王 琛，魏子文，王 毅，張 振，江仁斌

一種新型MMC并聯(lián)雙端口子模塊及其三階段故障電流阻斷機理

王 琛1,2，魏子文1，王 毅1,2，張 振1，江仁斌1

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，河北 保定 071003； 2.河北省分布式儲能與微網(wǎng)重點實驗室(華北電力大學(xué))，河北 保定 071003)

為使模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)具備直流故障自清除能力和電容電壓均衡能力，提出了一種新型并聯(lián)雙端口子模塊：鉗位雙全橋子模塊(clamp double full bridge submodule, CD-FBSM)。該子模塊器件成本和運行損耗較低，正常工作時相鄰子模塊之間具有多種協(xié)同運行模式，通過特有的并聯(lián)模式可提高電容電壓均衡度。故障閉鎖時，模塊內(nèi)部電容并聯(lián)、模塊之間電容串聯(lián)且反向接入電路，能夠可靠阻斷故障電流并均衡電容電壓，有利于系統(tǒng)快速重啟。此外，提出了三階段故障電流阻斷機理分析方法，對CD-FBSM的故障電流阻斷過程進行了研究。通過Matlab/Simulink的仿真結(jié)果表明，所提子模塊電容電壓均衡度較高，可快速阻斷故障電流，且故障電流阻斷過程與理論分析一致。

模塊化多電平換流器；子模塊拓撲；直流故障；電容電壓均衡；故障電流阻斷機理

0 引言

作為直流輸配電領(lǐng)域的優(yōu)選拓撲，模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)憑借電壓質(zhì)量高、傳輸效率高和易于拓展等優(yōu)點，已在舟山五端柔性直流輸電、張北四端直流電網(wǎng)以及昆柳龍三端柔性直流輸電等多個工程中獲得實踐應(yīng)用，且取得了良好的運行效果[1-2]?？紤]到具備大通流能力的高壓直流電纜經(jīng)濟性較差，大型直流工程仍采用架空輸電線路，架空輸電線路易發(fā)的直流短路故障是亟待解決的問題[3-4]。此外，模塊化設(shè)計使子模塊之間相互獨立，模塊電容電壓不均衡會導(dǎo)致橋臂電壓不均衡，進而帶來環(huán)流問題[5-6]。

基于傳統(tǒng)半橋子模塊(half bridge submodule, HBSM)的MMC無法阻斷直流短路電流[7]。目前，工程可行的直流短路故障穿越方案主要有“半橋MMC+直流斷路器”和“具備故障自清除能力MMC”兩種，其中張北直流電網(wǎng)采用前者，昆柳龍直流輸電工程采用后者。受制于技術(shù)水平，高壓大容量直流斷路器造價昂貴，在實際工程中無法大規(guī)模推廣應(yīng)用[8-9]。通過配置故障限流子模塊，MMC可具備故障自清除能力，與“半橋MMC+直流斷路器”相比，“具備故障自清除能力MMC”可靠性高、經(jīng)濟性好且故障電流阻斷速度快，有望成為柔直系統(tǒng)最具前景的直流故障穿越方案[10]。

在眾多故障限流子模塊中，全橋子模塊(full bridge submodule, FBSM)、類全橋子模塊(similar full bridge submodule, SFBSM)[11]和二極管鉗位雙向開關(guān)子模塊(diode clamp bidirectional switch submodule, DCBSSM)[12]可快速阻斷故障電流，但成本與損耗較高。半橋-全橋混合子模塊(Half Bridge-full Bridge hybrid submodule, HB-FBSM)可降低成本與損耗，但閉鎖后電容電壓極不均衡，不利于系統(tǒng)快速重啟[13]。文獻[14]提出了鉗位雙子模塊(clamp double submodule, CDSM)，在閉鎖阻斷故障電流過程中，該子模塊的電容電壓較為均衡。文獻[15]提出了并聯(lián)全橋子模塊(paralleled full bridge submodule, P-FBSM)，該子模塊在正常工作時具有靈活的運行特性，在發(fā)生直流短路故障時可快速阻斷故障電流，但成本與損耗較高。以功率開關(guān)器件閉鎖時刻為界限，HBSM型MMC的直流故障電流發(fā)展過程可分為電容放電和不控整流兩個階段[16]。對于故障限流子模塊型MMC，已有研究大多將故障電流發(fā)展過程分為電容放電和充電兩個階段[17]，而沒有精確考慮交流系統(tǒng)饋流，理論分析與實際過程存在偏差。

