许斌，李程昊，向往，文劲宇，周国梁，刘晓瑞

(1. 中国电力工程顾问集团中南电力设计院，武汉市 430071；2.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)，武汉市 430074)



MMC模块化串并联扩容方法及在能源互联网中的应用

许斌1，李程昊2，向往2，文劲宇2，周国梁1，刘晓瑞1

(1. 中国电力工程顾问集团中南电力设计院，武汉市 430071；2.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)，武汉市 430074)

能源互联网可以实现大规模可再生能源的高效利用与远距离传输。基于模块化多电平技术的直流电网是构成能源互联网、实现可再生能源电能传输的重要组成部分与有效技术手段。但受限于现有电力电子技术的发展，单个模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的额定电压和额定电流难以提高，难以实现跨国或者跨洲的大规模可再生能源电力传输。针对上述问题，研究了MMC的子模块串、并联，桥臂串、并联及换流站串、并联的拓扑结构，并对比分析了各种结构在大规模风电并网传输中应用的技术优缺点。为了综合MMC和相控换流器(line commutated converter, LCC)的技术优势，并适应未来能源互联网的需要，还研究了MMC与LCC的串、并联结构。最后，仿真研究了串联结构的均压问题和并联结构的均流问题。通过对各种串并联扩容方法的对比研究，得出了MMC串联及MMC与LCC串联在高压大功率场合中更具技术优势的结论。研究结果可以为大功率换流站的构成方法与工程应用提供参考。

能源互联网；模块化多电平换流器; 相控换流器; 换流器串并联; 风电并网

0 引 言

近年来，随着新通讯技术与新能源技术的发展，两者的结合推动着能源互联网技术的产生[1-2]。能源互联网以可再生能源为供应主体，将成为能源基础平台。然而, 已有的能源系统设施无法满足大规模远距离可再生能源的广泛接入[3]。基于直流电网技术[4-5]的传输网络是解决上述问题，实现能源可靠互联的有效技术手段。直流电网技术由两端、多端直流输电(multi-terminal high voltage direct current, MTDC)发展而来。其组成形式包括传统的相控换流器(line commutated converter, LCC)和电压源型换流器(voltage source converter, VSC)[6]。VSC技术由于其有功无功控制解耦，可以实现黑启动，无需装设大量无功补偿装置，在近年的实际工程中得到了广泛的应用[7]。模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)作为最新的一种VSC技术[8-10]，其通过采用子模块串联的方法，可以应用于高电压、大功率场合，在可再生能源并网传输领域具有广泛的应用前景[11-13]。

然而，受限于开关元件的耐压和通流能力，MMC的传输容量受到限制，不易实现可再生能源大规模、远距离的跨国、跨洲传输。例如，MMC子模块的额定电压主要取决于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate Bipolar transistor，IGBT)的额定电压，典型值为2 kV左右；MMC桥臂的额定电流主要取决于IGBT的额定电流，典型值为1 500 A左右[14]。在目前的技术趋势下，开关元件的容量在短期内难以实现突破性发展。因此，可以采用开关元件及换流器串联或并联的方法进一步提高换流器的容量。文献[15]分析了IGBT在并联时影响静态和动态均流的主要因素，提出了对称相同的驱动电路、相同的散热器和独立的栅极电阻等改善不平衡电流的措施。文献[16]通过设计栅极补偿电阻实现并联IGBT的静态均流。但是，在直流输电应用中，由于换流器包含的开关器件很多且电路连接复杂，寄生参数的影响更加难以消除，因此一般不采用IGBT直接并联的方法。除了IGBT直接并联，MMC还可以通过桥臂并联或换流器并联的方法提高通流能力。文献[17]提出了采用桥臂并联来提高MMC额定电流的方法，设计了均流控制器和桥臂环流控制器，并在两桥臂并联的模型中进行了验证。文献[18]研究了2个MMC并联的结构及其控制方法，提出了零序环流的消除方法。文献[19]研究了将MMC换流器串并联构成柔性直流输电系统一极来实现传输功率、电压扩容的方法。

本文在上述已有文献研究的基础上，对MMC在子模块、桥臂、换流器3个层面采用串联、并联实现扩容的方法进行归纳和对比。重点研究MMC与LCC的混合串联和并联的拓扑结构及其控制方法，通过在PSCAD/EMTDC下的仿真，验证MMC与LCC混合串并联的可行性。

