具有直流故障清除能力的MMC子模塊及其選取方法

韓朋樂

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450001）

0 引 言

模塊化多電平變換器（MMC）采用子模塊串聯結構，可提高系統功率和電壓等級，實現電壓的多電平變換輸出。在電力電子、電力拖動及電網變換等供配電領域，它具有巨大的應用前景。

實際工作中，MMC由于結構缺陷，導致直流側發生短路時不能立即閉鎖短路，進而損壞子模塊結構，影響整個系統的使用。實際工作中，直流側線路故障是經常發生的故障類型。現有處理方式是使用直流斷路器阻斷直流側電路，以防MMC的損壞。但是，此故障規避方式需要大量的斷路器設備，增加了成本，且斷路器易老化損壞，仍威脅系統安全[1]。

近年來，社會上出現了多種具有直流側短路阻斷能力的MMC子模塊。雖然每種子模塊的結構不同，但都實現了直流側短路故障的閉鎖清除。由于現有的各種子模塊都存在一定缺陷，導致實際選型困難。本文分析了各種常用MMC子模塊的工作原理，對比了各種子模塊在運行時對系統的影響，闡述了各種拓撲的優缺點，便于工程技術人員實際選型。

1 MMC的基本原理

德國學者R. Marquart和A. Lesnicax于2002年提出了MMC結構。MMC的基本拓撲結構如圖1所示，整體類似于一個三相全橋結構，只是將三相全橋中的開關管換成了由若干子模塊構成的橋臂，每個橋臂由若干個串聯的子模塊SM1～SMn構成，且每個橋臂的輸出端都串聯用于濾波的電感L。此結構使電力變換的設計更加靈活、多變，其中最基本的子模塊結構是半橋子模塊（HBSM）和全橋子模塊（FBSM）。

圖1 MMC簡化電路

2 具有直流故障清除能力的MMC子模塊

基于MMC子模塊的基本結構，衍生了多種具有直流故障清除能力的子模塊，如箝雙子模塊、串聯雙子模塊、交叉連接型子模塊及混合型子模塊等[2]。

2.1 箝雙子模塊并聯拓撲

如圖2所示，箝雙子模塊拓撲（Clamp Double Sub Module，CDSM）在傳統的全橋中間母線上并聯了一個IGBT開關管，在IGBT兩端的母線上分別串聯兩個二極管，并增加一個并聯電容，實現了閉鎖能力，減少了輸出單位電壓所需的器件數量，并使子模塊能夠輸出三個電平——2Uc、Uc及0。

子模塊正常運行時，CDSM中的開關管VT5一直導通，使得整個子模塊等效為兩個半橋子模塊。直流側短路故障發生時，所有的IGBT會被控制系統關斷，此時短路電流的通路如圖3所示。短路電流不管從哪個方向輸入，都會流過兩個電容，并從另一端輸出。電容的阻斷作用實現了短路阻斷閉鎖，而電流方向的不同使電容的串并聯關系不同。

圖2 CDSM拓撲結構

圖3 CDSM橋臂電流路徑

2.2 串聯雙子模塊拓撲

圖4 是串聯雙子模塊（Series-connected Double Sub Module，SDSM）的拓撲結構，端子1和端子2是輸出端，而兩個端子3是相連的。

圖4 SDSM拓撲結構

正常運行時，兩個子模塊SM1和SM2串聯，且獨立工作，使控制軟件和調制方法設計時與傳統MMC相同[3]。

當發生直流側故障時，故障電流的通路如圖5所示。不管故障電流從哪個輸出端進入，都會流過兩個電容C1、C2，并回到輸出端，進而實現短路電流的閉鎖。同時，兩個電容之間在兩個短路方向上都是串聯，且都由短路電流充電，易排除最終的故障電流。