維持子模塊電容電壓均衡是MMC實現(xiàn)高效交直電壓變換和能量傳輸?shù)那疤帷槭闺娙蓦妷罕M量均衡，傳統(tǒng)排序算法的開關(guān)頻率一般較高，雖然已有改進排序算法被提出，但這些算法多為開關(guān)頻率與電壓均衡度之間的某種折衷。通過改進子模塊可使MMC電容電壓均衡度在拓撲層面獲得提升。文獻[18]提出了雙半橋子模塊(double half bridge submodule, D-HBSM)，該子模塊在正常工作時可均衡模塊內(nèi)電容電壓，但不具備故障電流阻斷能力。針對P-FBSM的靈活運行特性，文獻[19]設(shè)計了動態(tài)分配均壓策略，可減小控制系統(tǒng)的計算負擔(dān)。文獻[20]提出了兼具故障電流阻斷能力和自均壓能力的移位全橋子模塊(oblique connection full bridge submodule, OCFBSM)，該子模塊器件成本較高，且正常運行時橋臂中至多一個子模塊處于并聯(lián)輸出狀態(tài)，電容電壓整體均衡性能較差。

根據(jù)上述內(nèi)容可知，通過改進子模塊拓撲可使MMC具備故障自清除能力或更高的電容電壓均衡度，但現(xiàn)有子模塊大多僅能實現(xiàn)其中一種功能，少數(shù)具備兩種功能的子模塊又面臨成本較高等問題。為此，本文提出了一種新型MMC并聯(lián)雙端口子模塊，即鉗位雙全橋子模塊(clamp double full bridge submodule, CD-FBSM)。該子模塊成本與損耗較低，可快速阻斷直流短路電流，且正常工作時和故障閉鎖后均可并聯(lián)輸出電容電壓以提高電壓均衡度。此外，綜合考慮模塊電容和橋臂電感的充放電狀態(tài)以及交流系統(tǒng)饋流，本文根據(jù)橋臂電感電流通路將故障電流發(fā)展過程分為電感充電、電感續(xù)流和交流電流阻斷3個階段，以使理論分析符合故障電流實際阻斷過程。

本文首先分析典型故障限流子模塊的拓撲結(jié)構(gòu)，對其進行歸納與分類。其次，提出CD-FBSM的拓撲和運行模式，闡明模式確定原則與電容電壓均衡機理。再次，研究CD-FBSM型MMC的故障電流阻斷機理，并分三階段進行闡述。接著，分析CD-FBSM的成本和損耗，且與其他典型子模塊進行對比。最后，搭建Matlab/Simulink仿真模型，對所提CD-FBSM的故障電流阻斷能力和電容電壓均衡能力進行驗證。

1 典型故障限流子模塊

故障限流子模塊有多種分類方法，從拓撲角度可按電容個數(shù)、故障閉鎖后電容連接方式以及輸出端口個數(shù)等進行分類。

1.1 按包含電容個數(shù)分類

根據(jù)所含電容個數(shù)，故障限流子模塊可分為單電容、雙電容和多電容子模塊，比如前述FBSM、SFBSM、DCBSSM、P-FBSM為單電容子模塊，HB- FBSM、CDSM、OCFBSM為雙電容子模塊。

1.2 按故障閉鎖后電容連接方式分類

根據(jù)閉鎖后橋臂故障電流通路中電容的連接方式，故障限流子模塊可分為旁路型、串聯(lián)型和并聯(lián)型3種[21]。旁路型子模塊閉鎖后，故障電流通路中部分電容處于旁路狀態(tài)，典型代表包括HB- FBSM和二極管鉗位子模塊(diode clamp submodule, DCSM)[22]等，閉鎖后的故障電流通路如圖1所示。

圖1 旁路型子模塊故障電流通路

串聯(lián)型子模塊閉鎖后，故障電流通路中的電容處于串聯(lián)狀態(tài)，典型代表包括FBSM、SFBSM、DCBSSM、串聯(lián)雙子模塊(series connected double submodule, SDSM)[23]和三電平子模塊(three-level submodule, TLSM)[24]等，閉鎖后的故障電流通路如圖2所示。

