mmc原理
MMC原理。
MMC（Modular Multilevel Converter）是一种新型的多电平变流器拓扑结构，
它在高压直流输电、电机驱动和静止功率补偿等领域具有广泛应用。
MMC的原理
是通过多个单元级联构成多电平输出，实现对电压和电流的精确控制，从而提高系统的性能和效率。
首先，MMC由多个单元组成，每个单元内部采用了多个电平的电压源，通过
适当的PWM调制方式将这些电压源叠加在一起，形成了多电平输出。
这种结构能
够有效地减小谐波含量，降低输出电压的脉动度，提高系统的输出电压质量。
其次，MMC的原理是利用多级结构实现对电压和电流的精确控制。
通过控制
每个单元的输出电压，可以实现对系统输出电压的调节，从而满足不同工况下的需求。
同时，MMC还可以通过控制每个单元的电流，实现对系统输出电流的精确控制，提高系统的动态响应能力。
此外，MMC的原理还包括了对故障的容错能力。
由于MMC采用了模块化的
结构，当某个单元发生故障时，系统可以通过重新配置其他正常单元的工作状态，实现对故障的快速响应和容错处理，提高系统的可靠性和稳定性。
最后，MMC的原理还包括了对系统的集成和优化。
MMC可以通过灵活的控
制策略和优化算法，实现对系统性能的最大化提升，同时还可以实现对系统成本和体积的最小化设计，满足不同应用场景下的需求。
综上所述，MMC作为一种新型的多电平变流器拓扑结构，其原理包括了多级
结构、精确控制、容错能力和集成优化等方面。
通过对这些原理的深入理解和应用，可以实现对MMC系统的高效运行和优化设计，为电力电子领域的发展和应用带来新的机遇和挑战。
具有直流故障阻断能力的MMC-HVDC系统拓扑研究具有直流故障阻断能力的MMC-HVDC系统拓扑研究摘要：高压直流输电（HVDC）作为一种重要的电力传输技术，已经广泛应用于大规模电力输送。
然而，在HVDC系统中，直流故障带来的挑战一直是一个重要问题。
为了解决这个问题，多级换流器Modular Multilevel Converter（MMC）的HVDC系统被设计和研究，以具备直流故障阻断能力。
本文对具有直流故障阻断能力的MMC-HVDC系统的拓扑结构进行了研究，并分析了其工作原理和特点。
研究结果表明，具有直流故障阻断能力的MMC-HVDC系统在处理直流故障时表现出较高的稳定性和可靠性，有望在HVDC系统中得到广泛应用。
关键词：高压直流输电；Modular Multilevel Converter；直流故障阻断能力；拓扑结构引言高压直流输电（HVDC）作为一种重要的电力传输技术，已经广泛应用于远距离、大容量、跨境等特殊条件下的电力输送[1]。
然而，在HVDC系统中，直流故障问题成为限制其应用的一个重要问题。
直流故障的发生会对电力系统的稳定性和可靠性产生严重影响，而传统的HVDC系统往往无法有效应对这些直流故障。
因此，如何使HVDC系统具备直流故障阻断能力成为了一个研究的热点和难点。
为了解决HVDC系统中直流故障问题，研究人员提出了多种方案，其中一种重要的方案是采用多级换流器Modular Multilevel Converter（MMC）技术[2]。
MMC是一种基于半导体器件的多电平换流器，具备较高的可控性和可靠性。
相比传统的两级换流器，MMC系统能够实现较高的电压平衡、较低的谐波波动和较小的电流冲击。
此外，MMC系统还具备直流故障阻断能力，能够在直流故障发生时保证系统的稳定运行。
MMC-HVDC系统是一种具有直流故障阻断能力的HVDC系统，其拓扑结构主要包括两级MMC子模块和直流侧接口电感[3]。
