模块化多电平换流器应用于直流输电的科研挑战及解决方法

基于模块化多电平换流器的高压直流输电需应对直流线路可能短路故障和子模块数量过多带来的电容电压均衡问题。为保证模块之间独立工作为约束条件，新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、国网唐山供电公司的研究人员张建坡、崔涤穹、田新成、赵成勇，在2020年第18期《电工技术学报》上撰文，分析了全桥拓扑故障抑制机理，并基于故障钳位电路和开关电容多电平思想，设计一种具有直流故障电流阻断和内部电容电压均衡能力的自阻自均压型子模块拓扑，不仅能满足直流故障电流阻断要求，还将参与排序均衡的电容数量减少一倍。同时研究了自阻、自均压拓扑两种不同闭锁模式下直流故障抑制特性、电平输出优先的自均压控制策略以及非闭锁直流故障抑制策略。

模块化多电平换流器（Modular Multilevel Con- verter, MMC）采用子模块级联结构，具有开关器件应力小，电压、电流波形质量高，输出电压调节灵活等特点，因此在高压直流输电和电能变换领域得到广泛应用。

当MMC应用于高压直流输电时，有如下两个问题必须考虑。

1、如何处理直流侧线路短路故障

直流系统一旦发生故障，较低的阻尼导致电流上升率较高，且不同于交流故障，没有电流过零点，从而电流清除难度要大于交流系统。

当前主要有以下几种方法切断故障电流：

• 1）依靠换流站交流断路器，但交流断路器故障切除时间通常在45～150ms之间，不利于故障快速切除和系统恢复；

• 2）其次安装直流断路器对直流侧故障进行隔离，目前国内外仅有为数不多的几个公司完成了直流断路器样机研制，这些样机还没有广泛的工程成功应用案例，成本高且技术仍然不成熟。

• 3）换流器采用具有故障抑制能力改进型子模块代替半桥子模块实现短路故障清除。

  例如，具有并联抑制功能的钳位二极管子模块及其改进拓扑；

  实现串联抑制功能的串联双子模块和跨接三电平和五电平拓扑，为减少功率器件数量的闭锁后储能电容非对称充电的混合拓扑，利用双向阻断能力绝缘栅双极型晶体管构成的阻断型拓扑。

上述改进型拓扑无一例外都是通过采用单一闭锁模式实现直流故障抑制。全桥拓扑具有直流故障电流非闭锁抑制功能，但是相对于半桥子模块拓扑所需功率器件较多。而全桥子模块+半桥子模块构成的混合拓扑虽然可以实现直流故障非闭锁抑制，但故障抑制期间，半桥子模块处于旁路状态。

总之，无论是改进型拓扑直流故障闭锁抑制，还是全桥+半桥拓扑直流故障非闭锁抑制，都存在全部或部分子模块处于闭锁或旁路状态，而由于子模块取能电路影响，可能会导致电容电压发散。

2、电容电压均衡问题

MMC中子模块电容相互独立，电容电压均衡依赖于均压控制，而均压控制复杂程度又直接取决于MMC子模块数目。随着子模块数目增加，均压控制对计算量和数据采集速度要求日趋严苛，由此带来一系列子模块电容均压问题。

• 有学者研究了电容电压排序均衡控制策略，该策略具有原理清晰、实现简单的特点。

  但排序均衡需要对所有模块电容电压进行实时排序和选择，占用运算资源较多，可能会在控制环节引入较大延迟，降低MMC电流动态跟踪特性。

• 有学者针对载波移相调制策略，为每个子模块附加独立电容电压控制环节，实现了无需排序的电压均衡控制，但控制环节增加了均压控制复杂度。

• 有学者提出一种减少传感器的电容电压分组均衡控制策略以提高均压效率，但不能应对组内部电容参数差异引起的误差。

• 为实现模块间电容能量交换，解决电容电压均衡问题，有学者在相邻子模块电容上串接钳位二极管，提供能量通道，设计了一种MMC新拓扑，但是需要借助辅助变压器才能实现相内电压平衡。

• 有学者提出一种具备自均压能力MMC拓扑，在保留MMC模块化特性的同时，采用二极管钳位方法，将各个子模块电容电压钳位在最底端子模块和最顶端子模块电容电压之间，使得MMC在子模块投切过程中自发实现电容电压均衡。

  这种方法控制简单，但是保持最底端和最顶端子模块电容电压平衡电路可能需要承受较高的绝缘电压。

针对上述问题，新能源电力系统国家重点实验室等单位的研究人员，提出了一种具有直流故障阻断和内部电容自均压能力的自阻自均压子模块拓扑。

首先利用钳位电路和开关电容网络设计一种多电平子模块拓扑，研究其电平输出特性，实现闭锁和非闭锁直流故障抑制。然后为减少电容电压排序均衡所耗费控制系统计算资源，提高系统动态响应速度，在多电平子模块拓扑基础上根据并联电路电压相等原理，设计子模块内部均压电路，形成自阻自均压复合型子模块拓扑，并研究其均压控制策略。最后通过PSCAD/EMTDC仿真模型验证所提拓扑的直流故障抑制特性及均压控制策略的有效性。

图1  非STATCOM模式直流故障非闭锁抑制效果

图2  STATCOM模式直流故障非闭锁抑制效果

研究人员指出，在不改变现有控制策略的基础上，该新型拓扑利用钳位电路和开关电容网络实现了多电平输出和直流故障抑制。通过内部并联自均压电路实现了均压功能，将参与排序均衡控制的子模块数量降低为一半，缓解了子模块数量过多计算量和数据采集压力较大的问题。同时该拓扑还可以根据直流故障导致的过电流程度，选择不同抑制模式，以获得不同抑制效果。

以上研究成果发表在2020年第18期《电工技术学报》，论文标题为“自阻自均压模块化多电平换流器子模块拓扑及控制”，作者为张建坡、崔涤穹、田新成、赵成勇。