混合型MMC全桥子模块的配置比例优化设计

蒋纯冰， 王 鑫， 赵成勇

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)

0 引 言

随着分布式能源的发展，传统的交流系统在接纳大规模可再生能源时面临着新的挑战，而高压大容量柔性直流输电技术可以缓解我国大规模可再生能源并网与消纳的迫切需求[1-3]。模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)因具有无换相失败、扩展性好、可向无源网络或弱交流系统供电等优点，成为目前高压大容量柔性直流输电技术的优选换流器[4-6]。由半桥子模块构成的传统的半桥型MMC具有低损耗，低成本等优点，但是不具备直流故障自清除能力。全桥子模块自身具有输出负电平的能力，可以使换流器直流侧输出极间零电压，具有直流故障穿越能力[7-10]，但是由于FBSM中电力电子器件有所增加，导致其投资成本较高。由半桥子模块和全桥子模块构成的混合型模块化多电平换流器(hybrid modular multilevel converter，Hybrid MMC)兼具全桥型MMC的直流故障穿越能力与半桥型MMC良好的经济性，具有广阔的发展前景。

文献[11-15]从不同角度分析了混合型MMC的拓扑结构、数学模型、工作原理和控制策略。文献[16-17]介绍了混合型MMC阻断直流故障电流的原理，通过分析直流侧发生短路故障时的故障电流通路，推导出FBSM配置比例，但都是在换流站闭锁控制方式下进行的分析。文献[18]提出一般架空柔性直流输电系统中混合型MMC的FBSM配置比例为50%，但是FBSM配置比例仍需进一步优化。文献[19]采用解析计算方法，从换流器桥臂电流以及阀损耗的角度，分析了注入三倍频电压在工程中的应用价值，但是没有分析在换流器桥臂电压调制波中注入三倍频电压对子模块数目的影响。文献[20]针对全桥型MMC提出注入零序电压可以提高调制比，降低子模块电容电压的波动幅值，但是没有考虑到注入零序电压对全桥子模块配置比例的影响。文献[21]针对半桥型MMC提出在桥臂电压调制波中注入三倍频电压可减少半桥子模块的电容电压波动幅值，从而实现换流器轻型化，降低换流器成本，但是该文献是针对半桥型MMC进行分析的，没有考虑在桥臂电压调制波中注入三倍频电压对半全混合型MMC中全桥子模块FBSM配置比例的影响。

针对以上问题，本文在注入三倍频电压的背景下，提出了一种混合型MMC全桥子模块FBSM配置比例优化设计方法。分别对直流侧短路故障工况、恶劣环境或严重污秽条件下导致的降压运行工况，进行了FBSM的配置比例优化设计。最后利用PSCAD/EMTDC对本文所提出的优化后的FBSM配置比例进行了仿真分析，验证了理论分析的正确性和三倍频电压注入优化策略的有效性。

1 混合型MMC结构及控制策略

1.1 混合型MMC拓扑结构

混合型MMC的拓扑结构如图1所示，换流器由全桥子模块(FBSM)和半桥子模块(HBSM)构成，图1(a)为半桥子模块拓扑结构，图1(b)为全桥子模块拓扑结构，Larm为桥臂电抗。换流器每个桥臂子模块总数为N，其中半桥子模块的个数为NH，全桥子模块的个数为NF，UC为子模块电容电压，HBSM的输出电压可为UC、0，FBSM的输出电压可为UC、-UC、0。

图1 混合型MMC拓扑结构图Fig.1 Topology of hybrid MMC

混合型MMC桥臂电压参考值Upa与时间的关系如图2所示，当调制比m小于1时，在0～t3内，桥臂电压参考值Upa为正；当调制比m大于1时，在0～t1内，桥臂电压参考值Upa为正，在t1～t2内，桥臂电压参考值Upa为负，在t2～t3内，桥臂电压参考值Upa为正。

图2 混合型MMC桥臂电压参考值Fig.2 Bridge arm reference voltage of hybrid MMC

1.2 混合型MMC的无闭锁故障穿越控制策略

当直流侧发生短路故障时，混合型MMC单相的上、下两桥臂分别输出等量正负电平，桥臂电压不存在直流偏置。换流器通过单相上、下桥臂的配合，使直流侧输出电压为0。为实现无闭锁直流故障穿越，现设计如下排序方式：当换流器桥臂电压大于0时，HBSM与FBSM都参与排序；当换流器桥臂电压小于0时，由于HBSM不具备输出负电平的能力，所以只有FBSM参与排序。

