一種具有故障電流自清除能力的MMC子模塊拓?fù)溲芯?

孫道友， 劉澤璽， 孫玉玉， 陳文濤， 張惠宇， 王 寧， 劉世林

(安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，241000，安徽省蕪湖市)

0引 言

隨著氣候變化問(wèn)題日益加重，以及能源供給安全和能源緊缺形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，我國(guó)將重點(diǎn)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，大力開(kāi)發(fā)和利用可再生能源[1-2]. 以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的可再生能源，具有遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，資源分散等特點(diǎn)，這使得大規(guī)模應(yīng)用可再生能源必須采用遠(yuǎn)距離大容量輸電方式. 模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為了柔性直流輸電工程技術(shù)發(fā)展史上的重要里程碑.

與常規(guī)的兩電平和三電平換流器技術(shù)相比，MMC不僅解決了傳統(tǒng)技術(shù)缺陷，而且具備諸多優(yōu)勢(shì)[3-4]：模塊化的結(jié)構(gòu)，易于達(dá)到高電壓等級(jí)；多電平的工作方式，利于提升輸電效率；高質(zhì)量的輸出電壓波形，不需要安裝交流濾波器等. MMC技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提升了柔性直流輸電工程的可行性，促進(jìn)了柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展及其工程推廣應(yīng)用. 同時(shí)與其相關(guān)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和控制等問(wèn)題也成為了研究的熱點(diǎn)，如子模塊及換流器拓?fù)涞难芯?、運(yùn)行穩(wěn)定性的研究、電壓平衡、環(huán)流抑制以及故障穿越控制的研究等[5-7].

為了應(yīng)對(duì)架空直流輸電線(xiàn)路經(jīng)常出現(xiàn)的瞬時(shí)性短路故障，一般有3種策略[7-14]：直流斷路器、交流斷路器以及具有故障電流清除能力的子模塊. 直流斷路器通過(guò)在直流側(cè)直接切斷直流故障電流通路，完成故障電流的清除，等待故障清除過(guò)后，再重新啟動(dòng)MMC模塊. 但是直流斷路器切除故障電流技術(shù)尚處于發(fā)展階段且制造價(jià)格過(guò)高，因此采用直流斷路器會(huì)大大增加工程的不穩(wěn)定性且會(huì)提高工程的成本. 利用交流斷路器可以切斷MMC與交流系統(tǒng)的電氣連接，但是無(wú)法阻止MMC子模塊中的電容向故障點(diǎn)放電，會(huì)導(dǎo)致電容電壓驟降，這樣故障解決后等待系統(tǒng)穩(wěn)定，MMC重新投入電路中所消耗的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng). 此外交流斷路器一般需要等到交流系統(tǒng)過(guò)零點(diǎn)再動(dòng)作，因此檢測(cè)到直流故障后，不一定能立刻閉鎖. 對(duì)于使用具有故障電流自清除能力的子模塊而言，在故障發(fā)生后，通過(guò)閉鎖子模塊的所有IGBT，改變電流流通路徑，通過(guò)子模塊電容提供的反壓抑制故障電流，達(dá)到清除故障電流的目的，且故障排除后易于恢復(fù).

基于此，提出一種基于雙電容的子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該子模塊在正常工作時(shí)可以提供3種電平，且2個(gè)電容可以獨(dú)立工作在充電模式及放電模式，便于子模塊電容均衡. 此外，在直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到故障并下達(dá)閉鎖指令后，該子模塊可以使故障電流反向給電容充電，提供反壓，迫使二極管關(guān)斷，達(dá)到清除故障電流的目的. 最后，通過(guò)雙極以及單極短路故障仿真，驗(yàn)證了所提出的子模塊故障電流清除能力的有效性.

