全桥型MMC的降损运行和稳定性分析

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1、全桥型MMC的降损运行及稳定性分析1211112王朝亮，许建中，严华江，叶方彬，吕文韬，童力，赵成勇（1．国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江省杭州市310014；2．新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京市102206）摘要：模块化多电平换流器高压直流输电(ModularMultilevelConverterbasedHighVoltageDirectCurrent,MMC-HVDC)以其独特的技术优势，已成为未来电压源换流器高压直流输电(VoltageSourceConverterbasedHVDC，VSC-HV

2、DC)领域的发展趋势。全桥型模块化多电平换流器(Full-BridgeModularMultilevelConverter,FBMMC)以其灵活的控制性具有巨大的发展前景，然而较高的运行损耗一定程度上限制了其商业化应用。提出了FBMMC的降损运行模式，即利用FBMMC子模块输出负电平的能力使调制比增加来降低运行损耗，进而进行了理论分析并列写了FBMMC的空间状态方程，针对其输出交流相电压峰值高于直流单极电压的特点，理论上证明了FBMMC的运行稳定性。最后通过PSCAD/EMTDC环境下搭建仿真系统验证了所提出降损运行模式的有效性和

3、稳定性。关键词：模块化多电平换流器（MMC）全桥型模块化多电平换流器（FBMMC）降损运行稳定性0引言模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)已经成功地应用于大功率换流器中，目前主要是应用在高压直流输电系统(highvoltagedirectcurrentsystem，HVDC)领域。与传统基于电压源换流器的两电平、三电平VSC-HVDC(VoltageSourcedConverterbasedHighVoltageDirectCurrentsystem)相比而言，MMC-HVDC(mod

4、ularmultilevelconverterbasedhighvoltagedirectcurrentsystem)有诸多优点，如其开关损耗低，输出波形品质较优，无需滤波器等[1-12]。由于MMC通过模块化的形式串联构成换流阀，易于扩展到高电压等级，非常适合高电压大功率的场合，具有广阔的应用前景。目前世界各地有多个MMC-HVDC工程已经投运，其中第一个商业化的MMC-HVDC工程“TransBayCableProject(TBC)”早在2010年已投入运行[3-4]。MMC-HVDC技术由于其特有的优点日益受到重视，相关技术

5、的研究也已经成为学术界和工程界关注的热点。MMC是由多个子模块(Sub-Module，SM)构成，半桥型子模块（Half-BridgeSub-Module，HBSM）是主要的MMC子模块可选结构。由于HBSM的损耗小、成本低，所以目前几乎所有的MMC-HVDC工程都是以半桥型MMC(Half-BridgeMMC，HBMMC)为其拓扑结构的。但由于高压直流断路器技术工艺的工程应用还不成熟，且HBMMC在直流侧发生故障时，无法通过闭锁阻断直流故障电流，严重危害系统的安全，对MMC大范围的工程化应用产生了制约[8-10]。针对这一问题，

6、MMC结构最早倡导者R.Marquardt教授在文献[11]和[12]提出了全桥型MMC(Full-BridgeMMC,FBMMC)结构，FBMMC的子模块采用了全桥型子模块(Full-BridgeSub-module，FBSM)结构，这决定了FBMMC具有良好的直流故障穿越能力，能够通过自身闭锁来阻断直流故障电流。同时，单个FBSM可以输出三种电平状态，也增强了FBMMC的控制灵活性，使FBMMC能够适合更多的应用场合[10]。然而较高的初期投资和较大的运行损耗又限制了FBMMC在多端领域的商业化运行。为了提高FBMMC的运行经

7、济性，本文提出了利用FBMMC自身结构特点提高其直流电压利用率以使其运行损耗降低的控制策略，进而应用特征根分析法结合劳斯判据证明了FBMMC运行于该模式下稳定性，增强了FBMMC结构的工程实用价值。1FBMMC结构FBMMC的拓扑结构如图1所示。包括三个相单元，每个相单元包含上、下两个桥臂。每个桥臂由N个相同的FBSM串联组成，六个桥臂具有很好的对称性，L为桥臂电抗器，可以抑制相间环流以及直流双极短路故障引起的桥臂短路电流的上升率，有保护器件的作用，同时还有助于降低FBMMC输出电压的谐波含量。便于本文后续章节的叙述，对图1中的符

8、号进行说明，其中ix（下标x=a,b,c，下同）为交流电流，usx为交流系统输出的相电压，p、n分别代表正负极直流母线，它们相对于参考中性点O的电压分别为udc/2和-udc/2，uxp、uxn分别为上、下桥臂的桥臂电压，ixp、ixn分别为上、下