圖2 串聯(lián)型子模塊故障電流通路

并聯(lián)型子模塊閉鎖后，故障電流通路中模塊內(nèi)部的電容為并聯(lián)狀態(tài)、模塊之間的電容為串聯(lián)狀態(tài)，典型代表包括CDSM、OCFBSM和二極管鉗位混合子模塊(diode clamp hybrid submodule, DCHSM)[25]，閉鎖后的故障電流通路如圖3所示。

串聯(lián)型子模塊可以是單電容、雙電容或多電容子模塊，而旁路型和并聯(lián)型子模塊則為雙電容或多電容子模塊。故障閉鎖后，旁路型子模塊的電容分別處于投入與旁路狀態(tài)，電容電壓不均衡程度高，會延長系統(tǒng)重啟時間。串聯(lián)型子模塊雖能夠快速阻斷故障電流，但器件成本與運行損耗較高。并聯(lián)型子模塊的電容在故障閉鎖期間處于并聯(lián)狀態(tài)，電容電壓更為均衡，有利于系統(tǒng)快速重啟。

1.3 按輸出端口個數(shù)分類

根據(jù)輸出端口個數(shù)，故障限流子模塊可分為單端口和雙端口兩種，圖1—圖3皆為單端口子模塊。雙端口子模塊的典型代表為P-FBSM，拓撲結(jié)構(gòu)及閉鎖后的故障電流通路如圖4(a)所示，該子模塊為單電容、串聯(lián)型子模塊。將FBSM的一個開關(guān)器件分裂為兩個即可得到P-FBSM，P-FBSM開關(guān)器件的通流能力為FBSM的一半。

圖3 并聯(lián)型子模塊故障電流通路

單端口子模塊之間只有一條電流通路，協(xié)同工作困難，而雙端口子模塊之間有兩條電流通路，可并聯(lián)輸出均衡電容電壓。圖4(b)給出了3個P-FBSM并聯(lián)輸出時對應(yīng)的電流通路，其中藍色虛線和紅色虛線分別代表正向和反向電流。正常工作時，橋臂子模塊可分為多組，各組子模塊之間串聯(lián)連接，組內(nèi)子模塊則如圖4(b)所示并聯(lián)輸出，從而局部均衡電容電壓。然而，P-FBSM的器件成本與FBSM相當(dāng)，經(jīng)濟性較差。

圖4 P-FBSM的拓撲及并聯(lián)輸出狀態(tài)

綜上所述，以表格的形式對各類子模塊拓撲的故障電流清除速度、重啟速度等性能指標(biāo)進行歸納對比，結(jié)果如表1所示。

表1 子模塊拓撲性能類別

為了使故障限流子模塊在正常工作時和故障閉鎖后皆可均衡子模塊電容電壓，并降低器件成本與運行損耗，本文提出了一種新型并聯(lián)雙端口子模塊：鉗位雙全橋子模塊CD-FBSM。

2 鉗位雙全橋子模塊

2.1 拓撲結(jié)構(gòu)及運行模式

圖5 CD-FBSM的拓撲結(jié)構(gòu)

正常工作時，鉗位電路中的二極管D1、D2處于反向截止?fàn)顟B(tài)，開關(guān)S0處于常開狀態(tài)，子模塊內(nèi)部兩個全橋電路串聯(lián)連接，相鄰子模塊鉗位電路之間的兩個全橋電路存在多種連接方式，因此對子模塊的控制可轉(zhuǎn)化為對鉗位電路之間兩個全橋電路的協(xié)同控制。相鄰鉗位電路之間兩個全橋電路的運行模式包括旁路、串聯(lián)和并聯(lián)3種，圖6給出了各個模式對應(yīng)的電流通路。

圖6 CD-FBSM各運行模式對應(yīng)的電流通路

2.2 電容電壓均衡機理

當(dāng)電容電壓差值較大時，所提CD-FBSM可利用特有的并聯(lián)運行模式均衡電容電壓。以最近電平逼近調(diào)制(nearest level modulation, NLM)為基礎(chǔ)，本文設(shè)計的運行模式確定原則如圖8所示。

圖8 運行模式確定原則

圖9 CD-FBSM的故障電流通路

3 故障電流阻斷機理

直流短路故障發(fā)生后，故障電流迅速上升，檢測到故障后控制系統(tǒng)立即發(fā)出信號閉鎖所有子模塊。所提CD-FBSM型MMC具備故障自清除能力，根據(jù)橋臂電感電流通路，本文將故障電流發(fā)展過程分為電感充電、電感續(xù)流和交流電流阻斷3個階段。接下來以危害最嚴(yán)重的雙極短路故障為例，對故障電流阻斷機理進行說明。