目前，对于电压源换流器的控制策略研究已经比较成熟，一般都采用经典的双闭环直接电流控制[2]。混合型MMC 直流侧发生短路故障时，短路电流会在几毫秒内迅速上升，当换流器启动无闭锁控制环节后，由于系统内存在电感，所以直流电流并不会立即下降至0，为解决无闭锁直流故障穿越中电流下降速度过慢问题，将电流参考值Idref设置为0，并控制直流电流使之能够跟随电流参考值Idref，进而提高直流短路电流的下降速度，有效缩短在无闭锁直流故障穿越过程中电流下降至0所需要的时间，具体控制策略框图如图3所示。

图3 混合型MMC控制策略框图Fig.3 Diagram of Hybrid MMC control strategy

2 注入三倍频电压的FBSM配置比例优化设计

在保证系统能够稳定运行的情况下，为降低混合型MMC中全桥子模块的配置数目，降低换流站投资成本，本文通过在换流器桥臂电压调制波中注入三倍频电压，进而对混合型MMC的FBSM配置比例进行一定程度的优化。三倍频电压的注入会直接影响到桥臂电压的波形，注入三倍频电压和未注入三倍频电压的换流器桥臂电压波形如图4所示。

图4 换流器桥臂电压波形Fig.4 Waveform of MMC bridge arm voltage

由图4可知，在注入三倍频电压条件下，桥臂电压的负峰值降低，所需投入的全桥子模块个数降低。Udc为换流器直流母线电压幅值，Uac为换流器阀侧交流电压幅值，φ1为基波交流电压相角。U3为三倍频电压幅值，φ3为三倍频电压相角。在换流器桥臂电压调制波中注入三倍频电压后，换流器上桥臂电压upj和下桥臂电压unj如式(1)所示。

(1)

由于换流器上、下桥臂结构对称，且换流器三相桥臂结构相同，各元件参数相同。本文以a相上桥臂电压为例进行分析(b、c相同理)，假设在换流器桥臂电压调制波中注入三倍频电压后，换流器桥臂电压负峰值下降ΔU，ΔU表达式如式(2)所示。

ΔU=Uac+min[-Uacsin(ωt+φ1)-U3sin(3ωt+φ3)]

(2)

为使投入的全桥子模块数目达到最少，即降低的桥臂电压负峰值ΔU达到最大，经过计算可知，当U3=1/6Uac，φ3=3φ1，ωt+φ1=π/3时，此时ΔU达到最大，ΔU最大值如式(3)所示。

(3)

由式(3)可知，在换流器桥臂电压调制波中注入三倍频电压可以使换流器桥臂电压负峰值下降13.4%，即在桥臂电压调制波中注入三倍频电压可以减少13.4%的全桥子模块投入。

2.1 直流侧短路故障工况

典型的直流故障主要有单极接地故障和双极短路故障，其中单极接地故障是直流系统最常见的故障类型，双极短路故障是直流系统最严重的故障类型。由于FBSM具有输出负电平的能力，HBSM不具备输出负电平的能力，因此在发生直流侧短路故障时，混合型MMC中只有FBSM参与排序。

混合型MMC拓扑结构如1.1节中图1所示，以换流器a相为例进行分析，ω为系统工频角频率，换流器直流母线额定电压为UdcN，调制比为m，θ为换流器交流侧电流基波分量相位。换流器a相上桥臂输出电压upj如式(4)所示。

(4)

当换流器直流母线电压Udc为额定值UdcN时，换流器桥臂电压达到正峰值，桥臂电压正峰值Upj+如式(5)所示。

(5)

当换流器直流母线电压Udc达到最低值时，换流器桥臂电压达到负峰值，最低直流母线电压标幺值用Upumin表示，桥臂电压负峰值Upj-如式(6)所示。

(6)

由式(3)可知，在换流器桥臂电压调制波中注入三倍频电压可以使换流器桥臂电压负峰值下降13.4%。在换流器桥臂电压调制波中注入三倍频电压后桥臂输出电压负峰值Upj-如式(7)所示。

(7)

由于半桥子模块无法输出负电平，换流器桥臂负电平均需由全桥子模块产生，子模块电容电压额定值用UcN表示，故全桥子模块数量NF如式(8)所示。

(8)

当直流侧发生短路故障时，换流器最低直流母线电压标幺值Upumin为0，为实现无闭锁直流故障穿越，不在换流器桥臂电压调制波中注入三倍频电压时和在换流器桥臂电压调制波中注入三倍频电压时FBSM的配置数量的临界值分别如式(9)、(10)所示。

(9)

(10)

换流器单相桥臂总子模块个数如式(11)所示。

(11)

为实现无闭锁直流故障穿越，不在换流器桥臂电压调制波中注入三倍频电压时和在换流器桥臂电压调制波中注入三倍频电压时FBSM的配置比例分别如式(12)、(13)所示。

(12)

(13)

由式(12)可知，在桥臂电压调制波中不注入三倍频电压时，为满足无闭锁直流故障穿越的需求，FBSM配置比例需要达到50%。由式(13)可知，在桥臂电压调制波中注入三倍频电压后，FBSM的配置比例只要达到43.3%即可，在满足无闭锁直流故障穿越的条件下提高了经济性。

