柔性直流配電網MMC 子模塊級聯數量優化設計

王朝亮，呂文韜，許 烽，陸 翌，李繼紅

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

SNOP（柔性多狀態開關）是一種具有潮流互濟和電壓支撐功能的新型電力電子裝置，與常規開關相比，不僅具備通和斷2 種狀態，而且增加了功率連續可控狀態，兼具運行模式柔性切換、控制方式靈活多樣等特點，可避免常規開關倒閘操作引起的供電中斷、合環沖擊等問題，還能緩解電壓驟降、三相不平衡現象，促進饋線負載分配的均衡化和電能質量改善，給配電網的運行帶來諸多益處[1-2]。

為解決杭州江東配電網的典型問題并起到示范作用，杭州江東新城智能柔性直流配電網示范工程（以下簡稱“示范工程”）實施建設，在杭州市蕭山區大江東新城臨江工業園內建設一座SNOP站，采用三端背靠背MMC（模塊化多電平換流器）結構[3-6]，實現江東新城配電網2 個10 kV 和1 個20 kV 供區互聯，解決江東地區20 kV 和10 kV混供區互聯存在的壓差和角差問題，提升供區互濟能力，增強供區邊界的供電能力。

MMC 橋臂子模塊數量是MMC 工程重要設計參數，MMC 一般采用半橋子模塊結構[7-9]。文獻[9-10]提出了半橋子模塊的MMC 橋臂子模塊數量配置方法，但未述及全橋型MMC（采用全橋子模塊的MMC）橋臂子模塊數量配置方法。本文基于示范工程的實際需要，對SNOP 三端MMC橋臂子模塊級聯數量進行了工程設計， 提出了MMC 橋臂子模塊數量設計原則，針對全橋型MMC直流側電壓與交流側電壓不匹配的情況，提出了全橋型MMC 橋臂子模塊數量的設計方法并進行了優化。

1 示范工程總體方案

示范工程建設±10 kV 電壓等級的SNOP 站1座，其主要由±10 kV 直流母線、MMC 站（T1 站、T2 站和T3 站）和直流接口模塊組成，具體接線如圖1 所示。

圖1 示范工程接線示意

T1 站交流側與新灣變下的10 kV 供區相連，T1 站直流側接入直流母線；T2 站交流側與長征變下的10 kV 供區相連，T2 站直流側接入直流母線；T3 站交流側與臨欣變下的20 kV 供區相連，T3 站直流側接入直流母線。

為了方便直流負荷的接入，在±10 kV 母線上引出直流出線到直流斷路器，經直流變壓器變為±375 V 后，通過低壓電纜與電動汽車快充站充電樁連接，并預留了接口，方便后續光伏接入。

示范工程SNOP 采用三端背靠背MMC 結構，MMC 一般會通過聯接變壓器匹配交流電壓來接入交流電網，但由于聯接變壓器使得SNOP 站成本和占地大幅度增加，并且與示范工程要求的集裝箱緊湊化設計要求相違背，故示范工程SNOP三端均不加裝聯接變壓器，三端MMC 均直接接入交流電網。

示范工程屬于配網工程，為了節省造價，開關器件采用耐壓1.7 kV 的IGBT（絕緣柵雙極晶體管），其參數為1.7 kV/650 A。一般工程設計開關器件耐壓為子模塊額定電容電壓的2 倍左右，同時考慮換流器故障到閉鎖，子模塊電容電壓上升的極限值不得超過1.7 kV，綜合計算確定示范工程子模塊額定電容電壓Uc為0.91 kV 較為合適。

2 MMC 橋臂子模塊數量設計原則

MMC 的拓撲結構如圖2 所示，包括3 個相單元，每個相單元包含上、下2 個橋臂。每個橋臂由N 個相同的子模塊串聯組成，6 個橋臂具有很好的對稱性，L 為橋臂電抗器，R 為橋臂等效雜散電阻。其中ix（下標x=a，b，c，下同）為交流電流，usx為交流系統輸出的相電壓，p 和n 分別代表正、負極直流母線，它們相對于參考中性點O 的電壓分別為Udc/2 和-Udc/2，uxp和uxn分別為上、下橋臂的橋臂電壓，Udc為直流電壓。

圖2 MMC 的拓撲結構

由圖2 可知，忽略橋臂電抗和橋臂等效雜散電阻且不考慮冗余，單個MMC 橋臂至少能夠承受0.5Udc和交流相電壓峰值之和，即：

式中：Uc為子模塊額定電容電壓；N 為單個橋臂子模塊個數；ULL為交流線電壓有效值。

目前，MMC 一般采用半橋子模塊結構，調制比m 不會超過1，可以表示為交流相電壓峰值和0.5 倍直流電壓的比值，即：

由公式（2）可知，交流相電壓峰值小于0.5 倍直流電壓，本文定義此種情況為直流電壓與交流電壓匹配。進一步推證，只要滿足公式（3），必然滿足公式（1）。

工程設計中一般采用公式（3）計算MMC 橋臂子模塊數量N，即：

綜上，常規MMC 橋臂子模塊數量N 的設計原則為：在直流電壓與交流電壓匹配的前提下，MMC單個橋臂子模塊數量N 能夠有效支撐直流電壓。

需要補充的是，根據文獻[11-12]可知，當MMC 交流側沒有配備交流濾波器時，為保證交流側電能質量滿足標準要求，通常MMC 橋臂子模塊數量不能小于20 個。

3 T1 和T2 橋臂子模塊數量設計

T1 站和T2 站交流側電壓均為10 kV，直流電壓均為20 kV，其參數設計相同，故兩站MMC子模塊數量N 設計也是相同的。由于T1 站和T2站直流電壓與交流電壓匹配，兩站均采用半橋子模塊結構，子模塊額定電容電壓Uc為0.91 kV，故根據上文的MMC 橋臂子模塊數量設計原則，采用公式（4）計算可得：

