一种新型MMC并联双端口子模块及其三阶段故障电流阻断机理

王 琛，魏子文，王 毅，张 振，江仁斌

一种新型MMC并联双端口子模块及其三阶段故障电流阻断机理

王 琛1,2，魏子文1，王 毅1,2，张 振1，江仁斌1

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，河北 保定 071003； 2.河北省分布式储能与微网重点实验室(华北电力大学)，河北 保定 071003)

为使模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)具备直流故障自清除能力和电容电压均衡能力，提出了一种新型并联双端口子模块：钳位双全桥子模块(clamp double full bridge submodule, CD-FBSM)。该子模块器件成本和运行损耗较低，正常工作时相邻子模块之间具有多种协同运行模式，通过特有的并联模式可提高电容电压均衡度。故障闭锁时，模块内部电容并联、模块之间电容串联且反向接入电路，能够可靠阻断故障电流并均衡电容电压，有利于系统快速重启。此外，提出了三阶段故障电流阻断机理分析方法，对CD-FBSM的故障电流阻断过程进行了研究。通过Matlab/Simulink的仿真结果表明，所提子模块电容电压均衡度较高，可快速阻断故障电流，且故障电流阻断过程与理论分析一致。

模块化多电平换流器；子模块拓扑；直流故障；电容电压均衡；故障电流阻断机理

0 引言

作为直流输配电领域的优选拓扑，模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)凭借电压质量高、传输效率高和易于拓展等优点，已在舟山五端柔性直流输电、张北四端直流电网以及昆柳龙三端柔性直流输电等多个工程中获得实践应用，且取得了良好的运行效果[1-2]。考虑到具备大通流能力的高压直流电缆经济性较差，大型直流工程仍采用架空输电线路，架空输电线路易发的直流短路故障是亟待解决的问题[3-4]。此外，模块化设计使子模块之间相互独立，模块电容电压不均衡会导致桥臂电压不均衡，进而带来环流问题[5-6]。

基于传统半桥子模块(half bridge submodule, HBSM)的MMC无法阻断直流短路电流[7]。目前，工程可行的直流短路故障穿越方案主要有“半桥MMC+直流断路器”和“具备故障自清除能力MMC”两种，其中张北直流电网采用前者，昆柳龙直流输电工程采用后者。受制于技术水平，高压大容量直流断路器造价昂贵，在实际工程中无法大规模推广应用[8-9]。通过配置故障限流子模块，MMC可具备故障自清除能力，与“半桥MMC+直流断路器”相比，“具备故障自清除能力MMC”可靠性高、经济性好且故障电流阻断速度快，有望成为柔直系统最具前景的直流故障穿越方案[10]。

在众多故障限流子模块中，全桥子模块(full bridge submodule, FBSM)、类全桥子模块(similar full bridge submodule, SFBSM)[11]和二极管钳位双向开关子模块(diode clamp bidirectional switch submodule, DCBSSM)[12]可快速阻断故障电流，但成本与损耗较高。半桥-全桥混合子模块(Half Bridge-full Bridge hybrid submodule, HB-FBSM)可降低成本与损耗，但闭锁后电容电压极不均衡，不利于系统快速重启[13]。文献[14]提出了钳位双子模块(clamp double submodule, CDSM)，在闭锁阻断故障电流过程中，该子模块的电容电压较为均衡。文献[15]提出了并联全桥子模块(paralleled full bridge submodule, P-FBSM)，该子模块在正常工作时具有灵活的运行特性，在发生直流短路故障时可快速阻断故障电流，但成本与损耗较高。以功率开关器件闭锁时刻为界限，HBSM型MMC的直流故障电流发展过程可分为电容放电和不控整流两个阶段[16]。对于故障限流子模块型MMC，已有研究大多将故障电流发展过程分为电容放电和充电两个阶段[17]，而没有精确考虑交流系统馈流，理论分析与实际过程存在偏差。

