模块化多电平换流器子模块拓扑仿真分析_张建坡(改进复合型)

当 ＭＭＣ 应用于 远 距 离 高 压 直 流 输 电 领 域 时， 直流线路故障是其不可回避的问题。由于采用半桥 型 子 模 块 拓 扑 ，在 直 流 侧 发 生 故 障 时 ，虽 然 可 以 闭 锁 所有绝缘栅双 极 型 晶 体 管 （ＩＧＢＴ）实 现 对 器 件 的 保 护，然而因为ＩＧＢＴ 所并联续流二极管，造成短路电 流不能被闭锁，从而 使 其 不 具 备 直 流 侧 故 障 自 清 除 能力。而高压大容量直流断路器制造工艺目前尚不 成熟，在高压大容 量 场 合 鲜 有 应 用，因 此，直 流 侧 故 障只能够依靠换流站跳开交流断路器来切断故障电 流 ，但 该 方 法 却 带 来 了 系 统 响 应 速 度 较 慢 、重 新 启 动 配合动作时序复杂、恢复时间较长的问 题 。 ［５－６］ 为 了
ＭＭＣ 中子模块一般采用如图２（ａ）所示的半桥 型结构（ＨＢＳＭ），其 中 开 关 Ｋ 为 旁 路 开 关，当 模 块 发 生 故 障 时 闭 合 ，从 而 旁 路 掉 故 障 模 块 ，并 投 入 冗 余 模块，保证系 统 继 续 运 行。 晶 闸 管 Ｔ３ 的 主 要 作 用 是在直流侧故障导致ＩＧＢＴ 闭锁后，保护二极管 Ｄ２ 免遭大电流损坏。Ｕｓｍ 为 子 模 块 输 出 电 压，Ｕｃ 为 子 模块电容电压。
前学术界和工业界研究热 点［８－１４］。Ａｌｓｔｏｎ 公 司 结 合 ＩＧＢＴ 串联和全 桥 型 子 模 块 级 联 两 种 结 构 优 点，设 计了变桥臂多电平拓扑，与半桥型 ＭＭＣ 相比，在交 流电压等级相 同 情 况 下，该 拓 扑 结 构 所 需ＩＧＢＴ 数 量较多。文献［１２－１３］为 降 低 变 桥 臂 多 电 平 拓 扑 中
将使二级管 Ｄ１ 处 于 反 向 偏 置 状 态，从 而 迫 使 桥 臂 电流迅速 衰 减，系 统 自 动 起 到 故 障 电 流 抑 制 作 用。 而 当 桥 臂 电 流 小 于 零 时 ，子 模 块 处 于 切 除 状 态 ，桥 臂 等效为仅含电阻和 桥 臂 电 抗 电 路，不 具 备 故 障 电 流 抑 制 功 能 ，交 流 系 统 近 似 发 生 三 相 短 路 故 障 ，因 此 电 流比较大，需 要 触 发 保 护 晶 闸 管 Ｔ３ 实 现 对 二 极 管 Ｄ２的保护。根据上述分析，对于 ＨＢＳＭ 拓扑，故障 电流抑制问题出现 在 桥 臂 电 流 小 于 零 阶 段，如 果 能 够保证模块电容级 联 充 电，则 能 够 解 决 故 障 电 流 抑 制问题。
第 ３９ 卷 第 ２ 期 ２０１５ 年 １ 月 ２５ 日 ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１３０８２１００５
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．２Ｊａｎ．２５，２０１５
模块化多电平换流器子模块拓扑仿真分析
张 建 坡１，赵 成 勇１，郭 丽２
（１．新能源电力系统国家重点实验室，华北电力大学，河北省保定市 ０７１００１； ２．国网山西省电力公司，山西省太原市 ０３０００１）
态，因而只有 ＳＭ１ 中 的 Ｃ１ 处 于 充 电 状 态，此 时 模
块输 出 电 压 为 －Ｕｃ。 当 ｉ 大 于 零 时，电 流 通 路 是 Ａ→Ｄ１→Ｃ１→Ｄ３→Ｃ２→Ｄ５→Ｂ，类似于半桥型拓
扑，模 块 中 电 容 Ｃ１ 和 Ｃ２ 串 联 且 处 于 充 电 状 态，模
块输出电压 为 ２Ｕｃ。 从 而 在 电 流 双 向 流 动 下，改 进 拓扑既提供了二极 管 反 向 偏 置 电 压，同 时 也 消 除 了
能力越强。
根据图６，当直流侧发生 单 极 接 地 故 障 时，充 电
回路中有 Ｎ 个模块电容投入充电，而桥臂端电压为
交 流 相 电 压 ，根 据 式 （１）则 有 ：
ＮＵｃ １ λ＝ Ｕｐｈ ＝ｍ ＞１
（２）
图５ ＩＨＳＭ 拓扑 Ｆｉｇ．５ ＩＨＳＭ ｔｏｐｏｌｏｇｙ
类似于 ＤＣＳＭ，Ｔ３ 作 为 引 导 开 关，工 作 于 常 通