根據計算結果，T1 站和T2 站MMC 橋臂子模塊數目N 取整，設計為22。

同時，根據緊湊化設計要求，兩站MMC 交流側均不配備交流濾波器，由于N 設計為22，大于20，必然可以滿足電能質量要求。

4 T3 橋臂子模塊數量設計

T3 站直流電壓為20 kV，交流側線電壓也為20 kV，直流電壓與交流電壓顯然不匹配。通常情況下，采用加裝交流變壓器對交流電壓降壓以滿足電壓匹配要求，但由于示范工程要求采用緊湊化設計，同時為了節約占地空間和成本，全站要求不加裝交流變壓器。

由于T3 站直流電壓與交流電壓不匹配，且不得加裝交流變壓器，T3 站MMC 必然不能選用半橋子模塊結構，只能選用全橋子模塊結構。在這種情況下，前文提出的MMC 橋臂子模塊數量設計原則就不再適用，需要提出新的優化設計方法。

4.1 全橋型MMC 橋臂子模塊數量設計方法

由于單極直流電壓小于交流相電壓峰值，故全橋型MMC 單個橋臂必然會出現負值。 S 表示任意子模塊的開關函數，其與子模塊輸出電壓的關系如公式（6）所示：

參照圖2，全橋型MMC 上、下橋臂實際輸出電壓如公式（7）所示：

式中：K1為任意時刻各相負責支撐直流電壓的子模塊數量的代數和；K2為橋臂中最多同時輸出負電壓的子模塊數量；Spi和Spj分別表示x 相上橋臂第i 個和第j 個子模塊的開關函數；Sni和Snj分別表示x 相下橋臂第i 個和第j 個子模塊的開關函數（i=1，2，…，k1；j=1，2，…，k2）。

在直流電壓與交流電壓匹配的前提下，MMC單個橋臂子模塊數量N 能夠有效支撐直流電壓，這是基于全部子模塊采用半橋子模塊結構而言的。對于全橋型MMC，這一原則應該擴展為全橋型MMC 橋臂子模塊數量N 的選擇保證任一相上、下橋臂投入的子模塊輸出電壓的代數和能夠有效支撐直流電壓。當某一相上橋臂全部子模塊正向投入時，其下橋臂必然負向投入K2個子模塊，故可得公式（8）：

對公式（8）進行工程簡化，即：

式中：Round 為向上取整。

當N 和K2確定后，全橋型MMC 所能輸出的最高電平數由（N+1）提高到（N+2K2+1），提高了系統直流電壓利用率，理論上會降低損耗，但由于K2的引入，增加了換流器的開關器件數目，進而又會增加運行損耗。由于可變因素過多，不便于工程應用，參考文獻[13-14]，通過計算每個橋臂子模塊的通態損耗和開關損耗，并在換流器總損耗最低情況下求解K2/N 值。工程上一般取K2/N≈30%時系統總運行損耗最低，此時全橋型MMC 運行損耗約為半橋型MMC 的130%。為了便于參數取整，簡化工程計算，本文將N 和K2的關系簡化為公式（10）：

需要說明的是，全橋型MMC 橋臂子模塊數目依然需要滿足公式（1），這可以作為工程選擇判據之一。

4.2 T3 橋臂子模塊數量設計

由于3 個MMC 站的所有開關器件相同，T3站子模塊額定電容電壓Uc也為0.91 kV，采用公式（9）和（10）可得：

進而計算可得N=33，K2=11。

且N=33 滿足公式（1）的要求，故T3 站橋臂子模塊數目選擇為33。

5 工程驗證

采用本文的設計方法進行示范工程設計，得到三端MMC 橋臂子模塊配置數量（不考慮冗余）如表1 所示。

為驗證MMC 橋臂子模塊數量配置是否合理，整個示范工程進行了三站投運試驗。T3 端為定直流電壓控制，直流電壓參考值為20 kV，無功功率參考值為0 Mvar；其余站為定有功功率控制，有功功率參考值為0 MW，無功功率參考值為0 Mvar。根據程序預設的“極連接-充電-解鎖”等步驟，實現三站自動啟動，啟動過程平滑順利，無異常。三端啟動波形如圖3—5 所示，圖中展示量依次為三相交流電流、三相交流電壓、正極直流電壓、負極直流電壓、直流電流以及解鎖信號。

表1 MMC 橋臂子模塊配置數量

圖3 三端啟動T1 站波形

圖4 三端啟動T2 站波形

圖5 三端啟動T3 站波形

整個示范工程順利通過了試運行考驗，并于2018 年8 月29 日投運，進一步驗證了本文設計的有效性。

6 結語

本文基于杭州江東新城智能柔性直流配電網示范工程的實際需要，對SNOP 三端MMC 橋臂子模塊級聯數量進行了工程設計，提出了MMC橋臂子模塊數量設計原則，針對全橋型MMC 直流側電壓與交流側電壓不匹配的情況，提出了全橋型MMC 橋臂子模塊數量的設計方法，并通過示范工程驗證了其有效性。