维持子模块电容电压均衡是MMC实现高效交直电压变换和能量传输的前提。为使电容电压尽量均衡，传统排序算法的开关频率一般较高，虽然已有改进排序算法被提出，但这些算法多为开关频率与电压均衡度之间的某种折衷。通过改进子模块可使MMC电容电压均衡度在拓扑层面获得提升。文献[18]提出了双半桥子模块(double half bridge submodule, D-HBSM)，该子模块在正常工作时可均衡模块内电容电压，但不具备故障电流阻断能力。针对P-FBSM的灵活运行特性，文献[19]设计了动态分配均压策略，可减小控制系统的计算负担。文献[20]提出了兼具故障电流阻断能力和自均压能力的移位全桥子模块(oblique connection full bridge submodule, OCFBSM)，该子模块器件成本较高，且正常运行时桥臂中至多一个子模块处于并联输出状态，电容电压整体均衡性能较差。

根据上述内容可知，通过改进子模块拓扑可使MMC具备故障自清除能力或更高的电容电压均衡度，但现有子模块大多仅能实现其中一种功能，少数具备两种功能的子模块又面临成本较高等问题。为此，本文提出了一种新型MMC并联双端口子模块，即钳位双全桥子模块(clamp double full bridge submodule, CD-FBSM)。该子模块成本与损耗较低，可快速阻断直流短路电流，且正常工作时和故障闭锁后均可并联输出电容电压以提高电压均衡度。此外，综合考虑模块电容和桥臂电感的充放电状态以及交流系统馈流，本文根据桥臂电感电流通路将故障电流发展过程分为电感充电、电感续流和交流电流阻断3个阶段，以使理论分析符合故障电流实际阻断过程。

本文首先分析典型故障限流子模块的拓扑结构，对其进行归纳与分类。其次，提出CD-FBSM的拓扑和运行模式，阐明模式确定原则与电容电压均衡机理。再次，研究CD-FBSM型MMC的故障电流阻断机理，并分三阶段进行阐述。接着，分析CD-FBSM的成本和损耗，且与其他典型子模块进行对比。最后，搭建Matlab/Simulink仿真模型，对所提CD-FBSM的故障电流阻断能力和电容电压均衡能力进行验证。

1 典型故障限流子模块

故障限流子模块有多种分类方法，从拓扑角度可按电容个数、故障闭锁后电容连接方式以及输出端口个数等进行分类。

1.1 按包含电容个数分类

根据所含电容个数，故障限流子模块可分为单电容、双电容和多电容子模块，比如前述FBSM、SFBSM、DCBSSM、P-FBSM为单电容子模块，HB- FBSM、CDSM、OCFBSM为双电容子模块。

1.2 按故障闭锁后电容连接方式分类

根据闭锁后桥臂故障电流通路中电容的连接方式，故障限流子模块可分为旁路型、串联型和并联型3种[21]。旁路型子模块闭锁后，故障电流通路中部分电容处于旁路状态，典型代表包括HB- FBSM和二极管钳位子模块(diode clamp submodule, DCSM)[22]等，闭锁后的故障电流通路如图1所示。

图1 旁路型子模块故障电流通路

串联型子模块闭锁后，故障电流通路中的电容处于串联状态，典型代表包括FBSM、SFBSM、DCBSSM、串联双子模块(series connected double submodule, SDSM)[23]和三电平子模块(three-level submodule, TLSM)[24]等，闭锁后的故障电流通路如图2所示。

图2 串联型子模块故障电流通路

并联型子模块闭锁后，故障电流通路中模块内部的电容为并联状态、模块之间的电容为串联状态，典型代表包括CDSM、OCFBSM和二极管钳位混合子模块(diode clamp hybrid submodule, DCHSM)[25]，闭锁后的故障电流通路如图3所示。

串联型子模块可以是单电容、双电容或多电容子模块，而旁路型和并联型子模块则为双电容或多电容子模块。故障闭锁后，旁路型子模块的电容分别处于投入与旁路状态，电容电压不均衡程度高，会延长系统重启时间。串联型子模块虽能够快速阻断故障电流，但器件成本与运行损耗较高。并联型子模块的电容在故障闭锁期间处于并联状态，电容电压更为均衡，有利于系统快速重启。