1 子模塊拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

1.1 子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

所提出的子模塊拓?fù)鋱D如圖1所示，該拓?fù)鋱D由4個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的IGBT，2個(gè)電容C1和C2,1個(gè)IGBT以及5個(gè)二極管組成，其中4個(gè)二極管和1個(gè)IGBT組合在一起形成一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，當(dāng)IGBT閉鎖時(shí)，雙向開(kāi)關(guān)可以阻斷流過(guò)該路徑上任意方向的電流. 雙向開(kāi)關(guān)的一端與子模塊的輸出端相連，另一端與電容C1的負(fù)極相連，電容C1和C2的參數(shù)相同，當(dāng)子模塊正常工作時(shí)，通過(guò)控制2個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電流分別或同時(shí)對(duì)2個(gè)電容進(jìn)行充放電，響應(yīng)上層算法的電平指令.

圖1 子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

所提出的子模塊在正常運(yùn)行時(shí)能夠產(chǎn)生3種電平. 當(dāng)發(fā)生了直流故障時(shí)，IGBT閉鎖，對(duì)故障電流進(jìn)行自清除. 通過(guò)控制5個(gè)IGBT的通斷狀態(tài)可使子模塊具備5種工作模式. 定義電流方向：以電流從子模塊上端流入為正，下端流入為負(fù).

(1)模式1：開(kāi)關(guān)管S3和S5導(dǎo)通，S1,S2,S4關(guān)斷，電容C2被旁路，子模塊輸出電壓為UC1. 模塊電流流通路徑見(jiàn)圖2(a).

(2)模式2：開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通，S2,S3,S4,S5關(guān)斷，電容C1被旁路，子模塊輸出電壓為UC2. 模塊電流流通路徑見(jiàn)圖2(b).

(3)模式3：開(kāi)關(guān)管S2,S3,S4導(dǎo)通，S1,S5關(guān)斷，子模塊輸出電壓為UC1+UC2. 模塊電流流通路徑見(jiàn)圖2(c).

(4)模式4：開(kāi)關(guān)管S1,S4,S5導(dǎo)通，S2,S3關(guān)斷，電容C1與C2均被旁路，子模塊輸出電壓為0. 模塊電流流通路徑見(jiàn)圖2(d).

(5)模式5：此模式為故障模式，當(dāng)電路發(fā)生直流故障時(shí)，所有的IGBT均會(huì)進(jìn)入閉鎖狀態(tài)，電流通過(guò)與IGBT反向并聯(lián)的二極管流通. 當(dāng)電流正向流入時(shí)，電流通過(guò)D3，D4，D2將電容C1與電容C2串聯(lián)起來(lái)，子模塊輸出電壓為UC1+UC2；當(dāng)電流反向流入時(shí)，電流通過(guò)D9，D4，D1，此時(shí)電容C2被旁路，子模塊輸出電壓為-UC1. 模塊電流流通路徑見(jiàn)圖2(e).

(a) UC1工作模式電流流通路徑圖

(b) UC2工作模式電流流通路徑圖

(c) 雙電容工作模式電流流通路徑圖

(d) 旁路工作模式電流流通路徑圖

(e) 故障模式電流流通路徑圖

根據(jù)前面所描述的工作狀態(tài)，子模塊的運(yùn)行模式可分為4種正常模式和1種閉鎖模式. 各模式下的器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表1所示.

表1 新型子模塊運(yùn)行模式

表1中i>0表示電流方向?yàn)檎?，i<0表示電流方向?yàn)樨?fù)，0表示開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，1表示開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通. 由表1可得出所提出的子模塊能夠產(chǎn)生3種電平，除閉鎖狀態(tài)外，電流的流向不同會(huì)導(dǎo)致不同數(shù)量的電容接入到電路當(dāng)中，電流正向流入時(shí)，有2個(gè)電容接入到電路當(dāng)中；而電流反向流入時(shí)，只有一個(gè)電容接入到電路中. 從提供的電平數(shù)量來(lái)看，電流正向流入時(shí)清除故障的能力是反向時(shí)的2倍.