3.1 電感充電階段

故障發(fā)生后、子模塊閉鎖前這一時段稱為電感充電階段，圖10給出了這一階段的電流通路，主要包括電感充電通路和交流電流通路。在電感充電通路中，電流經(jīng)故障點形成回路，電容放電、電壓降低，部分能量轉(zhuǎn)移到電感中，故障電流迅速升高。在交流電流通路中，各相電流于上、下橋臂等分，不流過直流故障點。以A相流入、B相與C相流出為例，如圖10所示，A相電流上橋臂分量與電感充電電流方向相同，下橋臂分量與電感充電電流方向相反，因此A相上橋臂電流大于下橋臂電流。

圖10 電感充電階段的電流通路

由于電感充電階段持續(xù)時間較短，可認(rèn)為橋臂投切子模塊數(shù)保持不變。在每個相單元的4N個電容(N為橋臂子模塊數(shù))中，各有一半子模塊分別處于投入與切除狀態(tài)，這里認(rèn)為子模塊電容電壓較為均衡，沒有CD-FBSM處于并聯(lián)運行模式。投入與切除的兩組電容電壓幾乎相等，在輪換投切過程中，兩組電容可視為并聯(lián)接入。電感充電通路可近似等效為RLC串聯(lián)電路(電容放電)，如圖11所示。

3.2 電感續(xù)流階段

從子模塊閉鎖到三相單元均關(guān)斷一個橋臂這一時段稱為電感續(xù)流階段，此階段的電流通路主要包括交流電流通路和電感續(xù)流通路，其中交流電流通路與電感充電階段相同，如圖12所示。在電感續(xù)流通路中，CD-FBSM型MMC模塊內(nèi)兩個電容并聯(lián)、模塊間電容串聯(lián)，且反向接入電路，電容充電、電壓升高，存儲在電感中的能量轉(zhuǎn)移到電容中，故障電流迅速降低。受交流系統(tǒng)影響，各相單元上、下橋臂電流值大小不同，電流值小的橋臂會優(yōu)先關(guān)斷。以圖12所示電流方向為例，A相下橋臂、B相上橋臂以及C相上橋臂將優(yōu)先關(guān)斷。

圖12 電感續(xù)流階段的電流電路

圖13 電感續(xù)流回路等效電路

3.3 交流電流阻斷階段

從三相單元均關(guān)斷一個橋臂到直流電流降為零這一時段稱為交流電流阻斷階段，此階段的電流通路如圖14所示，交流電流通過3個橋臂與直流故障點構(gòu)成回路。與電感充電及電感續(xù)流階段不同，交流電流阻斷階段的交流電流流過故障點，故障電流衰減速度小于電感續(xù)流階段。

圖14 交流電流阻斷階段的電流通路

根據(jù)圖14，由KVL可得MMC交流出口A相與B相(或C相)之間的線電壓line為

式中，為調(diào)制比，取值通常小于1。

將式(14)代入式(13)可得

由式(15)可知，交流電流通路中的二極管會因承受反壓而關(guān)斷，交流側(cè)無法繼續(xù)向直流側(cè)饋流，故障電流得以徹底阻斷。

4 經(jīng)濟性分析

4.1 器件成本

本文以IGBT和二極管數(shù)量T、D為指標(biāo)，評價子模塊單位電容所需開關(guān)器件成本。為便于比較，將子模塊中最大通流能力為arm的器件等效為兩個最大通流能力為0.5arm的器件并聯(lián)。設(shè)T為子模塊單位電容對應(yīng)的開關(guān)器件成本，其表達式為

式中，為二極管相比于IGBT的價格系數(shù)，這里取0.2。

根據(jù)式(16)，表2給出了所提CD-FBSM與幾種典型故障限流子模塊的器件成本對比結(jié)果。其中，“IGBT/(單位電容)”和“二極管/(單位電容)”分別表示單位電容對應(yīng)的IGBT數(shù)目和二極管數(shù)目。以CD-FBSM和FBSM為例，前者包含10個通流能力為0.5arm的IGBT(全橋電路、鉗位電路分別包含8個和2個)，由于CD-FBSM包含2個電容，因此單位電容對應(yīng)的IGBT數(shù)目為5，即“IGBT/電容”為5；FBSM包含4個通流為arm的IGBT，可等效為8個通流能力為0.5arm的IGBT，即“IGBT/電容”為8。

