1、2017年11月鄭州大學學報(工學版)Nov.2017第38卷第6期JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience)Vol.38No.6文童編號：167i-6833(2017)06-0074-05具備直流故障隔離能力的新型MMC拓撲研究張清枝'，李志輝2(1.新鄉學院機電工程學院，河南新鄉453003；2.鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州450001)摘要：對柔性直流輸電的直流側短路故障問題，提出了一種新型的能夠自我阻斷史流故障的子模塊拓撲，該拓撲可以通過自身結構特性來阻斷故障電流；在此基礎上，為了抑制故障時子模塊電容電壓升高帶來的不利影響

2、，提出了具有阻尼電阻的子模塊拓撲，該拓撲在阻斷故障電流的同時還具有抑制子模塊電容電壓的作用.在PSCAD/EMTDC平臺下搭建了9電平MMC-HVDC仿真模型，并毆證了所提出新型拓撲的正確性.關鍵詞：柔性直流輸電；宜流故障；MMC；子模塊拓撲；子模塊電容電壓中圖分類號：TM46;TM721.1文獻標志碼：Adoi：10.13705/j.iasn.1671-6833.2017.06.011收精日期：2017-04-07；修訂日期：2017-07-U基金項目：國家自然科學基金資助項目(61473266)；2016年度河南省高等學校重點科研項目(16A470013)作者簡介：張清枝(】970)，女，

3、河南新鄉人，新鄉學院副教授，主要從事電力電子技術及自動化運行控制方面的研究,E-mail：139373951040引言近年來，隨著分布式電源、儲能技術的不斷發展，直流輸電技術受到了人們的廣泛關注"-司.柔性直流技術可以獨立控制功率、沒有換向失敗，成為目前研究的熱點之一.而模塊化多電平換流器(multilevelmodularconverterMMC)由于采用模塊化設計，具有可拓展性好，開關頻率低等優點，目前已成為換流站的首選拓撲.在采用MMC的系統中，直流側的短路故障是目前MMC需要研究的一個主要課題si.實際工程中通常采用MMC半橋型子模塊(halfbridgesubmodule,

4、HBSM),當換流器直流側發生雙極短路故障時，在IGBT(insulatedgatebipolartransistor)關斷的情況下，短路電流會經過并聯的反向二極管流入故障點，且無法通過閉鎖換流器來阻斷短路電流，會造成十分嚴重的危害采用可以自我阻斷直流故障電流的MMC拓撲是目前較為可行的方法.該方法通過換流器本身的結構特點，通過故障時二極管兩端的反向電壓來阻斷直流故障電流.由于IGBT的開關速度很快，因此能夠確保切斷故障的迅速性.并且系統能夠快速恢復非永久性故障，提高了供電可靠性.筆者利用SM換流器拓撲的結構特征提出了一種改進型拓撲，可以在不改變控制/調制方法的前提下，使系統具備處理直流故障的

5、能力，并且對故障時的子模塊充電電壓加以抑制，減小故障帶來的危害(9，01.根據直流故障的條件，在PSCAD/EMTDC環境下進行了時域仿真.1MMC基本結構及子模塊拓撲1.1MMC的基本結構MMC-HVDC系統主要由SM電路裝置級聯來實現目前廣泛采用的是基于半橋型SM的MMC.三相半橋型MMC的結構單元拓撲如圖1所示.圖1中，左側A、B、C三相接入交流電網,右側輸出直流電壓.MMC每一相擁有上和下兩個橋臂，其橋臂電壓和電流分別為gPA、，gPA、每一個完整的上橋臂或下橋臂均由N個SM上下級聯再與一個橋臂外端的電抗器L。串聯組成，de表示直流側的輸出電壓，。表示電壓為0的參考點.圖1的底部為一個

6、SM的半橋型拓撲結構，其輸出的子模塊電容電壓為瞞；通過子模塊的電流為電容器兩端的電壓為UC；T,上為控制子模塊運行狀態的IGBT；DixD2為與之并聯的反向二極管.圖1MMC的基本結構Fig.1MMCbasicstructure1.2直流故障情況下的子模塊拓撲分析在直流側短路故障期間，半橋型SM電路，如圖2所示.故障發生時，所有的IGBT均被阻斷,直流故障電流通過與T2并聯的反向二極管D2從交流側流出由此可見,半橋型SM不具有直流故圖2半橋型SM拓撲結構Fig.2HBSMtopology全橋型SM電路如圖3所示，全橋的MMC-HVDC系統的功率損耗以及成本比半橋型更高.直流故障時，所有SM的I

