C_MMC直流故障穿越机理及改进拓扑方案_薛英林

第33卷第21期中国电机工程学报Vol.33No.21Jul.25,20132013年7月25日ProceedingsoftheCSEE©2013Chin.Soc.forElec.Eng.63文章编号：0258-8013(2013)21-0063-08中图分类号：TM72文献标志码：A学科分类号：470·40C-MMC直流故障穿越机理及改进拓扑方案薛英林，徐政(浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市310027)DCFaultRide-throughMechanismandImprovedTopologySchemeofC-MMCXUEYinglin,XUZheng(CollegeofElectricEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,ZhejiangProvince,China)ABSTRACT:ToachievefastclearanceoftheDClinkfaults,themodularmultilevelconverter(MMC)usingrecentlydevelopedclampdoublesub-module(CDSM)isoneofidealoptionsfortheMMCbasedhighvoltagedirectcurrent(MMC-HVDC)system.Firstly,normalandblockoperationmodesoftheCDSMareinvestigatedinthispaper.Secondly,thefaultequivalentcircuitandthecharacteristicofthefaultcurrentareanalyzed.Owingtothevoltageclampingfunctionalityofdiodesandthereverse-polarityvoltageprovidedbythemodulecapacitors,thedcfaultblockingcapabilityisachieved.Thirdly,twoimprovedtopologyschemesareproposed,including1)eacharmadoptsbothhalf-bridgesub-modules(HBSMs)andCDSMs,incorporatingfeaturesoflowconductionlossandreducedadditionalsemiconductors;2)adampingresistorisplacedinserieswiththeclampingdiodes,whichisusedfordissipatingpartsofstoredenergyinthedcnetworkanddrivingtheshortcircuitcurrentintozeroimmediately.ThefeasibilityofthesuggestedconfigurationisverifiedbythePSCAD/EMTDCsoftware.KEYWORDS:modularmultilevelconverter(MMC);clampdoublesub-module;dampingresistor;DCfault;faultride-through摘要：采用基于箝位双子模块(clampdoublesub-module，CDSM)的模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)，是MMC-HVDC实现直流故障快速自清除的理想选择之一。首先研究箝位双子模块正常和闭锁工作模式；然后分析闭锁前后故障等值电路和故障电流特性，指出利用二极管阻断特性和模块电容所提供的足够大的反电势能够实现直流闭锁；昀后，提出两点改进措施：1）桥臂由半桥子模块和箝位双子模块混合而成，降低了稳态运行损耗和半导体器件数量；2）在子模块内部箝位二极管处串联阻尼电阻，以加快闭锁期间能量耗散和降低电容电压增高幅基金项目：国家863高技术基金项目(2012AA050205)。TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina863Program(2012AA050205).值。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所提出的改进拓扑结构方案的可行性和有效性。关键词：模块化多电平换流器；箝位双子模块；阻尼电阻；直流故障；故障穿越0引言基于电压源变换的直流输电(voltagesourceconverterbasedHVDC，VSC-HVDC)是一种以电压源换流器为核心的先进输配电技术，采用全控型电力电子器件，具有不存在换相失败、有功无功功率的快速解耦控制、输出电压电流谐波含量低等优势，在清洁新能源并网、城市输配电增容改造、海上孤立负荷送电等领域具有广阔的应用前景[1-2]。