1.3 按输出端口个数分类

根据输出端口个数，故障限流子模块可分为单端口和双端口两种，图1—图3皆为单端口子模块。双端口子模块的典型代表为P-FBSM，拓扑结构及闭锁后的故障电流通路如图4(a)所示，该子模块为单电容、串联型子模块。将FBSM的一个开关器件分裂为两个即可得到P-FBSM，P-FBSM开关器件的通流能力为FBSM的一半。

图3 并联型子模块故障电流通路

单端口子模块之间只有一条电流通路，协同工作困难，而双端口子模块之间有两条电流通路，可并联输出均衡电容电压。图4(b)给出了3个P-FBSM并联输出时对应的电流通路，其中蓝色虚线和红色虚线分别代表正向和反向电流。正常工作时，桥臂子模块可分为多组，各组子模块之间串联连接，组内子模块则如图4(b)所示并联输出，从而局部均衡电容电压。然而，P-FBSM的器件成本与FBSM相当，经济性较差。

图4 P-FBSM的拓扑及并联输出状态

综上所述，以表格的形式对各类子模块拓扑的故障电流清除速度、重启速度等性能指标进行归纳对比，结果如表1所示。

表1 子模块拓扑性能类别

为了使故障限流子模块在正常工作时和故障闭锁后皆可均衡子模块电容电压，并降低器件成本与运行损耗，本文提出了一种新型并联双端口子模块：钳位双全桥子模块CD-FBSM。

2 钳位双全桥子模块

2.1 拓扑结构及运行模式

图5 CD-FBSM的拓扑结构

正常工作时，钳位电路中的二极管D1、D2处于反向截止状态，开关S0处于常开状态，子模块内部两个全桥电路串联连接，相邻子模块钳位电路之间的两个全桥电路存在多种连接方式，因此对子模块的控制可转化为对钳位电路之间两个全桥电路的协同控制。相邻钳位电路之间两个全桥电路的运行模式包括旁路、串联和并联3种，图6给出了各个模式对应的电流通路。

图6 CD-FBSM各运行模式对应的电流通路

2.2 电容电压均衡机理

当电容电压差值较大时，所提CD-FBSM可利用特有的并联运行模式均衡电容电压。以最近电平逼近调制(nearest level modulation, NLM)为基础，本文设计的运行模式确定原则如图8所示。

图8 运行模式确定原则

图9 CD-FBSM的故障电流通路

3 故障电流阻断机理

直流短路故障发生后，故障电流迅速上升，检测到故障后控制系统立即发出信号闭锁所有子模块。所提CD-FBSM型MMC具备故障自清除能力，根据桥臂电感电流通路，本文将故障电流发展过程分为电感充电、电感续流和交流电流阻断3个阶段。接下来以危害最严重的双极短路故障为例，对故障电流阻断机理进行说明。

3.1 电感充电阶段

故障发生后、子模块闭锁前这一时段称为电感充电阶段，图10给出了这一阶段的电流通路，主要包括电感充电通路和交流电流通路。在电感充电通路中，电流经故障点形成回路，电容放电、电压降低，部分能量转移到电感中，故障电流迅速升高。在交流电流通路中，各相电流于上、下桥臂等分，不流过直流故障点。以A相流入、B相与C相流出为例，如图10所示，A相电流上桥臂分量与电感充电电流方向相同，下桥臂分量与电感充电电流方向相反，因此A相上桥臂电流大于下桥臂电流。

图10 电感充电阶段的电流通路

由于电感充电阶段持续时间较短，可认为桥臂投切子模块数保持不变。在每个相单元的4N个电容(N为桥臂子模块数)中，各有一半子模块分别处于投入与切除状态，这里认为子模块电容电压较为均衡，没有CD-FBSM处于并联运行模式。投入与切除的两组电容电压几乎相等，在轮换投切过程中，两组电容可视为并联接入。电感充电通路可近似等效为RLC串联电路(电容放电)，如图11所示。

3.2 电感续流阶段

从子模块闭锁到三相单元均关断一个桥臂这一时段称为电感续流阶段，此阶段的电流通路主要包括交流电流通路和电感续流通路，其中交流电流通路与电感充电阶段相同，如图12所示。在电感续流通路中，CD-FBSM型MMC模块内两个电容并联、模块间电容串联，且反向接入电路，电容充电、电压升高，存储在电感中的能量转移到电容中，故障电流迅速降低。受交流系统影响，各相单元上、下桥臂电流值大小不同，电流值小的桥臂会优先关断。以图12所示电流方向为例，A相下桥臂、B相上桥臂以及C相上桥臂将优先关断。

