模塊化多電平換流器直流雙極短路故障耐受能力研究

朱銘煉， 姜田貴， 歐陽有鵬，謝曄源

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0　引言

目前，模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于上海南匯直流輸電示范工程、浙江舟山多端柔性直流輸電示范工程、廣東南澳多端柔性直流輸電示范工程、廈門柔性直流輸電科技示范工程等多個(gè)柔性直流輸電工程中[1-3]。世界上第一個(gè)基于MMC技術(shù)的統(tǒng)一潮流控制器UPFC(unified power flow controller，UPFC)工程也在南京西環(huán)網(wǎng)220 kV UPFC工程中成功應(yīng)用，提升了區(qū)域供電能力[4]，而2018年底正式投運(yùn)的蘇南500 kV UPFC工程則是世界上電壓等級(jí)最高、容量最大的UPFC工程，將在世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)500 kV電網(wǎng)潮流的靈活、精準(zhǔn)控制[5-6]。

直流雙極短路故障是MMC最具嚴(yán)重后果的故障之一，針對(duì)MMC的直流雙極短路故障耐受能力開展研究，對(duì)MMC系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)和保護(hù)設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用工程價(jià)值。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，現(xiàn)有文獻(xiàn)著重于MMC雙極短路故障電流的暫態(tài)分析[7-10]，而對(duì)MMC在雙極短路故障過程中的耐受能力分析均未見涉及。

本文對(duì)MMC直流雙極短路故障耐受能力進(jìn)行研究，首先對(duì)MMC閉鎖后的故障回路進(jìn)行理論分析并建立電路模型，給出核心器件所承受的故障電流分配計(jì)算方法；其次利用制造商提供的器件參數(shù)對(duì)器件故障期間的損耗進(jìn)行計(jì)算，并給出瞬時(shí)結(jié)溫計(jì)算方法，校核直流雙極短路故障耐受能力；然后應(yīng)用MATLAB搭建仿真模型并通過背靠背試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)核心器件的故障電流分配及結(jié)溫計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提分析和計(jì)算方法準(zhǔn)確可行，為實(shí)際工程中MMC直流雙極短路故障耐受能力的校核和器件選型提供了理論基礎(chǔ)。

1　MMC工作原理

1.1　MMC基本結(jié)構(gòu)

圖1(a)所示為蘇南UPFC工程所采用的三相MMC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，換流器包含6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由n個(gè)相同的半橋型子模塊(SM)及一個(gè)換流電抗器串聯(lián)組成。子模塊的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，由2個(gè)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)T1和T2、2個(gè)反向并聯(lián)二極管D1和D2、子模塊電容C、保護(hù)晶閘管SCR、旁路開關(guān)K以及均壓電阻R組成。子模塊的保護(hù)晶閘管SCR用于故障時(shí)分擔(dān)流經(jīng)二極管D2的暫態(tài)電流，而旁路開關(guān)K用于子模塊故障時(shí)的快速切除。

圖1　MMC基本結(jié)構(gòu)Fig.1　Basic structure of MMC

MMC橋臂中的每個(gè)子模塊均為獨(dú)立控制，每個(gè)相單元中上、下兩個(gè)橋臂的電壓和等于直流母線電壓，在任意時(shí)刻相單元中投入的子模塊總數(shù)為固定值n，從而維持直流電壓的恒定。

1.2　MMC直流雙極短路故障機(jī)制

在直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，MMC承受的故障電流是交流短路電流和子模塊電容放電電流的疊加：一部分是交流系統(tǒng)通過子模塊的二極管D2向短路點(diǎn)注入短路電流，形成三相短路，電流通路如圖2中虛線所示；另一部分是MMC中投入的子模塊通過上管IGBT T1放電，放電回路如圖2中點(diǎn)劃線所示[11]。

圖2　直流雙極短路時(shí)的故障電流回路Fig.2　Path of short-circuit current at the fault of pole-to-pole situation

當(dāng)MMC的控制保護(hù)系統(tǒng)在故障發(fā)生幾毫秒后檢測到系統(tǒng)故障時(shí)，MMC立即閉鎖，子模塊的電容停止放電，但是交流系統(tǒng)注入回路依然存在，直到交流系統(tǒng)的進(jìn)線斷路器成功分閘。

2　直流雙極短路故障耐受能力分析

2.1　雙極短路故障閉鎖后的電流回路

MMC閉鎖后，由于IGBT反并聯(lián)二極管D2為不控器件，無法進(jìn)行關(guān)斷，而與D2并聯(lián)的保護(hù)晶閘管的通態(tài)電阻小于二極管D2的通態(tài)電阻，故在系統(tǒng)發(fā)生直流側(cè)短路故障后，觸發(fā)導(dǎo)通與D2并聯(lián)連接的保護(hù)晶閘管，可以對(duì)流過二極管D2的故障電流進(jìn)行分流，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)D2的作用。因此，研究MMC直流雙極短路故障耐受能力，首先對(duì)二極管和保護(hù)晶閘管的電流分配關(guān)系進(jìn)行分析。

