孙道友， 刘泽玺， 孙玉玉， 陈文涛， 张惠宇， 王 宁， 刘世林

(安徽工程大学电气工程学院，241000，安徽省芜湖市)

0引 言

随着气候变化问题日益加重，以及能源供给安全和能源紧缺形势日趋严峻，我国将重点优化能源结构，大力开发和利用可再生能源[1-2]. 以风能、太阳能为代表的可再生能源，具有远离负荷中心，资源分散等特点，这使得大规模应用可再生能源必须采用远距离大容量输电方式. 模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)技术应运而生，成为了柔性直流输电工程技术发展史上的重要里程碑.

与常规的两电平和三电平换流器技术相比，MMC不仅解决了传统技术缺陷，而且具备诸多优势[3-4]：模块化的结构，易于达到高电压等级；多电平的工作方式，利于提升输电效率；高质量的输出电压波形，不需要安装交流滤波器等. MMC技术的出现，极大地提升了柔性直流输电工程的可行性，促进了柔性直流输电技术的发展及其工程推广应用. 同时与其相关的设计、运行和控制等问题也成为了研究的热点，如子模块及换流器拓扑的研究、运行稳定性的研究、电压平衡、环流抑制以及故障穿越控制的研究等[5-7].

为了应对架空直流输电线路经常出现的瞬时性短路故障，一般有3种策略[7-14]：直流断路器、交流断路器以及具有故障电流清除能力的子模块. 直流断路器通过在直流侧直接切断直流故障电流通路，完成故障电流的清除，等待故障清除过后，再重新启动MMC模块. 但是直流断路器切除故障电流技术尚处于发展阶段且制造价格过高，因此采用直流断路器会大大增加工程的不稳定性且会提高工程的成本. 利用交流断路器可以切断MMC与交流系统的电气连接，但是无法阻止MMC子模块中的电容向故障点放电，会导致电容电压骤降，这样故障解决后等待系统稳定，MMC重新投入电路中所消耗的时间会很长. 此外交流断路器一般需要等到交流系统过零点再动作，因此检测到直流故障后，不一定能立刻闭锁. 对于使用具有故障电流自清除能力的子模块而言，在故障发生后，通过闭锁子模块的所有IGBT，改变电流流通路径，通过子模块电容提供的反压抑制故障电流，达到清除故障电流的目的，且故障排除后易于恢复.

基于此，提出一种基于双电容的子模块拓扑结构，该子模块在正常工作时可以提供3种电平，且2个电容可以独立工作在充电模式及放电模式，便于子模块电容均衡. 此外，在直流侧发生故障时，系统检测到故障并下达闭锁指令后，该子模块可以使故障电流反向给电容充电，提供反压，迫使二极管关断，达到清除故障电流的目的. 最后，通过双极以及单极短路故障仿真，验证了所提出的子模块故障电流清除能力的有效性.

1 子模块拓扑及工作原理

1.1 子模块拓扑结构

所提出的子模块拓扑图如图1所示，该拓扑图由4个带有反并联二极管的IGBT，2个电容C1和C2,1个IGBT以及5个二极管组成，其中4个二极管和1个IGBT组合在一起形成一个双向开关，当IGBT闭锁时，双向开关可以阻断流过该路径上任意方向的电流. 双向开关的一端与子模块的输出端相连，另一端与电容C1的负极相连，电容C1和C2的参数相同，当子模块正常工作时，通过控制2个IGBT的驱动信号，使电流分别或同时对2个电容进行充放电，响应上层算法的电平指令.

图1 子模块拓扑结构

1.2 工作原理

所提出的子模块在正常运行时能够产生3种电平. 当发生了直流故障时，IGBT闭锁，对故障电流进行自清除. 通过控制5个IGBT的通断状态可使子模块具备5种工作模式. 定义电流方向：以电流从子模块上端流入为正，下端流入为负.

(1)模式1：开关管S3和S5导通，S1,S2,S4关断，电容C2被旁路，子模块输出电压为UC1. 模块电流流通路径见图2(a).