图12 电感续流阶段的电流电路

图13 电感续流回路等效电路

3.3 交流电流阻断阶段

从三相单元均关断一个桥臂到直流电流降为零这一时段称为交流电流阻断阶段，此阶段的电流通路如图14所示，交流电流通过3个桥臂与直流故障点构成回路。与电感充电及电感续流阶段不同，交流电流阻断阶段的交流电流流过故障点，故障电流衰减速度小于电感续流阶段。

图14 交流电流阻断阶段的电流通路

根据图14，由KVL可得MMC交流出口A相与B相(或C相)之间的线电压line为

式中，为调制比，取值通常小于1。

将式(14)代入式(13)可得

由式(15)可知，交流电流通路中的二极管会因承受反压而关断，交流侧无法继续向直流侧馈流，故障电流得以彻底阻断。

4 经济性分析

4.1 器件成本

本文以IGBT和二极管数量T、D为指标，评价子模块单位电容所需开关器件成本。为便于比较，将子模块中最大通流能力为arm的器件等效为两个最大通流能力为0.5arm的器件并联。设T为子模块单位电容对应的开关器件成本，其表达式为

式中，为二极管相比于IGBT的价格系数，这里取0.2。

根据式(16)，表2给出了所提CD-FBSM与几种典型故障限流子模块的器件成本对比结果。其中，“IGBT/(单位电容)”和“二极管/(单位电容)”分别表示单位电容对应的IGBT数目和二极管数目。以CD-FBSM和FBSM为例，前者包含10个通流能力为0.5arm的IGBT(全桥电路、钳位电路分别包含8个和2个)，由于CD-FBSM包含2个电容，因此单位电容对应的IGBT数目为5，即“IGBT/电容”为5；FBSM包含4个通流为arm的IGBT，可等效为8个通流能力为0.5arm的IGBT，即“IGBT/电容”为8。

表2 器件成本对比

与FBSM、HB-FBSM、DCHSM相比，CD-FBSM正常工作时可均衡电容电压，且器件成本更低；CDSM的器件成本虽与CD-FBSM相当，但不具备电容电压自均衡能力；P-FBSM、OCFBSM虽可均衡电容电压，但器件成本大大高于CD-FBSM。

4.2 运行损耗

本文利用Matlab/Simulink搭建了如图15所示的MMC仿真模型，具体参数如表3所示，所提CD-FBSM和其他典型故障限流子模块的运行损耗如表4所示。分析可知，FBSM和P-FBSM的运行损耗较大，CD-FBSM、HB-FBSM、CDSM等子模块的运行损耗相对较小且差值不大，其中CD-FBSM的运行损耗最小。

图15 单端MMC仿真模型

表3 仿真模型参数

FBSM、CDSM和所提CD-FBSM皆为故障限流子模块，它们均应用于柔性直流输电场景。在成本与损耗方面，CD-FBSM和CDSM的器件成本和运行损耗相当，均明显优于FBSM；在控制复杂度方面，FBSM略优，CDSM和CD-FBSM相当；由于运行可靠性与输出单位电平所需要的功率器件数目呈正相关[26]，故CDSM和CD-FBSM的运行可靠性相当，且均优于FBSM。

表4 运行损耗对比

上述经济性分析表明，所提CD-FBSM在具备故障电流阻断能力与电容电压均衡能力的同时，与其他典型故障限流子模块相比，在器件成本、运行损耗方面亦具备一定的经济优势。

5 仿真验证

为验证所提CD-FBSM的运行性能，本文利用Matlab/Simulink搭建了如图15所示的MMC仿真模型，具体参数如表3所示。设置1.0 s时换流站直流出口发生双极短路故障，1.002 s时检测到故障并闭锁所有子模块，1.098 s时故障清除，1.1 s时解锁所有子模块，相应的仿真结果如图16—图19所示。