基于MMC-MTDC的输电系统直流侧故障保护策略张明光;侯博【摘要】针对柔性直流输电直流侧故障这一常见且棘手的问题,分析了多电平模块化换流站(modular multilevel converter,MMC)的运行特点和工作原理,提出采用电压裕度控制能较好地适应于MMC多端直流输电系统,并且对控制器进行了设计.在电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC的环境下对MMC多端直流输电系统在直流侧故障时的各种情况进行仿真和研究,分析了MMC多端直流输电系统在直流侧断线故障、单极接地故障以及双极间短路故障时的工作特性,提出了相应的保护动作时序.实验结果说明所提出的控制策略能够实现系统故障后的稳定,提高了系统处理故障的能力.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2018(044)005【总页数】6页(P79-84)【关键词】MMC-MTDC输电系统;电压裕度;直流故障保护策略【作者】张明光;侯博【作者单位】兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TM72当前,柔性直流输电系统引领着电力电子和电力系统输电领域.与传统直流输电技术比较,其拥有无可比拟的优点[1-2]：1) 正常运行时,柔性直流系统的灵活度更高,更易控制；2) 柔性直流更易实现潮流翻转;3) 其电网恢复能力较强；4) 柔性直流系统对通信需求低.而柔性直流系统中的模块化多电平换流器(MMC)利用其可以投入切除子模块的个数来达到输出各种功率和电压的目的,因而有节约成本的优势[3-5].在柔性直流输电中,直流侧故障一直是比较常见且棘手的问题[6],且MMC-MTDC与基于电压源换流站(voltage source converter,VSC)多端系统VSC-MTDC在直流侧故障时的故障特性和保护策略有所不同[7-8].MMC多端柔性直流输电系统的控制方式更为灵活且一般采用并联接线[9-12].柔性直流输电系统的稳定是直流电压的稳定,所以其控制策略多采用针对直流电压的控制方式使系统正常运转.一般情况下,为了增加系统的可靠性和调节直流电压的能力,多采用多点直流电压方式[13-16].多点电压控制包括主从控制和电压偏差控制,主从控制比较依赖通信控制,而电压偏差控制对通信的依赖度较低,能很好地适应于多端柔性直流输电系统.本文基于MMC多端直流输电系统,在电压偏差控制的基础上进行改进并设计了基于电压裕度的直流电压控制器,对直流侧故障(断线故障、单极短路接地以及极间短路)的保护策略进行研究并对多端输电系统的控制方式提供参考.1 多端MMC直流输电系统运行原理及接线方式1.1 模块化多电平换流器的基本原理如图1所示,MMC换流器是由六个桥臂组成,每个桥臂由n个结构完全相同且互联的子模块(SM)与一个电抗器L组成,上下两个桥臂构成一相.子模块包括由两个绝缘栅双极型晶体管和一个直流储能电容C构成的半桥(D1、 D2为图1b反并联二极管).Usm是图中所示子模块的输出电压,Uc为直流储能电容的电压.每单个子模块都有两个端子作为主电路的拓扑连接端子.图1 模块化多电平换流器的拓扑结构Fig.1 Topolygic diagram of modular multilevel converterMMC能够通过增加和减少子模块投入切除的数目来达到满足各种电压等级和功率需求的目的,具有很高的灵活性.另外,MMC还具有正负极直流母线,十分适合柔性直流输电场合.从图1可以看到,子模块中的箝位电容均匀地装设在各个桥臂中,而电抗器是直接串接在桥臂中的,这么做的好处是抑制三相上下桥臂电压之和不均衡而出现的相间换流,还能在直流侧母线发生故障时,起到降低桥臂短路电流的作用,因而使得系统的可靠性大大提高.由图1,可以将m(m=a,b,c)相电流表示为im=ipm+inm(1)式中:ipm为上桥臂的电流；inm为下桥臂的电流.根据图1,任意拿一相来研究上下桥臂电压,用a相来说明,得到：Udc=Upa+Una(2)图1中,O为直流电压零点位参考点.