圖5 SDSM橋臂電流路徑

2.3 交叉連接型子模塊拓撲

圖6 是交叉連接型子模塊（Cross-connected Sub Module，CCSM）的拓撲結構。這種結構由兩個半橋結構和兩個IGBT構成，其中兩個IGBT連接兩個半橋的正負母線[4]。通過對各個開關管的控制，最終可輸出五個電平——0、±Uc及±2Uc。

圖6 CCSM的拓撲結構

當發生直流側故障時，全部IGBT斷開，輸出端的短路電流通過IGBT的反并聯二極管和兩個電容進行流動，進而實現短路電流的阻斷，如圖7所示。

圖7 CCSM橋臂電流路徑

2.4 混合型子模塊拓撲

圖8 是混合型子模塊（Hybrid Sub Module，HSM）的拓撲結構，類似由一個半橋結構和一個全橋結構并聯構成。二極管D6是一個IGBT的反并聯二極管，但由于一直處于關斷狀態，所以可省略[5]。這種結構使現有的全橋和半橋IGBT模塊易于快速構成，便于使用和調試，可輸出四個電平——0、±Uc及2Uc。

圖8 HSM拓撲結構

當發生直流側故障時，關斷全部IGBT，兩個輸出端進入的短路電流會在子模塊內部形成一個電流通路，并流過反并聯二極管和電容器實現短路電流的阻斷，如圖9所示。

HSM衍生于傳統的全橋結構，提高了輸出電平的數量，且結構簡單。但是，當短路電流從D3的陽極進入時，短路電流在回路中只流過一個電容，導致短路電流阻斷能力降低。

圖9 HSM橋臂電流路徑

3 各類MMC子模塊的性能比較和選取方法

系統輸出功率和系統輸出電壓等級相同時，對比分析各子模塊的優缺點，結果如表1所示。對比的參數包括控制復雜度、開關管數量、模塊損耗及器件耐壓等。由于結構不同，各子模塊的應用場景也不同。其中，SDSM雖然控制復雜度高，但是損耗較低，使用的開關管數量較少，降低了成本；CCSM雖然損耗較高，但是對母線電壓的承受力較強，可應用于特殊場景。具體應用中，技術人員可根據具體需要進行選擇[5]。

由表1可知，傳統的FBSM拓撲結構和控制簡單，但拓撲損耗較高，對母線電壓值的承受力較低，實際應用較少；其余4種拓撲由于增加了額外的開關管或者二極管，提高了控制復雜度，增加了系統損耗，但實現了直流電路閉鎖功能。可見，不同子模塊拓撲雖然結構差異較大，但都通過對中間電容的充電實現了斷路電流的阻斷，只是阻斷的電流回路各不相同[6]。

具體地，CDSM拓撲和HSM拓撲僅在經典的全橋結構上增加了若干開關管，仍具有經典全橋結構的優點，如控制系統更加容易設計且改動較小，普遍應用于實際工程；SDSM拓撲和CCSM拓撲對經典全橋的改變較大，特別是SDSM拓撲結構，直接改變了全橋四開關的串聯模式和整個子模塊的功能結構。因此，控制系統設計和硬件設計時，需增大調試投入，充分仿真分析，以避免運行電路功能的失調[7]。

選擇MMC子模塊拓撲時，需綜合考慮設計成本、控制難度、軟硬件變更的大小、整個系統調試的困難度、系統運行的穩定性、系統損耗及成本等因素，如表2所示。

4 結 論

目前，MMC模塊是直流電網故障隔離和消除的研究熱點。使用不同的MMC子模塊的拓撲結構進行短路電流的阻斷，提高了現有電網運行的可靠性和靈活性，減小了現有電網系統中使用的斷路器個數，降低了系統成本。因此，本文總結常用子模塊的拓撲結構，分析各種直流短路阻斷的原理，得到了基于不同考慮情形的選擇方法，可為工程技術人員提供參考。

表1 不同子模塊參數比較

表2 子模塊結構的折衷考慮表