收 稿 日 期 ：２０１３－０８－２１；修 回 日 期 ：２０１４－０６－１３。 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （８６３ 计 划 ）资 助 项 目 （２０１３ＡＡ０５０１０５）。
减少系统直流侧故 障 概 率，当 前 直 流 输 电 工 程 不 得 不采用故障率低而价格昂贵的直流电缆作为传输介 质，从而限制了 成 本 较 低 的 架 空 线 路 应 用。 针 对 上 述问题，本文 在 总 结 目 前 学 术 界 和 工 业 界 对 ＭＭＣ 拓扑结构研究及改 进 方 案 基 础 上，对 传 统 半 桥 型 拓 扑进行了相应改进，从 而 在 保 持 子 模 块 间 串 联 形 式 下，设计了具有直流 故 障 电 流 闭 锁 能 力 的 复 合 拓 扑 结 构 ，以 提 高 系 统 直 流 侧 故 障 穿 越 能 力 。
图１ ＭＭＣ 简化电路 Ｆｉｇ．１ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ＭＭＣ
图２ ＨＢＳＭ 拓扑及其闭锁模式 Ｆｉｇ．２ ＨＢＳＭ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｂｌｏｃｋｅｄ ｍｏｄｅｌ
２ 子 模 块 拓 扑 研 究
２．１ 双 钳 位 子 模 块 拓 扑 探求具有直流故障穿越能力的子模块拓扑是目
状态，等效为短 路，而 Ｄ６ 由 于 电 容 Ｃ１ 两 端 电 压 作
用 而 处 于 反 向 偏 置 状 态 ，等 效 为 开 路 ，所 以 两 个 子 模
块间不具有耦合性，呈 现 出 各 自 独 立 的 工 作 状 态 且
为串联连接。
在故障闭锁后，当ｉ 小于零时，此时电流通路是
Ｂ→Ｄ４→Ｄ６→Ｃ１→Ｄ２→Ａ，由 于 ＳＭ２ 处 于 旁 路 状
在不改变传统 ＭＭＣ 中子模块间串联连接方式的前 提 下 ，对 半 桥 型 拓 扑 进 行 了 改 进 ，设 计 了 如 图 ５ 所 示 的改进 复 合 子 模 块 （ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｈｙｂｒｉｄ ｓｕｂ ｍｏｄｕｌｅ， ＩＨＳＭ）拓 扑 。
故障电流衰减到零 所 需 时 间 越 短，则 系 统 故 障 抑 制
图３ ＤＣＳＭ 拓扑 Ｆｉｇ．３ ＤＣＳＭ ｔｏｐｏｌｏｇｙ
ＤＣＳＭ 正常 运 行 时，Ｔ５ 处 于 恒 通 状 态，Ｄ６ 和 Ｄ７ 由 于 电 容 反 向 电 压 作 用 而 处 于 截 止 状 态，此 时 ＤＣＳＭ 等效 为 两 个 半 桥 子 模 块 串 联。 在 直 流 侧 线 路发生故障时，保护 系 统 闭 锁 所 有ＩＧＢＴ，流 经 模 块 的 桥 臂 电 流 如 图 ４ 所 示 ，此 时 无 论 电 流 是 正 还 是 负 ， 都能够保 证 桥 臂 各 个 子 模 块 电 容 处 于 级 联 充 电 状 态，从而解决了 ＨＢＳＭ 拓扑中电流为负时桥臂短路 问 题 ，因 而 达 到 了 故 障 电 流 抑 制 效 果 。 但 是 ，当 流 经 模块电流方向不同 时，ＤＣＳＭ 中 的 两 个 电 容 呈 现 出 不 同 连 接 方 式 。 在 图 ４ 中 ，电 流 大 于 零 时 ，子 模 块 等 效 为 两 个 电 容 的 串 联 电 路 ；而 在 电 流 小 于 零 时 ，子 模 块等效为两个电容的并联电路。虽然从能量守恒角 度而言，两个电容并 联 连 接 可 以 减 少 闭 锁 后 单 个 模 块电容电压的上升 幅 度，但 是 从 故 障 电 流 抑 制 角 度 而言（级联模块电 容 提 供 二 极 管 反 向 偏 置 电 压 ），两 个电容并联意义不大。
１ ＭＭＣ 电路模型
德国慕尼黑联邦国防军大学 学 者 Ｍａｒｑｕａｒｄｔ Ｒ 及其合作者最早 在 ２００２ 年 提 出 基 于 级 联 结 构 模 块 化组合多电平换流 器 拓 扑，并 分 析 了 其 基 本 工 作 原 理 。 ［７］ 典型 ＭＭＣ 桥型 拓 扑 如 图 １ 所 示，其 中 上 下 桥臂各串联 Ｎ 个结构相同子模块（ＳＭ）并通过限流 电抗 器 ＬＸ 与 交 流 系 统 相 连。 由 于 直 流 侧 具 有 公 共 直 流 母 线 ，该 拓 扑 可 以 直 接 应 用 于 直 流 输 电 领 域 。