表2 器件成本對比

與FBSM、HB-FBSM、DCHSM相比，CD-FBSM正常工作時可均衡電容電壓，且器件成本更低；CDSM的器件成本雖與CD-FBSM相當(dāng)，但不具備電容電壓自均衡能力；P-FBSM、OCFBSM雖可均衡電容電壓，但器件成本大大高于CD-FBSM。

4.2 運行損耗

本文利用Matlab/Simulink搭建了如圖15所示的MMC仿真模型，具體參數(shù)如表3所示，所提CD-FBSM和其他典型故障限流子模塊的運行損耗如表4所示。分析可知，F(xiàn)BSM和P-FBSM的運行損耗較大，CD-FBSM、HB-FBSM、CDSM等子模塊的運行損耗相對較小且差值不大，其中CD-FBSM的運行損耗最小。

圖15 單端MMC仿真模型

表3 仿真模型參數(shù)

FBSM、CDSM和所提CD-FBSM皆為故障限流子模塊，它們均應(yīng)用于柔性直流輸電場景。在成本與損耗方面，CD-FBSM和CDSM的器件成本和運行損耗相當(dāng)，均明顯優(yōu)于FBSM；在控制復(fù)雜度方面，F(xiàn)BSM略優(yōu)，CDSM和CD-FBSM相當(dāng)；由于運行可靠性與輸出單位電平所需要的功率器件數(shù)目呈正相關(guān)[26]，故CDSM和CD-FBSM的運行可靠性相當(dāng)，且均優(yōu)于FBSM。

表4 運行損耗對比

上述經(jīng)濟性分析表明，所提CD-FBSM在具備故障電流阻斷能力與電容電壓均衡能力的同時，與其他典型故障限流子模塊相比，在器件成本、運行損耗方面亦具備一定的經(jīng)濟優(yōu)勢。

5 仿真驗證

為驗證所提CD-FBSM的運行性能，本文利用Matlab/Simulink搭建了如圖15所示的MMC仿真模型，具體參數(shù)如表3所示。設(shè)置1.0 s時換流站直流出口發(fā)生雙極短路故障，1.002 s時檢測到故障并閉鎖所有子模塊，1.098 s時故障清除，1.1 s時解鎖所有子模塊，相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖16—圖19所示。

圖16 正常運行仿真結(jié)果

圖17 故障電流阻斷仿真結(jié)果

圖19 故障電流阻斷過程對比

5.1 正常運行時的仿真分析

圖16給出了基于CD-FBSM的MMC正常運行時的仿真結(jié)果。由圖16(a)可知，在所提運行模式確定的原則下，子模塊電容電壓的均衡度較高且穩(wěn)定在額定值1 kV左右。MMC交流側(cè)輸出21電平階梯波，直流電壓在額定值20 kV附近波動，且波動幅度不超過0.5%，如圖16(b)、圖16(c)所示。因此，CD-FBSM型MMC的子模塊電容電壓較為均衡，能夠順利完成交直電壓變換，且電能質(zhì)量較高。

5.2 故障電流阻斷仿真分析

圖17給出了CD-FBSM型MMC的直流短路電流阻斷過程仿真結(jié)果，圖中I、II、III分別表示電感充電階段、電感續(xù)流階段和交流電流阻斷階段。1.0～1.002 s為電感充電階段，此時子模塊電容向短路點放電，電容電壓降低，直流電流和橋臂電流升高，如圖17(a)—圖17(c)所示。1.002～1.003 s為電感續(xù)流階段，此時模塊內(nèi)兩個電容并聯(lián)、模塊間電容串聯(lián)且反向接入電路，電容充電、電壓上升且均衡度較高，如圖17(c)所示。在電感充電和續(xù)流階段，交流電流通路相當(dāng)于三相短路，交流電流升高，如圖17(d)所示；由于A相電流流入MMC，A相下橋臂電流小于上橋臂電流，下橋臂優(yōu)先關(guān)斷，其電容電壓也停止上升，如圖17(b)—圖17(d)所示。此外，根據(jù)式(10)，圖17(a)還給出了故障電流在電感充電階段與電感續(xù)流階段的解析計算結(jié)果，如圖中紅色虛線所示，可以看出解析計算波形與仿真波形高度吻合，可證明理論分析的正確性。1.003～1.009 s為交流電流阻斷階段，此時交流電流流過直流短路點，故障電流衰減速度小于電感續(xù)流階段，如圖17(a)所示；A相上橋臂電流繼續(xù)對電容充電，直至交流電流被完全阻斷，如圖17(b)—圖17(d)所示。短路故障發(fā)生后，直流電壓驟降為0，故障電流經(jīng)過階段I的迅速上升、階段II和階段III的阻斷最終衰減為0，且因二極管承受反壓而無復(fù)燃可能，直流電壓在3個階段的變化趨勢與故障電流較為相似，如圖17(a)、圖17(e)所示。子模塊閉鎖后，故障電流在約7 ms內(nèi)降為0，因此CD-FBSM型MMC能夠快速且可靠阻斷故障電流。