1 MMC串联扩容方法

采用半桥型子模块的MMC的基本结构如图1所示，换流器的每个相单元包含上下2个桥臂，每个桥臂上有N个串联的子模块和1个电抗器，每个子模块含有上下2对开关管和1个电容器。MMC的运行原理在文献[5-6]中有详细阐述。

图1 MMC的基本结构原理图Fig.1 Basic structure of MMC

1.1 子模块串联

通过子模块串联提高额定直流电压，是MMC扩容的最直接方法。目前，国际上MMC-HVDC最高电压等级为±320 kV，功率为1 000 MW，如我国正在建设的厦门柔性直流工程。该工程的MMC为201电平，即每个桥臂有200个串联子模块(不计冗余)。

子模块的额定电压主要由开关管的运行电压决定，一般为2 kV左右。因此，桥臂子模块串联的数量越多，换流器的额定直流电压越高、额定功率越大。随着桥臂串联子模块数量的增加，换流器控制系统需要更大的数据采集带宽和更快的计算速度。

目前，增加桥臂子模块串联数量是提高直流输电工程额定电压和额定功率最常用的方法，而且随着电平数的增多，MMC交流侧谐波含量会随之降低。

1.2 换流器串联

换流器串联常用于LCC-HVDC系统中，一般通过三角形和星形接线的换流变压器将2个6脉波三相桥串联构成一个12脉波的相控换流器。MMC也可以采用2个换流器串联构成一个对称单极性或双极性的换流站，如图 2所示。

图2 串联MMC的基本结构Fig.2 Topology of MMC units in series

2个串联的换流器单元采用相同的控制策略，即站控系统可以选择定功率或定电压控系统制，阀控系统可以采用最近电平调制(NLM)或载波移相控制。2个串联单元的上层控制指令值需要保持一致。

在实际应用中，串联换流器的参数存在差别，可能造成其直流电压分配不相等。因此，需要对串联换流器在稳态运行下的直流电压均衡情况进行评估，并在必要时设计均压控制器以保证串联换流器能够长时间共同运行。

2 MMC并联扩容方法

2.1 子模块并联

MMC的最小运行单元是子模块，当子模块并联运行时，并联子模块的直流侧电容相当于直接并联，其动态过程完全相同。因此，子模块并联实际等效于开关元件并联，如图3所示。由于驱动信号的不一致和元件参数的差别，开关元件并联存在静态和动态均流问题。所以，在MMC中进行子模块的并联并不适用于高电压、大功率的直流输电工程。

图3 MMC子模块并联的原理Fig.3 Principle of parallel sub-module of MMC

2.2 换流器并联

换流站并联是指将2个或多个换流站的直流侧直接并联，根据交流侧并联方式的不同可以分为2种结构：(1)每个换流站均配有变压器，在变压器的一次侧并联，如图 4(a)所示；(2)所有换流站共用一个变压器，在变压器二次侧直接并联，如图 4(b)所示。

图4 MMC换流器单元并联结构Fig.4 Parallel converter units of MMC

在并联方式1下，由于变压器的隔离作用，并联换流站之间不会产生环流，因此每个换流站可以相对独立运行，每个换流站具有独立的站控和阀控系统。在实际应用中，并联换流器的参数存在差别，可能造成其直流电流分配不相等。

在并联方式2下，由于交直流侧均为直接的电气连接，并联换流站之间会产生环流，因此需要为并联换流站设计协调控制策略以保证稳定运行。

2.3 桥臂并联

将若干个桥臂在电抗器侧直接并联，构成如图 5所示的桥臂并联方案，即在每个相单元内具有多个分别并联的上下桥臂。

图5 MMC桥臂并联结构Fig.5 Parallel structure of MMC arms

如果将桥臂电抗器与换流器的连接电抗合并，图5所示的桥臂并联方案与图4(b)所示的换流器直接并联方案事实上是相同的。并联桥臂的电流可能由于参数的差别和控制信号时延等原因出现较大差别，从而在桥臂间形成环流，造成换流器运行损耗增加。在环流过大时，可能引起控制器饱和造成换流器停运。因此需要对并联运行时的桥臂环流进行评估并设计相应的抑制策略。