关 键 词 ：模 块 化 多 电 平 换 流 器 ；高 压 直 流 输 电 ；复 合 拓 扑 ；电 流 抑 制 系 数 ；自 励 启 动
０ 引 言
由于 在 拓 扑 上 采 用 了 模 块 化 设 计 理 念，模 块 化 多电平换流器（ＭＭＣ）可 以 通 过 调 整 子 模 块 串 联 个 数实现功率和电压 等 级 的 改 变，能 够 扩 展 到 任 意 电 平输出，从而减小了 电 磁 干 扰 和 输 出 电 压 的 谐 波 含 量。因为输出电压非常平滑且接近理想正弦波形， 因 此 ，在 网 侧 不 需 要 配 置 大 容 量 交 流 滤 波 器 。 同 时 ， 由于 ＭＭＣ 拓扑将能量分散存储在桥臂各个子模块 电容中，避免了两电 平 拓 扑 结 构 三 相 桥 臂 间 耦 合 关 系 ，从 而 提 高 了 故 障 穿 越 能 力 。 基 于 以 上 优 势 ，使 得 ＭＭＣ 在有源滤 波 器、电 机 拖 动、无 功 补 偿、电 力 牵 引及高压直流输电等领域具有广阔的应用前景 。 ［１－５］
摘要：新型模块化多电平换 流 器 （ＭＭＣ）在 直 流 输 电 和 电 能 变 换 领 域 得 到 了 广 泛 的 研 究 与 应 用。 但是，由于子模块采用了 半 桥 型 拓 扑，在 直 流 侧 线 路 故 障 时，ＭＭＣ 不 具 有 直 流 故 障 自 清 除 能 力。 文中在不改变现有 ＭＭＣ 调制和均压策略的前提下，利 用 续 流 二 极 管 反 向 阻 断 特 性 和 桥 臂 模 块 电 容 充 电 效 应 ，设 计 了 改 进 复 合 拓 扑 结 构 ，解 决 了 半 桥 拓 扑 中 电 容 单 向 充 电 问 题 。 通 过 分 析 闭 锁 时 储 能电容不同充电路径下交流电压与桥臂等效直流电 压关系，定 义 了 反 映 子 模 块 故 障 抑 制 能 力 的 电 流抑制系数。根据系统启动过程中不控整流阶段电 容电 压 的 不 同，设 计 了 自 励 启 动 方 法。 仿 真 结 果验证了启动方法和复合拓扑对直流侧故障电流抑制的有效性。
为了 降 低 全 桥 拓 扑 所 需 要 的 器 件 数 量，并 保 持 子模块级联 特 性，Ｍａｒｑｕａｒｄｔ Ｒ 提 出 了 如 图 ３ 所 示 拓扑 。 ［１５－１６］ 该 拓 扑 通 过 增 加 电 容 器 （Ｃ２）、ＩＧＢＴ （Ｔ５）和钳 位 二 极 管 （Ｄ６ 和 Ｄ７）构 造 了 双 钳 位 子 模 块 （ＤＣＳＭ），实 现 了 直 流 侧 故 障 电 流 阻 断 能 力 。
图４ ＤＣＳＭ 闭锁状态下桥臂电流路径 Ｆｉｇ．４ Ａｒｍ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐａｔｈ ｏｆ ＤＣＳＭ ｕｎｄｅｒ ｂｌｏｃｋｅｄ ｓｔａｔｅ
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２０１５，３９（２）
·研制与开发·
２．２ 改 进 复 合 子 模 块 拓 扑 为解决 ＤＣＳＭ 中电容并联耦合效应 问 题，本 文
全 桥 型 子 模 块 数 量 ，提 出 一 种 全 桥 变 桥 臂 拓 扑 ，在 变 桥臂多电 平 拓 扑 基 础 上，将 ＩＧＢＴ 串 联 改 为 ＩＧＢＴ 级联全桥型结构，虽 然 达 到 了 降 低 级 联 模 块 数 量 目 的 ，但 也 导 致 直 流 母 线 电 压 下 降 ，且 该 拓 扑 表 现 出 三 相六线制结构特性。上述拓扑都是基于全桥型子模 块结构双 向 电 流 阻 断 原 理 实 现 直 流 侧 故 障 电 流 抑 制，与传统 ＭＭＣ 相 比，由 于 改 动 较 大，造 成 了 电 容 电压均衡控制复杂问题。
当 直 流 侧 发 生 故 障 后 ，根 据 电 流 方 向 ，子 模 块 闭 锁模式可以分为如图２（ｂ）所示的两种：桥臂电流 大 于 零，子 模 块 中 电 容 处 于 充 电 状 态，桥 臂 等 效 为Ｎ 个电容串联，由于桥 臂 模 块 电 容 所 提 供 的 电 压
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张 建 坡 ，等 模 块 化 多 电 平 换 流 器 子 模 块 拓 扑 仿 真 分 析