2.2 降压运行工况

在恶劣环境或严重污秽情况下，如果直流架空线路仍然在额定直流电压下运行，则会导致输电线路故障率较高。为提高输电线路的可靠性和利用率，工程上通常采用降压运行方式，通常将电压降低至额定电压的70%～80%。

考虑到直流电压降低时，有功功率和阀侧交流电流都将随之降低，当换流器直流母线电压下降到一定程度时，换流器阀侧交流电流幅值会低于直流电流幅值，导致桥臂电流无过零点。当桥臂电流无过零点时，会导致HBSM投入时，HBSM持续充、放电。因此当桥臂电流无过零点时，功率模块应全部为FBSM。下面分别分析桥臂电流存在过零点和不存在过零点时的FBSM配置比例。

当忽略换流器桥臂环流时，直流电流幅值用Idc表示，交流电流幅值用Iac表示，换流器桥臂电流ip与直流电流及交流电流的关系如式(14)所示。

(14)

换流器直流侧有功功率Pdc为直流电压Udc与直流电流Idc乘积，如式(15)所示。

Pdc=UdcIdc

(15)

换流器交流侧三相有功功率Pac如式(16)所示，φ为交流电流Iac与交流电压Uac的夹角。

(16)

忽略换流器桥臂电阻，换流器交流侧有功功率Pac与直流侧有功功率Pdc相等。将式(15)、(16)联立可得式(17)。

(17)

将式(17)代入式(14)可得换流器桥臂电流ip如式(18)所示。

(18)

当换流器交流电压幅值大于直流母线电压幅值时，换流器桥臂电流不会过零，即换流器最低直流母线电压标幺值Upumin与调制比m间关系满足式(19)时。

(19)

当换流器桥臂电流会过零时，换流器桥臂电压负峰值如式(6)所示。当换流器桥臂电流不会过零时，桥臂电压正峰值Upj+如式(20)所示。

(20)

在桥臂电压调制波中注入三倍频电压条件下，当换流器桥臂电流会过零时，换流器桥臂输出电压负峰值由式(7)所示。当换流器桥臂电流不会过零时，换流器桥臂输出电压正峰值Upj+如式(21)所示。

(21)

当桥臂电流不会过零时，HBSM会出现持续充、放电的情况，为满足系统安全运行需求，此时投入的功率模块应全部为FBSM，其数目如式(22)所示。

(22)

综上，为满足系统安全运行需求，不在桥臂电压调制波中注入三倍频电压时和在桥臂电压调制波中注入三倍频电压时，FBSM的配置数目的临界值分别如式(23)、(24)所示。

(23)

(24)

不在桥臂电压调制波中注入三倍频电压时和在桥臂电压调制波中注入三倍频电压时，FBSM最小配置比例分别如式(25)、(26)所示。

在降压运行工况下，为满足柔性直流输电系统稳定运行要求，若换流器最低直流母线电压标幺值Upumin在(0.5～1) p.u.区间，换流器桥臂电流存在过零点，不在桥臂电压调制波中注入三次谐波时，FBSM的配置比例要达到25%。在桥臂电压调制波中注入三次谐波后，FBSM的配置比例达到21%即可。在降压运行工况，Upumin在(0～0.5) p.u.区间时，桥臂电流不存在过零点，不在桥臂电压调制波中注入三次谐波时，FBSM的配置比例要达到75%。在桥臂电压调制波中注入三次谐波后，FBSM的配置比例达到64.9%即可。

综上，由于工程上的降压运行通常是将直流电压降低至额定电压的70%～80%，此时桥臂电流存在过零点，FBSM配置比例为13%，但是考虑到系统需具备无闭锁直流故障穿越的能力，在桥臂电压调制波中注入三倍频电压后FBSM配置比例为43.3%即可。高低阀串联式特高压柔性直流输电系统的FBSM配置比例为43.3%时，需要解决的主要问题是阀组在线投退期间如何保证投退阀组的模块电压均衡性，相比于正常约43.3%的FBSM配置比例，仅针对发生概率较低的阀组投退工况就将FBSM占比提升至65%，会极大增加设备成本，并非最经济可行的方案。通过采取一定的措施，使得阀组投退极间的直流电压能快穿越(0～0.5) p.u.区间，则在桥臂电压调制波中注入三倍频电压后，FBSM的配置比例为43.3%即可满足特高压柔性直流输电稳定运行需求。