以單相為例，MMC閉鎖后的等效電路如圖3所示。MMC閉鎖后承受的故障電流為交流系統(tǒng)饋入電流(圖3中虛線)和子模塊電容放電回路中電感電流續(xù)流(圖中點(diǎn)劃線)兩個(gè)回路構(gòu)成。

圖3　MMC閉鎖后單相電流回路Fig.3　Single phase circuit of MMC after blocking the converter

圖中：usa表示交流電源相電壓；Zeq交流電源與MMC之間的等效阻抗；Zqb是MMC單個(gè)橋臂的等效阻抗；Dup是上橋臂中所有子模塊的下部二極管D2；Ddown是下橋臂中所有子模塊的下部二極管D2。

保護(hù)晶閘管投入后，流過MMC中子模塊的故障電流回路如圖4所示。

圖4　MMC閉鎖后子模塊的故障電流回路Fig.4　Single phase circuit of sub-module after blocking the converter

2.2　器件電流分配

MMC閉鎖后流經(jīng)換流閥的雙極短路故障電流為：

(1)

式中：iup為換流閥閉鎖后的雙極短路故障瞬時(shí)電流；Is為交流系統(tǒng)饋入電流的幅值；Ic為MMC閉鎖時(shí)刻子模塊電容放電回路的瞬時(shí)電流值，即電感電流續(xù)流回路的電流初始值；ωn為工頻角頻率；φ為MMC閉鎖時(shí)刻交流系統(tǒng)饋入電流的初相角；τ為電感電流續(xù)流回路的時(shí)間常數(shù)；td為MMC閉鎖后交流系統(tǒng)進(jìn)線斷路器的分閘時(shí)間。

MMC閉鎖后流經(jīng)換流閥的雙極短路故障電流波形如圖5所示。

圖5　MMC閉鎖后的故障電流波形Fig.5　Current of MMC after blocking the converter

從二極管和保護(hù)晶閘管的數(shù)據(jù)規(guī)格書中可以獲取特定條件下器件的通態(tài)壓降V-I特性曲線，二極管和保護(hù)晶閘管可以用串聯(lián)的通態(tài)電壓偏置、通態(tài)電阻以及理想開關(guān)來代替[12-15]，采用下述線性擬合并提取二極管和保護(hù)晶閘管的V-I特性參數(shù)。

(2)

式中：vD,vSCR分別為二極管和保護(hù)晶閘管導(dǎo)通期間的通態(tài)電壓；iD,iSCR分別為二極管和保護(hù)晶閘管導(dǎo)通期間流過的電流；rD,rSCR分別為二極管和保護(hù)晶閘管的通態(tài)電阻；VD0,VSCR0分別為二極管和保護(hù)晶閘管的通態(tài)電壓偏置。

MMC閉鎖后，子模塊中的二極管和保護(hù)晶閘管并聯(lián)共同承受雙極短路故障電流，計(jì)算可得二極管和保護(hù)晶閘管所承受的電流分別為：

(3)

2.3　二極管和晶閘管的瞬時(shí)損耗

二極管和保護(hù)晶閘管在MMC閉鎖后的損耗主要來自于故障電流通流過程中的通態(tài)損耗，其正向截止損耗、開通/關(guān)斷損耗可以忽略不計(jì)，綜合式(2)，可得二極管和保護(hù)晶閘管的瞬時(shí)損耗為：

(4)

2.4　二極管和晶閘管的雙極短路故障耐受能力校核

二極管和保護(hù)晶閘管所承受的雙極短路故障電流為暫態(tài)短路電流，電流峰值可至數(shù)十千安，該短路電流產(chǎn)生的損耗積累為熱量使二極管和晶閘管內(nèi)部硅片溫度急劇上升[16-17]。針對(duì)暫態(tài)溫升計(jì)算，二極管和晶閘管技術(shù)手冊中均給出了器件暫態(tài)溫升曲線，以晶閘管為例，其暫態(tài)熱阻抗曲線如圖6所示。

圖6　晶閘管暫態(tài)熱阻抗曲線Fig.6　Transient thermal impedance of thyristor

器件數(shù)據(jù)規(guī)格書中給出的暫態(tài)熱阻抗表示為：

(5)

可得到二極管和保護(hù)晶閘管的結(jié)溫計(jì)算方法如下：

(6)

式中：Tj_D和Tj_SCR分別為二極管和保護(hù)晶閘管的結(jié)溫；PD和PSCR分別為二極管和保護(hù)晶閘管的損耗；Zth(j-c)_D和Zth(j-c)_SCR分別為二極管和晶閘管的暫態(tài)熱阻抗(內(nèi)部芯片到基板)；Tc_D和Tc_SCR為MMC閉鎖時(shí)刻二極管和晶閘管的外殼溫度。

校核計(jì)算得到的二極管和晶閘管結(jié)溫是否超過半導(dǎo)體的本征溫度極限250 ℃，如果任一結(jié)溫超過本征溫度，則MMC無法耐受直流雙極短路故障。