图16 正常运行仿真结果

图17 故障电流阻断仿真结果

图19 故障电流阻断过程对比

5.1 正常运行时的仿真分析

图16给出了基于CD-FBSM的MMC正常运行时的仿真结果。由图16(a)可知，在所提运行模式确定的原则下，子模块电容电压的均衡度较高且稳定在额定值1 kV左右。MMC交流侧输出21电平阶梯波，直流电压在额定值20 kV附近波动，且波动幅度不超过0.5%，如图16(b)、图16(c)所示。因此，CD-FBSM型MMC的子模块电容电压较为均衡，能够顺利完成交直电压变换，且电能质量较高。

5.2 故障电流阻断仿真分析

图17给出了CD-FBSM型MMC的直流短路电流阻断过程仿真结果，图中I、II、III分别表示电感充电阶段、电感续流阶段和交流电流阻断阶段。1.0～1.002 s为电感充电阶段，此时子模块电容向短路点放电，电容电压降低，直流电流和桥臂电流升高，如图17(a)—图17(c)所示。1.002～1.003 s为电感续流阶段，此时模块内两个电容并联、模块间电容串联且反向接入电路，电容充电、电压上升且均衡度较高，如图17(c)所示。在电感充电和续流阶段，交流电流通路相当于三相短路，交流电流升高，如图17(d)所示；由于A相电流流入MMC，A相下桥臂电流小于上桥臂电流，下桥臂优先关断，其电容电压也停止上升，如图17(b)—图17(d)所示。此外，根据式(10)，图17(a)还给出了故障电流在电感充电阶段与电感续流阶段的解析计算结果，如图中红色虚线所示，可以看出解析计算波形与仿真波形高度吻合，可证明理论分析的正确性。1.003～1.009 s为交流电流阻断阶段，此时交流电流流过直流短路点，故障电流衰减速度小于电感续流阶段，如图17(a)所示；A相上桥臂电流继续对电容充电，直至交流电流被完全阻断，如图17(b)—图17(d)所示。短路故障发生后，直流电压骤降为0，故障电流经过阶段I的迅速上升、阶段II和阶段III的阻断最终衰减为0，且因二极管承受反压而无复燃可能，直流电压在3个阶段的变化趋势与故障电流较为相似，如图17(a)、图17(e)所示。子模块闭锁后，故障电流在约7 ms内降为0，因此CD-FBSM型MMC能够快速且可靠阻断故障电流。

5.3 故障穿越过程仿真分析

故障发生、子模块闭锁、故障电流阻断、故障清除、子模块解锁以及换流站重启恢复至稳定运行等事件构成了整个故障穿越过程，图18给出了这一过程中CD-FBSM型MMC的直流电压和交流电流仿真结果。正常运行时交流电流峰值约为0.2 kA，故障后交流电流最大增长至约0.45 kA，子模块闭锁后交流电流在几个毫秒内降为0。故障清除后，控制系统发出信号解锁所有子模块以重启换流站，经过约0.2 s的暂态过程后直流电压和交流电流增长至稳态值，系统重新恢复稳定运行。

5.4 子模块故障电流阻断对比

在相同工况下，图19给出了CD-FBSM与HB-FBSM、FBSM和CDSM的故障电流阻断对比仿真结果。如图19(a)所示，子模块闭锁后，FBSM的故障电流阻断速度最快，HB-FBSM次之，CD- FBSM和CDSM稍慢但亦可在几个毫秒内阻断故障电流。图19(b)给出了子模块电容电压的仿真结果，其中HB-FBSM由于一半电容处于旁路状态，整体电容电压极不均衡，且处于投入状态的电容因故障电流充电而偏离额定值较多，不利于系统快速重启；与HB-FBSM相比，FBSM、CDSM和CD- FBSM所有电容均处于投入状态，其电容电压均衡度较高且偏离额定值较小；凭借电容电压的均衡能力，CD-FBSM在故障电流阻断过程中与FBSM和CDSM相比具有更高的电容电压均衡度。从总体阻断效果来看，CD-FBSM不如FBSM，但CD-FBSM在器件成本和运行损耗方面具备明显优势，且仍能保证快速可靠地阻断故障电流。