7、GBT被阻斷，電容器可以產生反向電壓阻擋交流側的電流，從而為全橋型SM提供直流故障處理能力.圖3全橋型SM拓撲結構Fig.3FBSMtopology2新型拓撲的結構及故障清除原理2.1新型拓撲的基本結構結合FBSM的直流故障處理能力，筆者對傳統的HBSM進行改進，提出了一種新型子模塊拓撲，如圖4所示.這種子模塊拓撲在半橋型和全橋型子模塊拓撲的基礎上進行融合，與全橋型SM相比，改進的拓撲多用了一個限流電阻札，省去了一個IGBT.圖4改進的子模塊拓撲結構Fig.4TheimprovedSMtopology2.2新型的故障清除原理正常運行時，T)始終處于導通狀態，子模塊通過L和T2的輪換投切來改變其

8、輸出的電壓為0或如子模塊的電容電壓與交流電壓滿足：u&=NUC；%=mU/2；(1)A=夠,式中分別為交流側的相電壓和線電壓幅值；血為調制比；uc為子模塊電容電壓.N為導通的子模塊個數.如圖5所示，短路電流經DiiCiDE流出子模塊.同理,MMC-HVDC發生雙極短路故障時，兩相之間的短路電流共流過2N個D|一CtD,tR|這樣的組合以及2個電抗器L.圖5故障時的短路電流通路Fig.5Short-circuitcurrentpathsinDCfault以A、B相為例，根據KVL(基爾霍夫電壓定律):=5(細+紂+偵)+ulX2=N(氣+wD4+uRj)+uLx2,(2)式中，如和九分別

9、為交流線電壓和電抗器電壓的瞬時值邛皿、。04為二極管的電壓瞬時值為限流電阻禺上的電壓瞬時值.整理得：他j-UD.+U顯然，+u（m<0,即二極管R和D4承受反向電壓，因此可以達到切斷故障電流的效果.2.3新型拓撲的故障控制策略及作用圖5所示，發生直流雙極短路故障時，二極管隊、0上的壓降可以忽略，因此相當于串聯電阻氐與子模塊電容C進行串聯分壓，可得(4)可以看出，發生直流故障時，隨著阻尼電阻的增大，子模塊電容充電電壓隨之減小，故而阻尼電阻起到抑制直流電容電壓的效果.故障時控制策略如圖6所示，當系統發生直流故障時,所有的IGBT將要閉鎖，以阻斷故障電流.對于永久性故障,需要斷開交流斷路器以隔

10、離故障并進行修復；對于瞬時性故障，故障電流被切斷之后，需要解鎖IGBT以重新建立直流電壓，系統恢復正常運行狀態.由于電力電子器件的動作十分迅速，且故障清除過程不需要交流斷路器的動作，因而系統能夠快速恢復.圖6直流故障的控制策略Fig.6DC*faultcontrolstrategy采用上述控制策略，故障清除時間能夠控制在10ms之內，可以有效保護子模塊中的IGBT和二極管.因此，所提的新型子模塊拓撲能夠顯著提升柔性直流輸電系統的故障阻斷及恢復能力.3仿真驗證與分析3.1直流故障阻斷能力驗證為了驗證SM拓撲能夠抑制直流故障電流,在PSCAD/EMTDC軟件平臺下搭建了單端9電平MMC-HVDC模

11、型.模型的具體參數為：直流電壓±320kV；傳輸功率1000MW；系統運行頻率為50Hz；變壓器變比為230/352kV,漏電抗為0.15p.u；每個上/下橋臂由4個新型子模塊和4個HBSM串聯；橋臂電抗為112mH；子模塊電容及電壓為164uF和80kV.系統采用定功率控制，在直流側設置了雙極短路故障，進行仿真分析.設置故障發生在/=1.10s,故障持續時間Is.子模塊在0.2s前預充電，在0.9s之后，當發生雙極短路故障時，直流電流超過3.12kA,此時所有的IGBT閉鎖.MMC-HVDC的仿真運行邏輯為，當1.10s發生雙極短路故障時，直流電流迅速沖擊到3.12kA,使所有的I