3　仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1　建模與仿真驗(yàn)證

本節(jié)以ABB HiPakTMIGBT模塊5SNA 1￣5￣0￣0￣E￣-3￣3￣0￣305及晶閘管5STP 28L4200為例進(jìn)行MMC直流雙極短路故障耐受能力計(jì)算及仿真說明。使用曲線擬合技術(shù)，得到下表所示擬合結(jié)果(器件技術(shù)手冊中對(duì)應(yīng)結(jié)溫125 ℃曲線得到的數(shù)據(jù))。

表1　器件通態(tài)壓降與導(dǎo)通電阻Tab. 1　On-state voltage drop andresistance of thyristor and diode

利用MATLAB/Simulink軟件，搭建了MMC閉鎖后的子模塊故障電流回路仿真模型，驗(yàn)證本文所述MMC雙極短路的二極管和晶閘管器件電流分配算法的正確性。在該模型中，設(shè)置MMC閉鎖時(shí)刻橋臂電流峰值為15 kA，其中交流系統(tǒng)饋入電流幅值為7 kA，子模塊電容放電電流值為8 kA，設(shè)置交流系統(tǒng)進(jìn)線斷路器的分閘時(shí)間為100 ms。

圖7給出了MMC閉鎖后200 ms內(nèi)的故障總電流、二極管電流、保護(hù)晶閘管電流波形的計(jì)算波形和仿真波形，計(jì)算波形和仿真波形基本吻合，說明本文所提的雙極短路器件電流分配計(jì)算方法是可行的。

圖7　MMC閉鎖后的器件計(jì)算電流和仿真電流Fig.7　Short-circuit current of diode and thyristor by calculation and simulation after blocking the converter

依據(jù)式(6)所述結(jié)溫計(jì)算方法，搭建二極管和保護(hù)晶閘管的福斯特網(wǎng)絡(luò)結(jié)溫仿真模型，驗(yàn)證二極管和保護(hù)晶閘管在MMC雙極短路閉鎖后承受故障電流時(shí)的結(jié)溫是否安全。設(shè)二極管和保護(hù)晶閘管外殼初始溫度分別為95 ℃和80 ℃，圖8是根據(jù)式(6)所仿真得到的二極管和保護(hù)晶閘管承受雙極短路故障電流時(shí)的結(jié)溫情況，根據(jù)仿真結(jié)果可知，二極管和保護(hù)晶閘管最高結(jié)溫分別為101 ℃和123 ℃，兩者結(jié)溫均安全且有足夠的安全裕量，說明MMC能夠耐受此雙極短路故障電流。

圖8　結(jié)溫仿真結(jié)果Fig.8　Simulation results of junction temperature

3.2　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中所提出的MMC直流雙極短路故障耐受能力計(jì)算方法的正確性，在兩端MMC背靠背試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行了直流側(cè)雙極短路試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)系統(tǒng)直流電壓±10 kV，額定容量30 MV·A，二極管以及保護(hù)晶閘管為整體封裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)溫?zé)o法進(jìn)行實(shí)測，所以試驗(yàn)時(shí)測量MMC雙極短路故障總電流及保護(hù)晶閘管的電流，試驗(yàn)波形如下圖所示。

圖9　試驗(yàn)波形Fig.9　Test waveforms

試驗(yàn)波形中第一個(gè)波頭處故障總電流為15.0 kA，保護(hù)晶閘管電流為13.9 kA，該電流點(diǎn)處的保護(hù)晶閘管分流理論計(jì)算值為13.2 kA，二極管分流為1.8 kA，理論計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測值基本一致，可見，本文所提MMC雙極短路的二極管和晶閘管器件電流分配算法是可行的。

利用文中所提出的MMC雙極短路的二極管和晶閘管器件電流分配算法得到的結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果存在微小差異，原因在于：一方面本文采用通態(tài)電壓偏置、通態(tài)電阻進(jìn)行保護(hù)晶閘管及二極管的V-I特性擬合，存在一定的誤差；另一方面，考慮實(shí)際MMC內(nèi)二極管和保護(hù)晶閘管在工作時(shí)，其真實(shí)結(jié)溫小于125 ℃，而本文計(jì)算參數(shù)中假定的是結(jié)溫等于125 ℃的情況，計(jì)算結(jié)果必然存在影響。考慮計(jì)算結(jié)果與仿真及試驗(yàn)結(jié)果差距不大，所以本文所提MMC直流雙極短路故障耐受能力校核方法具有較高的工程價(jià)值。

4　結(jié)語

為了快速有效地進(jìn)行模塊化多電平換流器直流雙極短路故障耐受能力校核，本文給出了MMC閉鎖后的故障電流回路，并給出了二極管和保護(hù)晶閘管的電流分配及結(jié)溫計(jì)算方法。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，所提模塊化多電平換流器直流雙極短路故障耐受能力校核方法準(zhǔn)確有效，對(duì)校核模塊化多電平換流器在實(shí)際工程中的直流雙極短路故障耐受能力以及器件選型具有重要的理論指導(dǎo)意義。

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