3 MMC串并联扩容方法

为了进一步扩大MMC的容量，使其与LCC典型的6 400 MW容量相比拟，从而可以在直流侧将LCC与MMC并联并减少直流端端口数来减少直流故障对系统的影响，一种可行的策略是MMC的模块化串并联结构，如图6所示。假设每个MMC的额定直流功率为1 250 MW。则图 6所示拓扑总容量可达7 500 MW。

图6所示串并联大容量MMC用于将6个处于不同地理位置的风电场经交流输电线路在大容量MMC的交流侧汇集后，再经由直流输电线路远距离外送。

图7给出了采用MMC-MTDC的风电并网系统。每个MMC的额定直流电压为±400 kV，额定直流功率可以不相同。每个MMC就地建设在风电场附近，各风电场的风电功率最后在直流侧汇集。

图8给出了采用串联MMC后的MTDC风电并网系统。风电并网系统直流侧额定电压为±800 kV。图8为介于图 6和图7方案之间的方案。每2个风电场经交流输电线路在串联组合MMC的交流母线汇集后再经直流输电线路汇集到直流母线上。

对比图6～8可知，图7方案额定直流电压低，不适合风电的大规模、远距离输送，并且图7方案在直流汇集时需要较多的直流输电线路，增大了直流故障发生的概率。而目前尚无技术成熟的直流断路器技术，图7中任何一条直流汇集线路上发生直流故障都会波及整个风电并网系统。同时图7中每个风电场相互独立，要求每个MMC都按风电场的最大出力配置其容量，没有能够充分利用各地理位置不同的风电场出力互补效应。

图6 采用模块化串并联MMC的风电并网系统Fig.6 Wind power integration system using parallel and series MMC

图7 采用MMC-MTDC的风电并网系统Fig.7 Wind power integration system using MMC-MTDC

图8 采用串联MMC后的MTDC的风电并网系统Fig.8 Wind power integration system using MMC-MTDC in series

图6方案则明显优于图7方案。因为其额定直流电压高，适合大规模、远距离输送。由于采用交流输电线路汇集不同风电场的出力，任意汇集线路发生短路故障时，可以由交流断路器开断，不会导致停运整个风电场直流外送系统。图 6同时还可充分利用不同风电场的出力互补效应，减小所使用的换流器总容量。

图8方案为介于图6和图7方案之间的方案。其技术可靠性和经济性均优于图7而劣于图 6方案。

4 MMC与LCC混合串联

采用可关断元件的电压源型换流器具有良好的控制性能，但是IGBT耐压能力远低于晶闸管。因此，为了提高直流输电系统的额定电压和额定功率，可以将MMC与LCC串联构成一种混合换流器，如图9所示[20-23]。图中LCC可以是单个6脉波换流器也可以是多个6脉波桥的串联结构。图9中MMC可以是单个换流器也可以是多个并联的MMC。

图9 MMC与LCC混合串联的结构原理Fig.9 Structure of MMC combined with LCC in series

采用MMC与LCC串联的换流器电压等级可以达到±1 000 kV，其中±800 kV的直流电压由LCC承担，±200 kV的直流电压由MMC承担。为了提高系统运行的可靠性，可以为每个换流器增加旁路开关，使系统可以在混合运行、LCC运行和MMC运行3种模式之间切换。LCC可以增加接地极，从而可以实现LCC的单极运行。

混合串联换流站的控制并不需要换流器之间的通讯协调。MMC可以根据需要采用交流电压控制或直流电压控制，LCC可以采用常用的定电流控制或定熄弧角控制。

5 仿真验证

为了验证本文研究的几种串并联扩容方法的可行性，在PSCDA/EMTDC下搭建了相应的仿真模型，建立各自的控制系统。通过仿真结果验证MMC并联、串联及MMC与LCC混合串联的技术可行性。仿真系统的电路参数和换流器参数如表1所示。

表1 仿真系统参数与单个MMC单元参数

Table 1 Parameters of simulation system and

each MMC unit

5.1 MMC串联运行验证

将2个MMC单元采用图 2所示的结构进行串联。每个MMC均采用表1中的电路参数。为了检验主电路参数不一致性对均压、均流的影响， MMC1的桥臂电感值比标称值低1%，即为0.081 H；同时子模块电容值也比标称值低1%，即为9 900 μF。记录串联换流器的交流侧三相电压、直流电压和直流电流，如图 10所示。