子模块在正常运行时,正负极相对于点位参考点的电压为Udc/2和-Udc/2.MMC换流站可通过增减子模块的投入数量来控制三相交流侧输出电压.1.2 MMC多端柔性直流输电系统结构一般情况下,工程中对多端柔性直流输电采用并联的方式连接,如图2所示.本系统是由3个结构相同的MMC电压源换流器组成,它的直流侧由直流网络并联连接起来.这3个换流器各自与相对独立的交流网络连接,它们都具有双向传输功率的特性. 图2 三端MMC柔性直流输电系统结构 Fig.2 Structure of three-terminal flexible DC power transmission system based on MMC在多端MMC直流输电系统中,功率可以通过几个换流站来协调分配,这就显得控制灵活且可靠性较高,但这同时也带来了一个问题,就是它的潮流分布相对多变且控制的愈加复杂.为此,多端MMC系统中需要加入各个换流站之间的协调控制来应对可能出现的潮流变动以及故障等问题.2 MMC多端直流输电系统的控制策略研究直流电压的恒定是并联型MMC-MTDC系统控制的核心,只有实现了直流电压的稳定才能维系直流系统中功率的平衡.相对于两端直流系统点对点的输电形式,送端和受端功率平衡,而多端直流输电系统最大的优势就是可以实现多点送电和多点受电,这就使得多端系统的控制方式灵活且可靠性较两端高,也具有更高的经济性,但其控制方式也变得复杂很多.在以往的多端直流输电系统中大都选择主从控制作为系统级控制,主要是因为其控制器的结构简单和在控制直流电压方面的良好表现.但是主从控制需要高层控制通过通讯环节提供潮流计算所得出的整定值,其对通讯环节的要求较高,如果在远距离输电过程中,系统的通讯环节不但增加了系统的大量成本,也会使得系统的可靠性下降.为了减少输电系统对高层控制及通讯环节的依赖,本文基于MMC多端直流输电系统的控制特性,对以往所采用的主从控制进行改进,采取了基于电压裕度的多点电压控制方式,并设计了相应的控制器.2.1 电压裕度多点直流电压控制原理电压裕度控制是将主换流站与从站之间的电压值拉开一个裕度,在这种控制下,如果发生换流站因为某种故障或扰动而引起的参数不正常,那么其也可以进行运行方式的转换.本文以MMC三端柔性直流输电系统为例介绍基于电压裕度的多点直流电压控制.如图3所示,各个换流站在虚线框内部稳定运行.这里假定MMC1相连于交流系统,它的调节功率能力较强,且其为主换流站.MMC2采用电压裕度控制,它有一定的调节功率能力,其为从站.MMC2的电压参考值与主站相差正负两个电压裕度,而电压裕度参考值上下限也分别为UdcrefH和UdcrefL.MMC3为定有功功率控制,如果其与无源系统相接,那么会转而采用定交流电压控制,它的控制特性与定有功控制近似,但是MMC3的功率参考值会随着负荷的大小变动而横向左右移动.图3 电压裕度控制特性Fig.3 Control characteristics of voltage margin control从图3可得,系统于A点稳定运行.当MMC3需要增加有功功率时(如虚线所示),MMC1就通过增加输入有功的方式使得系统的功率平衡,当MMC1达到有功功率极限时,系统的运行点会在B点,此时MMC1将没有能力调节电压.要是系统在B 点时的功率依旧没法满足系统的功率平衡需求,那么直流输电系统将不会稳定,直流电压会下降,此时就需要MMC2来代替MMC1调节直流电压并承担调节功率的任务,相应的,MMC2也就由原来的定有功功率控制变为了定直流电压控制,MMC1从原来的定直流电压控制转变为了定有功功率控制,系统也就会从B点平移至C点.若MMC1出现了换流站故障等原因退出运行时,那么MMC2也同样会由定直流电压控制变为定有功功率控制,此时系统的运行点会由A点移动到D点.类似的,如果MMC3的功率需求突然急剧减少,或者出现功率反送,那么就很有可能使得MMC2的系统运行点达到上限.