3 仿真验证

为了验证本文提出的优化方案的正确性和有效性，在PSCAD/EMTDC中，搭建的双端半全混合型MMC仿真模型如图5所示，配置在直流线路上的平波电抗器Ldc为0.15 H，其它系统参数如表1所示。换流器单相桥臂总子模块个数为400，在桥臂电压调制波中注入三倍频电压后，FBSM的配置比例为43.3%即可满足系统安全稳定运行需求，即FBSM和HBSM数目分别为174和226。选择的IGBT 型号是ABB公司的5SNA3000K452300，其额定电压和额定电流为4.5 kV/3 kA，在1 ms内能承受6 kA的短路电流[22]。

图5 双端混合型MMC-HVDC仿真模型Fig.5 Two-terminal hybrid MMC-HVDC simulation model

表1 混合型MMC的仿真参数表

3.1 直流侧单极接地、双极短路故障

混合型 MMC 直流侧发生单极接地故障时的仿真波形如图 6所示，t=4 s时，直流侧发生单极接地故障，故障持续时间1 s。由于线路电感的存在，距离故障点较近的换流器所占故障电流的比例较大，随着故障电流上升速率的增加，故障在t=4.001 s时刻被检测并定位,换流器切换为故障穿越模式。如图6(a)、(b)所示，在故障发生瞬间，换流器直流母线电压迅速降低至0 kV，因为直流线路有平波电抗器存在，故直流电流不能突变，直流电流经过0.2 s的震荡后降低至0 kA。由图6(c)可知，在故障期间换流器阀侧交流电流不会发生越限，且在切除故障后，换流器阀侧交流电流逐步恢复至正常运行状态。由图6(d)可知，换流器桥臂电流最大值为3.0 kA，未超过IGBT器件说明书限定的最大电流6 kA，且持续时间低于1 ms的要求[22]，因此不会造成开关管损坏。由图6(e)可知，故障发生期间，换流器其总比子模块电容电压最大值约为1.9 kV，子模块电容电压未越限，子模块不会受损。t=5 s时切除故障，系统重新恢复至正常运行状态。

图6 直流单极接地故障仿真波形Fig.6 Simulated waveforms during single-pole-to-ground fault

混合型 MMC 直流侧发生双极短路故障时的仿真波形如图 7所示，故障发生时间、故障持续时间、故障检测延时均与直流侧单极接地故障相同。由图7(a)、(b)可知，故障发生瞬间，直流电压迅速降低至零，直流侧双极短路故障比直流单极接地故障的直流电流波动程度严重。图7(c)表明在故障期间换流器阀侧交流电流未越限，且在切除故障后，交流电流逐步恢复至正常运行状态。图7(d)表明桥臂电流最大值为3.5 kA，未超过IGBT器件说明书限定的最大电流6 kA，且持续时间低于1 ms的要求[22]，因此不会造成开关管损坏。图7(e)表明故障发生期间，换流器桥臂子模块电容电压最大值为2.3 kV，子模块电容电压未越限，子模块不会受损。

图7 直流双极短路故障仿真波形Fig.7 Simulated waveforms during pole-to-pole short-circuit fault

3.2 降压运行

图 8为混合型 MMC 在降压运行工况下的仿真波形图，t=4 s时将换流器直流电压降低至额定值的70%，t=5 s时直流电压恢复至额定值。由图8(a)、(b)可知，在降压瞬间，换流器直流电压迅速降低至224 kV，直流电压的突变造成直流电流的突变，因此建议在工程上采用斜坡抬升和斜坡下降的方式来实现降压运行。由图8(c)可知，系统降压运行时，换流器阀侧交流电流约降低至额定值的70%。图8(d)、(e)表明在降压运行的全过程中，换流器桥臂子模块无过流现象，子模块电容电压未越限，不会造成器件损坏。

图8 降压运行工况仿真波形Fig.8 Simulated waveforms under reduced voltage operation

4 结 论

为降低全桥子模块FBSM的配置比例，降低换流站投资成本，本文在桥臂电压调制波中注入三倍频电压的条件下，对直流侧短路故障工况、降压运行工况进行了FBSM配置比例优化设计，得到如下结论：

(1)直流侧发生短路故障时，为实现无闭锁直流故障穿越，未注入三倍频电压时，FBSM 配置比例需达到50%。注入三倍频电压后，FBSM 配置比例只需达到43.3%即可。

(2)工程上降压运行时，通常将直流电压降低至额定值的 70%～80%，FBSM 配置比例为13%即可。考虑到系统需具备无闭锁式穿越直流故障的能力，注入三倍频电压后 FBSM 配置比例为 43.3%即可满足系统稳定运行要求。

最后，在 PSCAD/EMTDC 中搭建模型进行仿真验证，仿真结果表明，注入三倍频电压的优化策略可以有效降低FBSM的配置比例，降低换流站建设成本。但是特高压柔性直流输电系统需要采取一定的措施， 使得阀组投退期间的直流电压能够快速穿越(0～0.5) p.u. 区间，则注入三倍频电压后FBSM 配置比例为 43.3%即可满足特高压柔性直流输电系统稳定运行需求。