可以输出正负对称的电平，除了适用于常规应用外，还适用于AC/AC直接功率变换的场合。

2）FBSM、SBSM、CCDSM、FLCSM具有双向对称的故障电流阻断能力，当系统对可靠性可用性要求较高时，可以优先选择使用。

3）综合子模块的性能特点折中，FBSM、SBSM、DCDSM具有相对较好的发展前景。

针对国内外现有对具有直流故障电流阻断能力的MMC子模块拓扑结构研究，可以开展一些新的研究方向。

1）优化子模块拓扑结构，改进接线方式，研究使用较少功率器件而具有较强直流故障阻断能力的新型子模块。

2）提高单位子模块的输出电平数，在需求同样的输出电压等级下，可以减少级联子模块数量，优化电路硬件设计，降低设备成本，提高经济效益。

3）从硬件角度出发，使用新型半导体材料（如碳化硅等）制造的功率器件构成MMC子模块，一方面可以改善因使用普通功率器件通态时发热量大带来的散热问题，另一方面还可以降低系统故障时的响应时间，达到快速切断故障电流的目的。

4）对于MMC输电系统，使用不同种类的子模块级联构成混合型子模块，可以发挥每种子模块的优势，节省设备投入，简化控制算法，提高系统的可靠性。

表1 MMC子模块性能特点Tab.1 Performance characteristics of MMC sub-module

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（编辑 冯露）

Research on Topology of MMC Sub-Module with DC Fault Current Blocking Capability

TANG Li1，YUAN Xufeng1，LI Ning1，TANG Shenghui1，TAN Zhukui2
（1.College of Electric Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China；2.Guizhou Electric Power Research Institute，Guiyang 550002，Guizhou，China）

Because of the high cost of the DC circuit breaker,and immaturity of its technology，the MMC topology with the DC fault current blocking ability becomes the key to realize the controllability of power grid and improve the operation reliability of MMC.Based on an analysis of the DC fault current path of thetraditionalhalf bridgemodular multilevel converter（HBSM-MMC），this paper reviews the topology of the MMC sub-module with DC fault current blocking capability.The DC fault current blocking principle and the current path during the fault are analyzed，and the performance characteristics of each sub-module topology are analyzed and summarized，which can provide reference for the scholars to carry out relevant researches.

modular multilevel converter（MMC）； DC fault；sub-module；fault block

2016-11-16。

唐 立（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为模块化多电平换流器的故障阻断技术；

袁旭峰（1976—），男，博士后，教授，主要研究方向为高压直流输电技术和城市柔性配电技术；

李 宁（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为模块化多电平换流器环流抑制技术；

唐圣辉（1988—），男，硕士研究生，主要研究方向为模块化多电平换流器均压调制技术；

谈竹奎（1975—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为高压直流输电技术。

1674-3814（2017）05-0031-09

TM46

A

国家自然科学基金（51667007）；中国南方电网有限责任公司重点科技项目（GZKJQQ00000417）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51667007）；the Key Science and Technology Program of China Southern Power Grid Co.，Ltd.（GZKJQQ00000417）.