分析以上仿真结果可知，CD-FBSM在正常运行和故障发生期间均具有较高的电容电压均衡度，能够快速可靠地阻断故障电流，且故障清除后能够快速重启恢复稳定运行。

功率开关器件难以同时耐受高电压和大电流，耐压能力越强，通流能力越弱。在桥臂电流大小相同时，CD-FBSM全桥电路中功率器件的通流能力仅需为CDSM半桥电路的一半，因此CD-FBSM可选择耐受电压更高的功率器件，进而降低桥臂电容数目，减轻控制系统计算负担。此外，CD-FBSM是双端口子模块，正常工作时相邻子模块之间存在多种协同运行模式，相比CDSM可通过并联运行模式提高电容电压均衡度。

与FBSM相比，CD-FBSM无法输出负电平，因此无法进行无闭锁故障穿越，这也是大多典型故障限流子模块的不足。鉴于无闭锁故障穿越更适合故障较轻且对故障限流要求不太严格的情况，且闭锁故障穿越仍是快速、可靠阻断故障电流的首选，所提CD-FBSM等在器件成本、运行损耗以及模块均压等方面具备明显优势，因此其故障限流子模块具有一定的研究价值。

6 结论

本文提出了一种新型MMC并联双端口子模块CD-FBSM，分析了它的运行模式、电容电压均衡机理和故障电流阻断机理，评估了它的器件成本与运行损耗，并搭建仿真模型对所提子模块的运行性能进行验证，得到结论如下：

1) CD-FBSM的成本和损耗较低，正常工作时相邻子模块之间具有多种协同运行模式，通过特有的并联模式可均衡电容电压；

2) 故障闭锁期间，CD-FBSM的两个电容并联、模块间电容串联且反向接入电路，能够可靠阻断故障电流并均衡电容电压，有利于换流站快速重启；

3) 所提三阶段故障电流阻断机理分析方法更贴近CD-FBSM的实际故障电流阻断过程，该方法可推广应用于其他故障限流子模块。

需要说明的是，受交流馈流影响，换流器闭锁后桥臂间电容电压差值较大，如何均衡桥臂间电容电压仍需进一步研究。此外，故障电流在电感续流阶段和交流电流阻断阶段的精确解析模型还需进一步求解。

[1]袁敏, 茆美琴, 程德健, 等. 主电路参数对MMC- HVDC电网直流短路故障电流综合影响分析[J]. 中国电力, 2021, 54(10): 11-19.

YUAN Min, MAO Meiqin, CHENG Dejian, et al. Analysis of comprehensive influence of main circuit parameters on DC short circuit fault current of MMC-HVDC grid[J]. Electric Power, 2021, 54(10): 11-19.

[2] 李峰, 张英敏, 刘天琪, 等. 混合级联型多落点直流输电系统交流系统故障协调控制策略[J]. 智慧电力, 2021, 49(7): 102-108.

LI Feng, ZHANG Yingmin, LIU Tianqi, et al. Fault coordination control strategy of AC system in hybrid cascaded multi-terminal HVDC system[J]. Smart Power, 2021, 49(7): 102-108.

[3] SONG Guobing, HOU Junjie, GUO Bing, et al. Pilot protection of hybrid MMC DC grid based on active detection[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2020, 5(1): 82-96.

[4] 王思华, 赵磊, 王军军, 等. 基于MMC的直流输电系统双极短路故障保护策略研究[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(11): 9-17.

WANG Sihua, ZHAO Lei, WANG Junjun, et al. Research on protection strategy of a bipolar short circuit fault in an HVDC transmission system based on MMC[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(11): 9-17.

[5] 马文忠, 田洪英, 刘慧玉, 等. 非隔离型模块化多电平DC/DC变换器的最小化桥臂环流控制[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(22): 51-58.

MA Wenzhong, TIAN Hongying, LIU Huiyu, et al. A minimized AC circulating control strategy for a non- isolated modular multilevel DC/DC converter[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(22): 51-58.

[6] 张健, 陈锐, 陈世瑛, 等. MMC子模块设备老化机理与状态监测研究综述[J]. 高压电器, 2020, 56(1): 1-8.