2 子模塊直流故障電流阻斷原理

在直流輸電系統(tǒng)中直流故障有2種情況：一種是單極接地，另一種是雙極短路，在理論分析上，以相對(duì)嚴(yán)重的雙極短路故障為例進(jìn)行分析. 考慮到系統(tǒng)的故障檢測(cè)系統(tǒng)，從故障發(fā)生時(shí)刻到IGBT閉鎖會(huì)有幾毫秒(大約2～5 ms)的延時(shí)，所以將故障分為閉鎖前和閉鎖后2個(gè)階段. 分析這2個(gè)階段系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn).

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2.1 階段1：閉鎖前

設(shè)故障發(fā)生時(shí)刻為t0，閉鎖時(shí)刻為t1，在t0～t1時(shí)間內(nèi)MMC的等效電路圖如圖3所示.在正常運(yùn)行時(shí)，子模塊根據(jù)電容均衡策略，運(yùn)行在單電容或者雙電容模式.假設(shè)每個(gè)投入電路中的電容容值為C.上橋臂有N個(gè)等效電容，下橋臂有N個(gè)等效電容.這樣上橋臂的所有子模塊可以等效成1個(gè)二極管和1個(gè)容值為C/N的電容，同理下橋臂所有的子模塊也可做類(lèi)似處理，最終得到如圖3所示的等效電路.

由圖3可得如下電路方程

(1)

(2)

其中k表示a,b,c三相，uk為交流相電壓，ipk為上橋臂電流，ink為下橋臂電流，upk為上橋臂輸出電壓，unk為下橋臂輸出電壓，upO為直流正極對(duì)地電壓，unO為直流負(fù)極對(duì)地電壓，R0為橋臂電阻，L0為橋臂電感.

圖3 MMC等效電路圖

結(jié)合式(1)和式(2)可得

ua+ub+uc-3upO=R0(ipa+ipb+ipc)+

(3)

ua+ub+uc-3unO=(una+unb+unc)-

(4)

根據(jù)基爾霍夫定理，由于ipa+ipb+ipc=idc，ua+ub+uc=0，所以有

(5)

(6)

其中idc為故障回路電流.

結(jié)合式(5)和式(6)可得

(7)

2.2 階段2：閉鎖后

發(fā)生直流故障幾毫秒以后，子模塊所有的IGBT都會(huì)進(jìn)入閉鎖狀態(tài). 以電流正向流入子模塊為例，當(dāng)所有IGBT閉鎖，子模塊電路可以等效成2個(gè)電容和3個(gè)二極管串聯(lián)在電路當(dāng)中，這樣上橋臂或下橋臂中所有的子模塊可以等效成一個(gè)容值C/N的電容和3個(gè)二極管. 由于故障后系統(tǒng)快速閉鎖，所以此時(shí)子模塊電容電壓并未下降過(guò)多，可以看作和正常運(yùn)行時(shí)相等. 在閉鎖后的幾毫秒內(nèi)，電容提供反向電壓迫使橋臂電流下降，同時(shí)橋臂電容處于充電狀態(tài)，電容電壓會(huì)繼續(xù)升高，如果忽略橋臂電感上的壓降，此時(shí)只要滿(mǎn)足

(8)

化簡(jiǎn)可得

(9)

式中,Um為故障后交流側(cè)相電壓幅值，Uc為子模塊電容電壓.

只有當(dāng)式(9)成立時(shí)，等效電路中的二極管才處于反向截止?fàn)顟B(tài)，阻斷橋臂電容放電的路徑，達(dá)到直流側(cè)故障電流快速清除的效果. 當(dāng)電流反向流入時(shí)，也可以得到類(lèi)似的結(jié)論. 但是從表1可以看出，電流正向流入時(shí)，子模塊中有2個(gè)電容串聯(lián)在電路中，而反向流入時(shí)只有1個(gè)電容串聯(lián)在電路中，所以電流正向流入時(shí)，清除故障的能力是反向時(shí)的兩倍.