(2)模式2：开关管S1导通，S2,S3,S4,S5关断，电容C1被旁路，子模块输出电压为UC2. 模块电流流通路径见图2(b).

(3)模式3：开关管S2,S3,S4导通，S1,S5关断，子模块输出电压为UC1+UC2. 模块电流流通路径见图2(c).

(4)模式4：开关管S1,S4,S5导通，S2,S3关断，电容C1与C2均被旁路，子模块输出电压为0. 模块电流流通路径见图2(d).

(5)模式5：此模式为故障模式，当电路发生直流故障时，所有的IGBT均会进入闭锁状态，电流通过与IGBT反向并联的二极管流通. 当电流正向流入时，电流通过D3，D4，D2将电容C1与电容C2串联起来，子模块输出电压为UC1+UC2；当电流反向流入时，电流通过D9，D4，D1，此时电容C2被旁路，子模块输出电压为-UC1. 模块电流流通路径见图2(e).

(a) UC1工作模式电流流通路径图

(b) UC2工作模式电流流通路径图

(c) 双电容工作模式电流流通路径图

(d) 旁路工作模式电流流通路径图

(e) 故障模式电流流通路径图

根据前面所描述的工作状态，子模块的运行模式可分为4种正常模式和1种闭锁模式. 各模式下的器件开关状态如表1所示.

表1 新型子模块运行模式

表1中i>0表示电流方向为正，i<0表示电流方向为负，0表示开关管关断，1表示开关管导通. 由表1可得出所提出的子模块能够产生3种电平，除闭锁状态外，电流的流向不同会导致不同数量的电容接入到电路当中，电流正向流入时，有2个电容接入到电路当中；而电流反向流入时，只有一个电容接入到电路中. 从提供的电平数量来看，电流正向流入时清除故障的能力是反向时的2倍.

2 子模块直流故障电流阻断原理

在直流输电系统中直流故障有2种情况：一种是单极接地，另一种是双极短路，在理论分析上，以相对严重的双极短路故障为例进行分析. 考虑到系统的故障检测系统，从故障发生时刻到IGBT闭锁会有几毫秒(大约2～5 ms)的延时，所以将故障分为闭锁前和闭锁后2个阶段. 分析这2个阶段系统的运行特点.

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2.1 阶段1：闭锁前

设故障发生时刻为t0，闭锁时刻为t1，在t0～t1时间内MMC的等效电路图如图3所示.在正常运行时，子模块根据电容均衡策略，运行在单电容或者双电容模式.假设每个投入电路中的电容容值为C.上桥臂有N个等效电容，下桥臂有N个等效电容.这样上桥臂的所有子模块可以等效成1个二极管和1个容值为C/N的电容，同理下桥臂所有的子模块也可做类似处理，最终得到如图3所示的等效电路.

由图3可得如下电路方程

(1)

(2)

其中k表示a,b,c三相，uk为交流相电压，ipk为上桥臂电流，ink为下桥臂电流，upk为上桥臂输出电压，unk为下桥臂输出电压，upO为直流正极对地电压，unO为直流负极对地电压，R0为桥臂电阻，L0为桥臂电感.

图3 MMC等效电路图

结合式(1)和式(2)可得

ua+ub+uc-3upO=R0(ipa+ipb+ipc)+

(3)

ua+ub+uc-3unO=(una+unb+unc)-

(4)

根据基尔霍夫定理，由于ipa+ipb+ipc=idc，ua+ub+uc=0，所以有

(5)

(6)

其中idc为故障回路电流.

