具有直流故障清除能力的MMC子模塊及其選取方法

韓朋樂(lè)

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450001）

0 引 言

模塊化多電平變換器（MMC）采用子模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可提高系統(tǒng)功率和電壓等級(jí)，實(shí)現(xiàn)電壓的多電平變換輸出。在電力電子、電力拖動(dòng)及電網(wǎng)變換等供配電領(lǐng)域，它具有巨大的應(yīng)用前景。

實(shí)際工作中，MMC由于結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致直流側(cè)發(fā)生短路時(shí)不能立即閉鎖短路，進(jìn)而損壞子模塊結(jié)構(gòu)，影響整個(gè)系統(tǒng)的使用。實(shí)際工作中，直流側(cè)線路故障是經(jīng)常發(fā)生的故障類型。現(xiàn)有處理方式是使用直流斷路器阻斷直流側(cè)電路，以防MMC的損壞。但是，此故障規(guī)避方式需要大量的斷路器設(shè)備，增加了成本，且斷路器易老化損壞，仍威脅系統(tǒng)安全[1]。

近年來(lái)，社會(huì)上出現(xiàn)了多種具有直流側(cè)短路阻斷能力的MMC子模塊。雖然每種子模塊的結(jié)構(gòu)不同，但都實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)短路故障的閉鎖清除。由于現(xiàn)有的各種子模塊都存在一定缺陷，導(dǎo)致實(shí)際選型困難。本文分析了各種常用MMC子模塊的工作原理，對(duì)比了各種子模塊在運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響，闡述了各種拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)，便于工程技術(shù)人員實(shí)際選型。

1 MMC的基本原理

德國(guó)學(xué)者R. Marquart和A. Lesnicax于2002年提出了MMC結(jié)構(gòu)。MMC的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，整體類似于一個(gè)三相全橋結(jié)構(gòu)，只是將三相全橋中的開(kāi)關(guān)管換成了由若干子模塊構(gòu)成的橋臂，每個(gè)橋臂由若干個(gè)串聯(lián)的子模塊SM1～SMn構(gòu)成，且每個(gè)橋臂的輸出端都串聯(lián)用于濾波的電感L。此結(jié)構(gòu)使電力變換的設(shè)計(jì)更加靈活、多變，其中最基本的子模塊結(jié)構(gòu)是半橋子模塊（HBSM）和全橋子模塊（FBSM）。

圖1 MMC簡(jiǎn)化電路

2 具有直流故障清除能力的MMC子模塊

基于MMC子模塊的基本結(jié)構(gòu)，衍生了多種具有直流故障清除能力的子模塊，如箝雙子模塊、串聯(lián)雙子模塊、交叉連接型子模塊及混合型子模塊等[2]。

2.1 箝雙子模塊并聯(lián)拓?fù)?/h3>

如圖2所示，箝雙子模塊拓?fù)洌–lamp Double Sub Module，CDSM）在傳統(tǒng)的全橋中間母線上并聯(lián)了一個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管，在IGBT兩端的母線上分別串聯(lián)兩個(gè)二極管，并增加一個(gè)并聯(lián)電容，實(shí)現(xiàn)了閉鎖能力，減少了輸出單位電壓所需的器件數(shù)量，并使子模塊能夠輸出三個(gè)電平——2Uc、Uc及0。

子模塊正常運(yùn)行時(shí)，CDSM中的開(kāi)關(guān)管VT5一直導(dǎo)通，使得整個(gè)子模塊等效為兩個(gè)半橋子模塊。直流側(cè)短路故障發(fā)生時(shí)，所有的IGBT會(huì)被控制系統(tǒng)關(guān)斷，此時(shí)短路電流的通路如圖3所示。短路電流不管從哪個(gè)方向輸入，都會(huì)流過(guò)兩個(gè)電容，并從另一端輸出。電容的阻斷作用實(shí)現(xiàn)了短路阻斷閉鎖，而電流方向的不同使電容的串并聯(lián)關(guān)系不同。

圖2 CDSM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 CDSM橋臂電流路徑

2.2 串聯(lián)雙子模塊拓?fù)?/h3>

圖4 是串聯(lián)雙子模塊（Series-connected Double Sub Module，SDSM）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，端子1和端子2是輸出端，而兩個(gè)端子3是相連的。

圖4 SDSM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)子模塊SM1和SM2串聯(lián)，且獨(dú)立工作，使控制軟件和調(diào)制方法設(shè)計(jì)時(shí)與傳統(tǒng)MMC相同[3]。

當(dāng)發(fā)生直流側(cè)故障時(shí)，故障電流的通路如圖5所示。不管故障電流從哪個(gè)輸出端進(jìn)入，都會(huì)流過(guò)兩個(gè)電容C1、C2，并回到輸出端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)短路電流的閉鎖。同時(shí)，兩個(gè)電容之間在兩個(gè)短路方向上都是串聯(lián)，且都由短路電流充電，易排除最終的故障電流。