5.3 故障穿越過程仿真分析

故障發(fā)生、子模塊閉鎖、故障電流阻斷、故障清除、子模塊解鎖以及換流站重啟恢復(fù)至穩(wěn)定運行等事件構(gòu)成了整個故障穿越過程，圖18給出了這一過程中CD-FBSM型MMC的直流電壓和交流電流仿真結(jié)果。正常運行時交流電流峰值約為0.2 kA，故障后交流電流最大增長至約0.45 kA，子模塊閉鎖后交流電流在幾個毫秒內(nèi)降為0。故障清除后，控制系統(tǒng)發(fā)出信號解鎖所有子模塊以重啟換流站，經(jīng)過約0.2 s的暫態(tài)過程后直流電壓和交流電流增長至穩(wěn)態(tài)值，系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定運行。

5.4 子模塊故障電流阻斷對比

在相同工況下，圖19給出了CD-FBSM與HB-FBSM、FBSM和CDSM的故障電流阻斷對比仿真結(jié)果。如圖19(a)所示，子模塊閉鎖后，F(xiàn)BSM的故障電流阻斷速度最快，HB-FBSM次之，CD- FBSM和CDSM稍慢但亦可在幾個毫秒內(nèi)阻斷故障電流。圖19(b)給出了子模塊電容電壓的仿真結(jié)果，其中HB-FBSM由于一半電容處于旁路狀態(tài)，整體電容電壓極不均衡，且處于投入狀態(tài)的電容因故障電流充電而偏離額定值較多，不利于系統(tǒng)快速重啟；與HB-FBSM相比，F(xiàn)BSM、CDSM和CD- FBSM所有電容均處于投入狀態(tài)，其電容電壓均衡度較高且偏離額定值較小；憑借電容電壓的均衡能力，CD-FBSM在故障電流阻斷過程中與FBSM和CDSM相比具有更高的電容電壓均衡度。從總體阻斷效果來看，CD-FBSM不如FBSM，但CD-FBSM在器件成本和運行損耗方面具備明顯優(yōu)勢，且仍能保證快速可靠地阻斷故障電流。

分析以上仿真結(jié)果可知，CD-FBSM在正常運行和故障發(fā)生期間均具有較高的電容電壓均衡度，能夠快速可靠地阻斷故障電流，且故障清除后能夠快速重啟恢復(fù)穩(wěn)定運行。

功率開關(guān)器件難以同時耐受高電壓和大電流，耐壓能力越強，通流能力越弱。在橋臂電流大小相同時，CD-FBSM全橋電路中功率器件的通流能力僅需為CDSM半橋電路的一半，因此CD-FBSM可選擇耐受電壓更高的功率器件，進而降低橋臂電容數(shù)目，減輕控制系統(tǒng)計算負擔(dān)。此外，CD-FBSM是雙端口子模塊，正常工作時相鄰子模塊之間存在多種協(xié)同運行模式，相比CDSM可通過并聯(lián)運行模式提高電容電壓均衡度。

與FBSM相比，CD-FBSM無法輸出負電平，因此無法進行無閉鎖故障穿越，這也是大多典型故障限流子模塊的不足。鑒于無閉鎖故障穿越更適合故障較輕且對故障限流要求不太嚴(yán)格的情況，且閉鎖故障穿越仍是快速、可靠阻斷故障電流的首選，所提CD-FBSM等在器件成本、運行損耗以及模塊均壓等方面具備明顯優(yōu)勢，因此其故障限流子模塊具有一定的研究價值。