ZHANG Jian, CHEN Rui, CHEN Shiying, et al. Review on aging mechanism and condition monitoring of devices in mmc sub-module[J]. High Voltage Apparatus, 2020, 56(1): 1-8.

[7] 李欣悦, 李凤婷, 尹纯亚, 等. 直流双极闭锁故障下送端系统暂态过电压计算方法[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(1): 1-8.

LI Xinyue, LI Fengting, YIN Chunya, et al. Transient overvoltage calculation method of HVDC sending-end system under DC bipolar blocking[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(1): 1-8.

[8] 张怿宁, 罗易萍, 洪妍妍. 基于多端口混合直流断路器的LCC-VSC混合多端直流输电系统故障清除方案[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(4): 146-153.

ZHANG Yining, LUO Yiping, HONG Yanyan. Multi-port DC circuit breaker-based fault clearing scheme for LCC-VSC hybrid multi-terminal HVDC systems[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(4): 146-153.

[9] HU Xing, ZHANG Jianzhong, XU Shuai, et al. Investigation of a new modular multilevel converter with DC fault blocking capability[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, 55(1): 552-562.

[10] 陈磊, 何慧雯, 王磊, 等. 基于半桥型MMC的柔性直流电网故障限流方法综述[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(21): 175-186.

CHEN Lei, HE Huiwen, WANG Lei, et al. Review of the fault current limiting approaches for a flexible DC grid based on a half-bridge MMC[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(21): 175-186.

[11] 董云龙, 汪楠楠, 田杰, 等. 一种新型模块化多电平换流器[J]. 电力系统自动化, 2016, 40(1): 116-121.

DONG Yunlong, WANG Nannan, TIAN Jie, et al. A novel modular multilevel converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(1): 116-121.

[12] WANG Rutin, LI Ziyuan, WEN Xiangyun, et al. A novel MMC submodule topology with DC fault clearance capability[J]. IEEE Access, 2019, 7: 96085-96093.

[13] 尹太元, 王跃, 段国朝, 等. 基于零直流电压控制的混合型MMC-HVDC直流短路故障穿越策略[J]. 电工技术学报, 2019, 34(增刊1): 343-351.

YIN Taiyuan, WANG Yue, DUAN Guochao, et al. Zero DC voltage control based DC fault ride-through strategy for hybrid modular multilevel converter in HVDC[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(S1): 343-351.

[14] MARQUARDT R. Modular multilevel converter topologies with DC-short circuit current limitation[C] // IEEE 8th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia, May 30-June 3, 2011, Jeju, South Korea: 1425-1431.

[15] GOETZ S M, PETERCHEV A V, WEYH T. Modular multilevel converter with series and parallel module connectivity: topology and control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(1): 203-215.

[16] 段国朝, 王跃, 尹太元, 等. 模块化多电平变流器直流短路故障电流计算[J]. 电网技术, 2018, 42(7): 2145-2152.

DUAN Guochao, WANG Yue, YIN Taiyuan, et al. DC short circuit current calculation for modular multilevel converter[J]. Power System Technology, 2018, 42(7): 2145-2152.

[17]罗永捷, 李耀华, 李子欣, 等. 全桥型MMC-HVDC直流短路故障穿越控制保护策略[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(7): 1933-1943.

LUO Yongjie, LI Yaohua, LI Zixin, et al. DC short-circuit fault ride-through control strategy of full-bridge MMC- HVDC systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(7): 1933-1943.

[18] ILVES K, TAFFNER F, NORRGA S, et al. A submodule implementation for parallel connection of capacitors in modular multilevel converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(7): 3518-3527.

[19] 石璐, 赵成勇, 许建中, 等. 并联全桥子模块MMC的自均压运行特性研究[J]. 中国电机工程学报, 2018, 38(8): 2419-2428, 2551.

SHI Lu, ZHAO Chengyong, XU Jianzhong, et al. Research on voltage self-balancing operating characteristics of paralleled full-bridge sub-modules based MMC[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(8): 2419-2428, 2551.

[20] 王琛, 谭开东, 王毅, 等. 具备直流故障清除和自均压能力的MMC移位全桥子模块拓扑[J]. 电力系统自动化, 2020, 44(24): 151-160.