12、GBT閉鎖，在故障持續時間內，若直流電流快速下降為0,則說明拓撲具有直流故障阻斷能力.如圖7所示，根據時序控制，0.2s時子模塊充電完畢，充電電源斷開，直流電流從0開始上升,0.6s到達1.5kA,l.10s發生直流側雙極短路故障，直流電流在1.1007s達到3.12kA,使所有的IGBT閉鎖，閉鎖后直流電流迅速下降為0,說明該模型具有直流故障阻斷能力.圖8為該系統的直流電壓波形，正常運行時維持在640kV,發生雙極短路故障后電壓下降為0.MMC子模塊中的IGBT兩端電壓波形如圖9所示.圖7直流電流波形Fig.7DCcurrentwaveformUs圖8直流電壓波形Fig.8DCvoltage

13、waveform3.2子模塊電容充電過程分析首先在工頻情況下，設置=0,得到短路故障發生時三相橋臂電流如圖10所示.由圖10可以看出,1.1007s時GBT閉鎖，經過Tn=0.8ms,A、B兩相的上橋臂電流衰減至零.后經過7。=-200.9511.05).1J.151.21.25r/s圖9IGBT兩端的電壓波形Fig.9IGBTvoltagewaveform圖10三相橋冒電流波形(0。)Fig.10Three-phasearmcurrentwaveform(0O)容電壓從80kV±升到近115kV,±升率過高，從而會導致系統的不穩定.3.3阻尼電阻對充電電壓的抑制仿真驗證為

14、解決上述問題，采用具有阻尼電阻的改進新型拓撲來抑制子模塊電容電壓的升高.由于直流線路電感的儲能，在故障時會使產生反向衰減電壓，考慮故障時直流電壓的反向沖擊不大于額定值的2倍，因此設定=150Q,得到三相橋臂電流和子模塊電容電壓如圖12-13所示.B相7011505958575I11.106圖12三相橋皆電流波形(150。)Fig.12Three-phasearmcurrentwaveform(150O)7°l.l茄1l.i|21.1031.104I1051-i0690r1515555516109871C相1.1011.1021.1031.1041.1051.106/s601.11.1

15、011.1021.1031.1041.1051.106Us圖11三相子模塊平均電容電壓波形（0O）Fig.11Three-phaseSMaveragecapacitancevoltagewaveform（0O）3.2ms,三相所有的橋臂電流均降為零，故障電流完全被阻斷.在7；所對應的故障時間內，A相的上下橋臂、B相下橋臂及C相上橋臂子模塊開始充電，如圖11所示.當A、B相不再有短路電流通過后，A相上橋臂子模塊電容充電完成.在三相短路電流均被阻斷后，所有的子模塊電容充電完成.可以看出，B相下橋臂和C相上橋臂的子模塊電圖13三相子模塊平均電容電壓波形（150。）Fig.13Three-phaseS

16、Maveragecapacitancevoltagewaveformf150O）對比圖10,12可以看出，凡=150Q的改進拓撲在故障發生后，其短路電路的阻斷時間由4ms減小為1.5ms,反應更為迅速；對比圖11、13可以看出，各相子模塊的電容充電電壓上升的趨勢得到了有效減緩，尤其B、C兩相的充電電壓由原先的110kV降低為85kV左右,得到了很好的抑制.4結論針對傳統HBSM不能解決直流故障的問題，筆者結合半橋型和全橋型SM的特點，提出了一種新型的子模塊拓撲.該拓撲具備阻斷直流故障電流能力的同時還能夠抑制子模塊電容過電壓.相比于其他能夠阻斷直流故障短路電流的拓撲，新型改進拓撲結構簡單，應用電

17、力電子器件數量少，還能夠有效減小短路瞬間造成的危害.最后在單端9電平MMC-HVDC混合仿真模型中，對不同&值的直流側雙極短路故障下的子模塊電流及電壓進行對比.仿真結果表明所提出的SM拓撲能迅速切斷故障電流，并且能夠很好地抑制故障時子模塊電容的充電電壓.參考文獻：1 QINJ,SAEEDIFARDM,ROCKHILLA,etal.HybriddesignofmodularmultilevelconvertersforHVDCsystemsbasedonvarioussubmodulecircuitsJ.IEEEtransactionsonpowerdelivery,2015,30(1)

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