由此可以看出电压裕度多点直流电压控制可以应用于多种工作状况,更为灵活.2.2 基于电压裕度的多点直流电压控制器本文的MMC三端柔性直流输电系统的换流站级控制器具有良好的响应电流的特性,以及可观的限制电流能力.外环控制器通过给出的直流电压值和功率值得到内环电流指定值.内环电流控制器用调节电压的方式让d轴电流Id和q轴电流Iq迅速跟踪它们的参考值Iderf和Iqref.这时将内外环的控制器进行一定方式的组合来实现其控制特性,其控制器结构如图4所示.该控制器忽略了直流输电线路的电阻,所以根据实际工程经验可得,主换流站和从换流站之间的电压裕度为主换流站直流电压参考值的5%.图4 电压裕度控制器结构Fig.4 Controller structure of voltage margin control 3 MMC三端直流系统直流侧故障与保护对于MMC多端柔性直流输电系统,直流侧故障对系统造成的危害较大,较为棘手,因此在设计MMC多端直流输电系统时会考虑到出现故障时,其能在控制系统的保护下,拥有良好的自我恢复到稳定运行的能力.MMC多端直流系统一般采用双极输电的传输方式,因而它的直流侧故障类型可以分为以下三种情况：单极接地短路故障、正负极间短路故障和断线故障.断线故障和正负极间短路故障大都属于永久性故障,这两种故障一般是由于人为应力作用或者来自外界的物理性损坏造成的.在永久性故障影响下,系统应尽可能地保持稳定且维持功率传输,系统也应在第一时间闭锁换流器且断开交流侧断路器,这样才能尽可能地减小换流设备的损失.而单极接地故障则表现为暂时性故障,其一般是由雷击闪络或树杈的影响造成的,当出现这种情况时,输电系统对于扫除故障后的自恢复能力显得尤为重要.本文将以三端MMC输电系统为例,分析故障出现后的控制保护策略,并分析得出的仿真结果.3.1 单极接地短路故障单极接地故障一般发生的概率最大且其为暂时性故障,当这种故障出现时,钳位电容与接地点构成通道很有可能会发生放电,因此直流侧会采取两个大电阻接地的形式来抑制故障浪涌电流,这样做的好处不但可以钳位正负两极直流侧电压,也使直流侧母线具有了电压零电位的参考点.图5 正极接地故障Fig.5 Earthing fault of anode若直流侧母线正极发生接地故障,由于其直流侧的并联电阻阻值非常大,所以可以看成是开路,那么直流侧电流基本保持不变,而子模块电容电压则由于大电阻的作用也会维持稳定.正极电压因为接地而变为零,而负极电压则因为大电阻其幅值变为原来的2倍,与正极之间的电压依旧保持不变,所以多端系统保持正常输送功率的能力.3.2 正负极间短路故障在MMC多端柔性直流输电系统中,直流侧正负极间的短路故障是最为严重、破坏性最大的故障类型,此类故障发生时,各个换流站都由其子模块中的二极管D2向短路点输入短路电流,如图6所示.与此同时,正处在投入状态中的子模块电容也通过T1向短路点进行放电,因此子模块电容电压便会很快降为零,那么换流站的直流侧电压幅值也会速降到零,这样会导致换流器之间功率传输的停止.而对于交流系统则近似等效成发生了三相短路故障.图6 双极短路时的电流通路Fig.6 Current path of double-pole short-circuit 对于正负极间短路这样严重的故障,无论直流侧是直流电缆还是架空线,一旦发现这种类型的故障,则需在第一时间闭锁相应换流站以中止短路点的功率传输.3.3 断线故障断线故障分为单极断线和双极断线.无论发生两者之间的哪一种故障,直流侧均不会构成通路,会造成功率传输的中断,所以它们的故障特性基本相同.直流侧的断线故障为永久性故障,其直流电缆断线故障一般是由于人为挖断或是船锚拖拉所致.本文以正极断线为例说明断线故障的故障特性.4 基于MMC的三端直流输电系统仿真研究及分析本文在PSCAD/EMTDC的环境中建立MMC- MTDC三端系统的仿真模型,如图2所示.