WANG Chen, TAN Kaidong, WANG Yi, et al. Topology of MMC oblique-connection full-bridge sub-module with capability of DC fault clearing and voltage self-balancing[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(24): 151-160.

[21] 王琛, 陶建业, 王毅, 等. 具备故障电流对称清除能力的双向开关钳位式全桥子模块[J]. 电网技术, 2021, 45(7): 2596-2604.

WANG Chen, TAO Jianye, WANG Yi, et al. Bidirectional switch clamp full bridge submodule with fault current symmetrical clearing capability[J]. Power System Technology, 2021, 45(7): 2596-2604.

[22] LI Xiaoqian, SONG Qiang, LIU Wenhua. Experiment on DC-fault ride through of MMC using a half voltage clamp submodule[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2018, 6(3): 1273-1279.

[23] 张建坡, 赵成勇, 孙海峰, 等. 模块化多电平换流器改进拓扑结构及其应用[J]. 电工技术学报, 2014, 29(8): 173-179.

ZHANG Jianpo, ZHAO Chengyong, SUN Haifeng, et al. Improved topology of modular multilevel converter and application[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(8): 173-179.

[24] LI Rui, FLETCHER J E, XU Lie, et al. A hybrid modular multilevel converter with novel three-level cells for DC fault blocking capability[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, 30(4): 1853-1862.

[25] 胡灿. 直流配电网中MMC的控制技术研究[D]. 保定: 华北电力大学, 2019.

HU Can. Control strategies of the MMC applied to DC distribution grids[D]. Baoding: North China Electric Power University, 2019.

[26] 许建中, 王乐, 武董一, 等. 采用子模块相关性坐标变换解耦的混合模块化多电平换流器可靠性建模[J]. 电工技术学报, 2019, 34(18): 3821-3830.

XU Jianzhong, WANG Le, WU Dongyi, et al. Reliability modeling of hybrid modular multilevel converter using coordinate transformation based on decoupled sub-module correlations[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(18): 3821-3830.

A novel MMC parallel dual-port submodule and its three-stage fault current blocking mechanism

WANG Chen1, 2, WEI Ziwen1, WANG Yi1, 2, ZHANG Zhen1, JIANG Renbin1

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Baoding 071003, China; 2. Hebei Key Laboratory of Distributed Energy Storage and Micro-Grid (North China Electric Power University), Baoding 071003, China)

To equip a modular multilevel converter (MMC) with DC fault self-clearing and capacitor voltage balancing capability, a novel parallel dual-port submodule named clamp double full bridge submodule (CD-FBSM) is proposed. Both device cost and operating loss of CD-FBSM are low, and during a normal working state, there are multiple coordinated operation modes between adjacent submodules, and the balance degree of the capacitor voltage can be enhanced by the unique parallel mode. When CD-FBSMs are blocked because of a fault, capacitors inside submodules are parallel while capacitors between submodules are serial, and all capacitors are reversely connected into a circuit. The fault current can be reliably blocked and the voltage of capacitors is balanced. This is conducive to a quick system restart.In addition, a three-stage analyzing method for the fault current blocking mechanism is proposed, and the fault current blocking procedure of CD-FBSM is researched. Simulation results based on Matlab/Simulink show that the proposed submodule has high balance degree of capacitor voltage, and the fault current can be quickly blocked while the blocking procedure is consistent with the theoretical analysis.

MMC; submodule topology; DC fault; capacitor voltage balancing; fault current blocking mechanism

10.19783/j.cnki.pspc.220364

国家自然科学基金项目资助(52077079)；河北省自然科学基金项目资助(E2021502048)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52077079).

2022-03-19；

2022-04-26

王 琛(1992—)，男，通信作者，博士，工程师，研究方向为电力电子变流器的拓扑、建模与控制等；E-mail: wangchen1992ncepu@163.com

魏子文(1996—)，女，硕士，研究方向为柔性直流输电技术；E-mail: 18831866967@163.com

王 毅(1977—)，男，博士后，教授，博士生导师，研究方向为柔性直流输电技术、电力电子技术在电力系统中的应用等。E-mail: yi.wang@ncepu.edu.cn

(编辑 许 威)