圖5 SDSM橋臂電流路徑

2.3 交叉連接型子模塊拓?fù)?/h3>

圖6 是交叉連接型子模塊（Cross-connected Sub Module，CCSM）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由兩個(gè)半橋結(jié)構(gòu)和兩個(gè)IGBT構(gòu)成，其中兩個(gè)IGBT連接兩個(gè)半橋的正負(fù)母線[4]。通過(guò)對(duì)各個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制，最終可輸出五個(gè)電平——0、±Uc及±2Uc。

圖6 CCSM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)發(fā)生直流側(cè)故障時(shí)，全部IGBT斷開(kāi)，輸出端的短路電流通過(guò)IGBT的反并聯(lián)二極管和兩個(gè)電容進(jìn)行流動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)短路電流的阻斷，如圖7所示。

圖7 CCSM橋臂電流路徑

2.4 混合型子模塊拓?fù)?/h3>

圖8 是混合型子模塊（Hybrid Sub Module，HSM）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，類似由一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)和一個(gè)全橋結(jié)構(gòu)并聯(lián)構(gòu)成。二極管D6是一個(gè)IGBT的反并聯(lián)二極管，但由于一直處于關(guān)斷狀態(tài)，所以可省略[5]。這種結(jié)構(gòu)使現(xiàn)有的全橋和半橋IGBT模塊易于快速構(gòu)成，便于使用和調(diào)試，可輸出四個(gè)電平——0、±Uc及2Uc。

圖8 HSM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)發(fā)生直流側(cè)故障時(shí)，關(guān)斷全部IGBT，兩個(gè)輸出端進(jìn)入的短路電流會(huì)在子模塊內(nèi)部形成一個(gè)電流通路，并流過(guò)反并聯(lián)二極管和電容器實(shí)現(xiàn)短路電流的阻斷，如圖9所示。

HSM衍生于傳統(tǒng)的全橋結(jié)構(gòu)，提高了輸出電平的數(shù)量，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是，當(dāng)短路電流從D3的陽(yáng)極進(jìn)入時(shí)，短路電流在回路中只流過(guò)一個(gè)電容，導(dǎo)致短路電流阻斷能力降低。

圖9 HSM橋臂電流路徑

3 各類MMC子模塊的性能比較和選取方法

系統(tǒng)輸出功率和系統(tǒng)輸出電壓等級(jí)相同時(shí)，對(duì)比分析各子模塊的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果如表1所示。對(duì)比的參數(shù)包括控制復(fù)雜度、開(kāi)關(guān)管數(shù)量、模塊損耗及器件耐壓等。由于結(jié)構(gòu)不同，各子模塊的應(yīng)用場(chǎng)景也不同。其中，SDSM雖然控制復(fù)雜度高，但是損耗較低，使用的開(kāi)關(guān)管數(shù)量較少，降低了成本；CCSM雖然損耗較高，但是對(duì)母線電壓的承受力較強(qiáng)，可應(yīng)用于特殊場(chǎng)景。具體應(yīng)用中，技術(shù)人員可根據(jù)具體需要進(jìn)行選擇[5]。

由表1可知，傳統(tǒng)的FBSM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，但拓?fù)鋼p耗較高，對(duì)母線電壓值的承受力較低，實(shí)際應(yīng)用較少；其余4種拓?fù)溆捎谠黾恿祟~外的開(kāi)關(guān)管或者二極管，提高了控制復(fù)雜度，增加了系統(tǒng)損耗，但實(shí)現(xiàn)了直流電路閉鎖功能?？梢?jiàn)，不同子模塊拓?fù)潆m然結(jié)構(gòu)差異較大，但都通過(guò)對(duì)中間電容的充電實(shí)現(xiàn)了斷路電流的阻斷，只是阻斷的電流回路各不相同[6]。

具體地，CDSM拓?fù)浜虷SM拓?fù)鋬H在經(jīng)典的全橋結(jié)構(gòu)上增加了若干開(kāi)關(guān)管，仍具有經(jīng)典全橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，如控制系統(tǒng)更加容易設(shè)計(jì)且改動(dòng)較小，普遍應(yīng)用于實(shí)際工程；SDSM拓?fù)浜虲CSM拓?fù)鋵?duì)經(jīng)典全橋的改變較大，特別是SDSM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直接改變了全橋四開(kāi)關(guān)的串聯(lián)模式和整個(gè)子模塊的功能結(jié)構(gòu)。因此，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需增大調(diào)試投入，充分仿真分析，以避免運(yùn)行電路功能的失調(diào)[7]。

選擇MMC子模塊拓?fù)鋾r(shí)，需綜合考慮設(shè)計(jì)成本、控制難度、軟硬件變更的大小、整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試的困難度、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、系統(tǒng)損耗及成本等因素，如表2所示。

4 結(jié) 論

目前，MMC模塊是直流電網(wǎng)故障隔離和消除的研究熱點(diǎn)。使用不同的MMC子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行短路電流的阻斷，提高了現(xiàn)有電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和靈活性，減小了現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)中使用的斷路器個(gè)數(shù)，降低了系統(tǒng)成本。因此，本文總結(jié)常用子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析各種直流短路阻斷的原理，得到了基于不同考慮情形的選擇方法，可為工程技術(shù)人員提供參考。

表1 不同子模塊參數(shù)比較

表2 子模塊結(jié)構(gòu)的折衷考慮表