此三端直流输电系统的3个换流站采用并联接线方式, 3站均为21电平且都使用了最近电平逼近调制策略以及针对子模块均压策略的排序法,系统采用的额定直流电压为±350 kV,额定交流电压500 kV,额定容量为：MMC1为1 000 MW,MMC2和MMC3都为500 MW.MMC1是主站,MMC2为从站,而MMC3与无源网络相连,采用定交流电压控制方式.4.1 正极接地故障的仿真本文假设MMC1与MMC2之间的直流侧母线正极在2.0 s时发生了单极接地故障且故障持续了0.5 s,仿真结果如图7所示.图7 直流侧单极接地故障波形Fig.7 Fault waveforms of single-pole grounding on DC side由于两个大电阻的钳位作用,且处在故障期间的自模块电容电压仅做微小变动,随着对直流电压的控制,MMC1的直流侧母线正负极各自对地电压快速恢复正常.MMC1的交流侧电压在故障开始时发生偏移,MMC2和MMC3交流侧电压此时也出现偏移,波形和MMC1的基本相同,在这里不再赘述.由图7b和图7d可以看出,在故障出现的前期三个换流站的直流侧电压和有功功率出现了波动,但较短的时间内波形迅速平稳.4.2 极间短路故障的仿真直流侧母线正负极间的故障及其采取保护策略的波形如图8所示.2 s发生故障,2.01 s各换流器闭锁,2.1 s各换流器交流断路器跳闸,2.2 s故障线路直流快速开关跳开,2.21 s非故障线路换流站解锁并重合交流断路器.图8e表示MMC2的直流侧正负极电流,当2 s出现极间短路故障时,可以看到故障瞬间的瞬时短路冲击电流较大,而且故障发生后系统直流侧正负极电流还能迅速恢复正常,这说明换流站在故障闭锁后电容电压还在保持,不会造成过电流问题.图8 直流侧正负极间短路故障波形Fig.8 Fault waveforms of interpolar short-circuit on DCside4.3 断线故障的仿真直流侧母线正极断线故障的波形及其保护策略波形如图9所示.同样的,也是假设2 s时发生断线故障,由图9a可看出MMC1的直流侧正极电流变为零.2.01 s故障线路直流快速开关跳开且该线路换流器闭锁,2.1 s故障线路换流站交流断路器跳闸.MMC1的子模块电容电压在闭锁换流站后幅值稳定了下来,MMC2和MMC3的电容电压基本相同.图9 直流侧正极断线故障波形Fig.9 Fault waveforms of anodal line break on DC side5 结论本文重点针对柔性直流输电直流侧故障这一常见且棘手的问题进行分析,然后在仿真平台上搭建系统模型进行仿真研究,仿真结果表明本文所提出的控制方式切实有效.采用基于电压裕度的多点直流电压控制能在系统一定的波动范围内使系统的主要参数达到正常状态,增加了系统可靠性,提高了系统处理故障的能力.参考文献：【相关文献】[1] 徐政.柔性直流输电 [M].北京:机械工业出版社,2012.[2] 赵婉君.高压直流输电工程技术 [M].北京:中国电力出版社,2011.[3] 汤广福,贺之渊,滕乐天,等.电压源换流器高压直流输电技术最新研究进展 [J].电网技术,2008,32(22):39-44.[4] 张文亮,汤涌,曾南超.多端高压直流输电技术及应用前景 [J].电力系统自动化,2005,29(9):20-24.[5] 苏新霞,王致杰,陈丽娟.柔性直流输电特点及应用前景研究 [J].陕西电力,2014,42(5):35-39.[6] 于海,张明光,张兆钰.基于行波固有频率的VSC-HVDC直流输电线路双极短路故障保护与定位[J].兰州理工大学学报,2017,43(1):83-87.[7] 陈海荣,徐政.适用于VSC-MTDC系统的直流电压控制策略 [J].电力系统自动化,2006,30(2):547-552.[8] 汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术 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