綜上所述，故障發(fā)生后，閉鎖所有IGBT，無(wú)論電流如何流入子模塊當(dāng)中，橋臂上的二極管都會(huì)因?yàn)槌惺芊聪螂妷憾刂?，使橋臂電流快速地衰減為零，所以提出的子模塊可以迅速地清除直流側(cè)的故障電流.

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出子模塊的故障電流清除能力的有效性，在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上搭建了可以產(chǎn)生25電平的MMC直流輸電系統(tǒng)模型，分別在系統(tǒng)中模擬直流側(cè)雙極短路故障以及單極短路故障，系統(tǒng)參數(shù)如表2所示.

表2 仿真參數(shù)

MMC直流輸電系統(tǒng)仿真模型如圖4所示.

圖4 MMC直流輸電系統(tǒng)仿真模型

仿真工況1：直流側(cè)雙極短路故障.

系統(tǒng)從初始時(shí)刻0 s開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行，0.995 s時(shí)直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障，經(jīng)5 ms后換流閥閉鎖，仿真結(jié)果如圖5所示. 圖5(a)是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中子模塊電壓的仿真波形，系統(tǒng)在0.995 s之前處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，子模塊電壓存在低頻波動(dòng)，但均壓效果良好. 在發(fā)生短路故障時(shí)，由于系統(tǒng)沒(méi)有觸發(fā)閉鎖指令，在閉鎖前因?yàn)橹绷鱾?cè)短路，子模塊電容放電導(dǎo)致電容電壓驟降；之后，系統(tǒng)閉鎖所有的IGBT，故障電流給子模塊電容反向充電直到故障電流清除. 圖5(b)是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中交流側(cè)三相交流電流及直流側(cè)電壓的仿真波形，可以看到，在閉鎖前因?yàn)橹绷鱾?cè)短路，交流電流急劇上升，系統(tǒng)下達(dá)閉鎖指令后，故障電流經(jīng)4.5 ms后被清除.

(a) 子模塊電壓波形

(b) 交流側(cè)三相電流及直流側(cè)電壓波形

仿真工況2：直流側(cè)單極短路故障.

與雙極仿真工況類(lèi)似，系統(tǒng)在0.995 s時(shí)直流側(cè)發(fā)生短路故障，經(jīng)5 ms后換流閥閉鎖，仿真結(jié)果如圖6所示.

(a)子模塊電壓波形

(b) 交流側(cè)三相電流及直流側(cè)電壓波形

圖6(a)是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中子模塊電壓的仿真波形，系統(tǒng)在0.995 s之前處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，子模塊電壓存在低頻波動(dòng)，但均壓效果良好. 在發(fā)生短路故障時(shí)，在閉鎖前因?yàn)橹绷鱾?cè)短路，子模塊電容放電導(dǎo)致電容電壓驟降；之后，系統(tǒng)閉鎖所有的IGBT，故障電流給子模塊電容反向充電直到故障電流清除. 圖6(b)是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中交流側(cè)三相交流電流及直流側(cè)電壓的仿真波形，可以看到，在閉鎖前因?yàn)橹绷鱾?cè)短路，交流電流急劇增加，系統(tǒng)下達(dá)閉鎖指令后，故障電流經(jīng)3.3 ms后被清除.

4 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)半橋子模塊不具備清除故障電流的能力，提出一種具有故障電流自清除能力的子模塊. 與傳統(tǒng)子模塊不同，該子模塊由一個(gè)IGBT和4個(gè)二極管組成的雙向開(kāi)關(guān)構(gòu)成，并且是雙電容子模塊. 通過(guò)分析，該子模塊在正常工作時(shí)可以提供3種電平，且2個(gè)電容能夠獨(dú)立工作在單電容模式. 之后，對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析，將故障狀態(tài)分為閉鎖前及閉鎖后2個(gè)階段建立數(shù)學(xué)模型，最后在MATLAB/Simulink上搭建了仿真模型，通過(guò)雙極短路以及單極短路故障，驗(yàn)證了所提子模塊電流清除能力的有效性.