全桥型MMC的降损运行及稳定性分析.pdfVIP

全桥型MMC的降损运行及稳定性分析 1 2 1 1 1 1 2 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(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current, 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 (Voltage Source Converter based HVDC，VSC-HVDC)领域的发展趋势。全桥型模块化多电平换流器(Full-Bridge Modular MultilevelConverter, 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(Modular Multilevel Converter, 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(high voltage direct current system ，HVDC)领域。 与传统基于电压源换流器的两电平、三电平VSC-HVDC(Voltage Sourced Converter based High Voltage Direct Current system) 相比而言，MMC-HVDC(modular multilevel converter based high voltage direct current system)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“Trans Bay Cable Project(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-Bridge Sub-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-Bridge MMC ，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，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-Bridge MMC, FBMMC) 结构，FBMMC 的子模块采用了全桥型子模块(Full-Bridge Sub-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。 1 FBMMC 结构 FBMMC 的拓扑结构如图1 所示