结合式(5)和式(6)可得

(7)

2.2 阶段2：闭锁后

发生直流故障几毫秒以后，子模块所有的IGBT都会进入闭锁状态. 以电流正向流入子模块为例，当所有IGBT闭锁，子模块电路可以等效成2个电容和3个二极管串联在电路当中，这样上桥臂或下桥臂中所有的子模块可以等效成一个容值C/N的电容和3个二极管. 由于故障后系统快速闭锁，所以此时子模块电容电压并未下降过多，可以看作和正常运行时相等. 在闭锁后的几毫秒内，电容提供反向电压迫使桥臂电流下降，同时桥臂电容处于充电状态，电容电压会继续升高，如果忽略桥臂电感上的压降，此时只要满足

(8)

化简可得

(9)

式中,Um为故障后交流侧相电压幅值，Uc为子模块电容电压.

只有当式(9)成立时，等效电路中的二极管才处于反向截止状态，阻断桥臂电容放电的路径，达到直流侧故障电流快速清除的效果. 当电流反向流入时，也可以得到类似的结论. 但是从表1可以看出，电流正向流入时，子模块中有2个电容串联在电路中，而反向流入时只有1个电容串联在电路中，所以电流正向流入时，清除故障的能力是反向时的两倍.

综上所述，故障发生后，闭锁所有IGBT，无论电流如何流入子模块当中，桥臂上的二极管都会因为承受反向电压而截止，使桥臂电流快速地衰减为零，所以提出的子模块可以迅速地清除直流侧的故障电流.

3 仿真验证

为验证所提出子模块的故障电流清除能力的有效性，在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建了可以产生25电平的MMC直流输电系统模型，分别在系统中模拟直流侧双极短路故障以及单极短路故障，系统参数如表2所示.

表2 仿真参数

MMC直流输电系统仿真模型如图4所示.

图4 MMC直流输电系统仿真模型

仿真工况1：直流侧双极短路故障.

系统从初始时刻0 s开始稳定运行，0.995 s时直流侧发生双极短路故障，经5 ms后换流阀闭锁，仿真结果如图5所示. 图5(a)是系统运行过程中子模块电压的仿真波形，系统在0.995 s之前处于稳定运行状态，子模块电压存在低频波动，但均压效果良好. 在发生短路故障时，由于系统没有触发闭锁指令，在闭锁前因为直流侧短路，子模块电容放电导致电容电压骤降；之后，系统闭锁所有的IGBT，故障电流给子模块电容反向充电直到故障电流清除. 图5(b)是系统运行过程中交流侧三相交流电流及直流侧电压的仿真波形，可以看到，在闭锁前因为直流侧短路，交流电流急剧上升，系统下达闭锁指令后，故障电流经4.5 ms后被清除.

(a) 子模块电压波形

(b) 交流侧三相电流及直流侧电压波形

仿真工况2：直流侧单极短路故障.

与双极仿真工况类似，系统在0.995 s时直流侧发生短路故障，经5 ms后换流阀闭锁，仿真结果如图6所示.

(a)子模块电压波形

(b) 交流侧三相电流及直流侧电压波形

图6(a)是系统运行过程中子模块电压的仿真波形，系统在0.995 s之前处于稳定运行状态，子模块电压存在低频波动，但均压效果良好. 在发生短路故障时，在闭锁前因为直流侧短路，子模块电容放电导致电容电压骤降；之后，系统闭锁所有的IGBT，故障电流给子模块电容反向充电直到故障电流清除. 图6(b)是系统运行过程中交流侧三相交流电流及直流侧电压的仿真波形，可以看到，在闭锁前因为直流侧短路，交流电流急剧增加，系统下达闭锁指令后，故障电流经3.3 ms后被清除.

4 结 论

针对传统半桥子模块不具备清除故障电流的能力，提出一种具有故障电流自清除能力的子模块. 与传统子模块不同，该子模块由一个IGBT和4个二极管组成的双向开关构成，并且是双电容子模块. 通过分析，该子模块在正常工作时可以提供3种电平，且2个电容能够独立工作在单电容模式. 之后，对故障状态进行了详细分析，将故障状态分为闭锁前及闭锁后2个阶段建立数学模型，最后在MATLAB/Simulink上搭建了仿真模型，通过双极短路以及单极短路故障，验证了所提子模块电流清除能力的有效性.