6 結(jié)論

本文提出了一種新型MMC并聯(lián)雙端口子模塊CD-FBSM，分析了它的運行模式、電容電壓均衡機理和故障電流阻斷機理，評估了它的器件成本與運行損耗，并搭建仿真模型對所提子模塊的運行性能進行驗證，得到結(jié)論如下：

1) CD-FBSM的成本和損耗較低，正常工作時相鄰子模塊之間具有多種協(xié)同運行模式，通過特有的并聯(lián)模式可均衡電容電壓；

2) 故障閉鎖期間，CD-FBSM的兩個電容并聯(lián)、模塊間電容串聯(lián)且反向接入電路，能夠可靠阻斷故障電流并均衡電容電壓，有利于換流站快速重啟；

3) 所提三階段故障電流阻斷機理分析方法更貼近CD-FBSM的實際故障電流阻斷過程，該方法可推廣應(yīng)用于其他故障限流子模塊。

需要說明的是，受交流饋流影響，換流器閉鎖后橋臂間電容電壓差值較大，如何均衡橋臂間電容電壓仍需進一步研究。此外，故障電流在電感續(xù)流階段和交流電流阻斷階段的精確解析模型還需進一步求解。

[1]袁敏, 茆美琴, 程德健, 等. 主電路參數(shù)對MMC- HVDC電網(wǎng)直流短路故障電流綜合影響分析[J]. 中國電力, 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, 張英敏, 劉天琪, 等. 混合級聯(lián)型多落點直流輸電系統(tǒng)交流系統(tǒng)故障協(xié)調(diào)控制策略[J]. 智慧電力, 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] 王思華, 趙磊, 王軍軍, 等. 基于MMC的直流輸電系統(tǒng)雙極短路故障保護策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 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] 馬文忠, 田洪英, 劉慧玉, 等. 非隔離型模塊化多電平DC/DC變換器的最小化橋臂環(huán)流控制[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 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] 張健, 陳銳, 陳世瑛, 等. MMC子模塊設(shè)備老化機理與狀態(tài)監(jiān)測研究綜述[J]. 高壓電器, 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] 李欣悅, 李鳳婷, 尹純亞, 等. 直流雙極閉鎖故障下送端系統(tǒng)暫態(tài)過電壓計算方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 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] 張懌寧, 羅易萍, 洪妍妍. 基于多端口混合直流斷路器的LCC-VSC混合多端直流輸電系統(tǒng)故障清除方案[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 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] 陳磊, 何慧雯, 王磊, 等. 基于半橋型MMC的柔性直流電網(wǎng)故障限流方法綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 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] 董云龍, 汪楠楠, 田杰, 等. 一種新型模塊化多電平換流器[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 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, 王躍, 段國朝, 等. 基于零直流電壓控制的混合型MMC-HVDC直流短路故障穿越策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 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] 段國朝, 王躍, 尹太元, 等. 模塊化多電平變流器直流短路故障電流計算[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 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]羅永捷, 李耀華, 李子欣, 等. 全橋型MMC-HVDC直流短路故障穿越控制保護策略[J]. 中國電機工程學(xué)報, 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, 趙成勇, 許建中, 等. 并聯(lián)全橋子模塊MMC的自均壓運行特性研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 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, 譚開東, 王毅, 等. 具備直流故障清除和自均壓能力的MMC移位全橋子模塊拓撲[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 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, 陶建業(yè), 王毅, 等. 具備故障電流對稱清除能力的雙向開關(guān)鉗位式全橋子模塊[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 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] 張建坡, 趙成勇, 孫海峰, 等. 模塊化多電平換流器改進拓撲結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 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] 胡燦. 直流配電網(wǎng)中MMC的控制技術(shù)研究[D]. 保定: 華北電力大學(xué), 2019.

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

[26] 許建中, 王樂, 武董一, 等. 采用子模塊相關(guān)性坐標(biāo)變換解耦的混合模塊化多電平換流器可靠性建模[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 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

國家自然科學(xué)基金項目資助(52077079)；河北省自然科學(xué)基金項目資助(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，工程師，研究方向為電力電子變流器的拓撲、建模與控制等；E-mail: wangchen1992ncepu@163.com

魏子文(1996—)，女，碩士，研究方向為柔性直流輸電技術(shù)；E-mail: 18831866967@163.com

王 毅(1977—)，男，博士后，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為柔性直流輸電技術(shù)、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等。E-mail: yi.wang@ncepu.edu.cn

(編輯 許 威)