图10 串联MMC仿真结果Fig.10 Simulation results of MMC in series

可以看到系统的直流电流和交流电压能够在稳态下保持稳定。虽然主电路参数略有差别，但是串联换流器的输出直流电压Udc1,Udc2几乎完全一致，而不需要任何附加的均压控制，即串联换流器具有自然均压的特性。

5.2 MMC直接并联运行验证

将2个MMC单元并联，如图 3所示。MMC1采用表1中的电路参数，其中MMC2的桥臂电感值和子模块电容值比标称值低1%，分别为0.081 H和9 900 μF。记录并联换流器的交流侧三相电压、直流电压和直流电流，如图 11所示。可以看到并联MMC的直流电流能够保持很好的一致性，不需要附加的均流控制，即并联换流器具有自然均流的特性。

图11 并联MMC仿真结果Fig.11 Simulation results of parallel MMC

5.3 子模块并联MMC与LCC混合串联验证

将2个6脉波LCC换流桥分别串联构成LCC1和LCC2，再将MCC与LCC1、LCC2串联构成图 9所示混合结构。记录混合串联换流器的交流侧三相电压、直流电压和直流电流，如图 12所示。

仿真结果表明在直流电流变化的过程中，各个串联换流器的直流电压能够维持在额定值附近，同时保持较好的交流电压波形。

6 结 论

在高压直流输电领域采用换流器的串联与并联可以有效提高额定电压或额定电流以扩大输送容量。通过建立串并联结构的大容量换流器的电磁暂态仿真模型，一定程度上验证了方案的技术可行性。如果进一步论证各种方案的技术经济性，可以得到在不同应用条件下的最优方案。本文的研究结果为构建大容量换流器，实现大规模可再生能源的消纳与传输、能源互联网的构建提供了有效的参考。

图12 MMC与LCC混合串联仿真结果Fig.12 Simulation results of MMC combined with LCC in series

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(编辑：张小飞)

Capacity Enlarging Method of Series and Parallel MMC and Its Application in Energy Internet

XU Bin1, LI Chenghao2, XIANG Wang2, WEN Jinyu2, ZHOU Guoliang1, LIU Xiaorui1

(1. Central Southern China Electric Power Design Institute (CSEPDI) of China Power Engineering Consulting Group Corporation, Wuhan 430071, China;2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Energy internet technology can achieve the efficient utilization and long-distance transmission of large-scale renewable energy. The DC grid based on modular multilevel converter (MMC) technology is an important component and effective technical mean of energy internet and renewable energy transmission. However, limited to the existing development of power electronic technology, the rated voltage and rated current of single MMC are hard to increase, which will hamper the large-scale renewable energy transmission over countries or over states. To solve the above challenges, the topological structures of MMC’s sub-modules, arms and converters in series and parallel were studied, whose technology advantages and disadvantages applied in large-scale wind power integration transmission were analyzed. Moreover, in order to combine the advantages of line commutated converter (LCC) and MMC and meet the need of future energy internet, the series, parallel structures of LCC and MMC were also studied. At last, the voltage balancing problem for series structure and current balancing problem for parallel structure were simulated and analyzed. Through the comparison on the capacity enlarging methods of various series, parallel structure, it can be concluded that either the series of MMC or the series of MMC and LCC is applicable for high voltage and power application. The research results can provide reference for the construction method and engineering application of high-power converter station.

energy internet; modular multilevel converter; line commutated converter； series and parallel of converter; wind power integration

TM 46

A

1000-7229(2015)10-0020-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.003

2015-06-21

2015-08-12

许斌(1982)，男，本科，高级工程师，主要研究方向为直流换流站成套和工程设计研究；

李程昊(1988)，男，博士，主要研究方向为柔性直流输电及直流电网系统控制；

向往(1990)，男，博士研究生，研究方向为柔性直流输电技术，模块化多电平换流器，直流电网;

文劲宇(1970)，男，博士，长江学者特聘教授，主要研究方向包括电力系统运行与控制、电能存储与电力安全，多端直流输电与直流电网，新能源并网与规划。