现有技术路线主要分两种：1）基于两电平或三电平箝位换流器的HVDCLight技术(ABB)；2）基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)的HVDCPlus技术(Siemens)。其中后者采用半桥子模块级联的形式，具有对器件一致触发动态均压要求低、扩展性好、输出电压波形品质高、开关频率低、运行损耗低等诸多优点[3-12]，已成为当前换流器选择的主流趋势。直流侧故障是VSC-HVDC工程设计运行必须考虑的一种严重故障类型，对设备参数、控制策略和保护配置具有重要影响，然而现有技术存在无法有效处理直流故障的固有缺陷[13-14]。当直流侧发生故障时，全控型开关器件所反并联的续流二极管容易构成故障点与交流系统直接连通的能量馈送回路，无法单纯依靠换流器动作完成直流侧故障电流的清除。目前已投运的VSC-HVDC工程大多采用电缆敷设线路，以减少直流故障发生概率，但造价昂贵、经济效益差。从原理上分析，处理直流侧故障的基本途径有64中国电机工程学报第33卷3类[15]：1）利用交流侧设备如交流断路器、交流熔断器等切断与交流系统的连接，但该方法响应速度较慢、重启动配合动作时序复杂、系统恢复时间较长；2）利用直流侧设备如直流断路器隔离故障点，但直流断路器存在灭弧非常困难、线路能量不易耗散、造价昂贵、技术不成熟等缺点[16]，在高压大容量场合鲜有应用；3）利用换流器自身控制实现直流侧故障的自清除，无需机械设备动作，故系统恢复很快，该思想事实上已广泛应用在传统直流输电技术中，即通过强制移相快速消除弧道电流。寻找具有直流故障穿越能力的新型换流器是目前学术界和工业界的研究热点[17-26]。2010年ALSTOM公司在国际大电网会议上提出了多种结合传统两电平换流器和MMC结构特点的混合式换流器，其中桥臂交替导通多电平换流器和混合级联多电平换流器均具有直流故障穿越能力。德国学者RainerMarquardt在2010年和2011年的两次国际电力电子会议上提出以子模块为基本功率单元的广义MMC概念[25-26]，根据内部构造的不同将子模块分为3种：半桥子模块(halfbridgesub-module，HBSM)、全桥子模块(fullbridgesub-module，FBSM)和箝位双子模块(clampingdoublesub-module，CDSM)；采用上述3种子模块的MMC相应地被称为H-MMC，F-MMC和C-MMC，其中后两者具有直流闭锁能力。本文从CDSM的工作模式入手，重点分析C-MMC直流故障下的等值电路和闭锁机理。为提高稳态运行效益和故障暂态特性，提出桥臂采用CDSM和HBSM混合级联的改进方案，并在子模块箝位二极管回路串联阻尼电阻。性能评估和仿真验证表明，所提出改进方案能够有效减少二极管和IGBT数量，降低运行损耗；故障期间，阻尼电阻耗散了部分直流网络储存能量，减少了电容电压上升幅值，缩短故障电弧熄灭时间。1箝位双子模块的工作模式箝位双子模块由两个半桥单元经两个箝位二极管D31、D32和一个带续流二极管D0的引导IGBTT0串并联构成的，拓扑结构如图1所示，其中：C为模块电容，Uc为模块电容额定电压。箝位双子模块有两种工作模式：正常模式和闭锁模式，对应的开关器件状态如表1所示。正常运行情况下，引导IGBT(T0)一直导通，箝位二极管T11T12CD11D12T22T21D22D21D31D32T0D0ABUCUCC图1箝位双子模块Fig.1TopologyoftheCDSM表1正常运行下CDSM的开关状态Tab.1SwitchingstatesofCDSMundersteadyoperation模式T11T12T21T22T0UAOUOBUSMiSM10011UcUc2Uc—10101Uc0Uc—010110UcUc—正常模式01101000—00000UcUc2Uc0闭锁模式00000UcUcUc0(D31、D32)路径上无电流，单个箝位双子模块等效为两个级联的半桥子模块，因此传统基于半桥子模块的MMC调制和控制策略均适用于C-MMC。如图2(a)所示。图中：O点为子模块虚拟中点；USM和iSM为子模块的输出电压和输入电流，方向如图所示。正常模式有4种正常的工作状态，输出电压有3种：0、U、2Uc。闭锁模式通常在以下3种情景下激活：1）自励预充电时电容不带电，缺乏必需的能量，IGBT信号无法触发；2）由于调度、检修等原因，需要换流器闭锁；3）直流故障发生，封锁所有IGBTT11T12CD11D12T22T21D22D21D32CAOD31BiSMUSM(a)稳态运行模式UcCD11D12D22D21CUcD31D32D0USMiSMUSMiSMA-CDSM2CABAB2Uc(b)A型闭锁模式，当iSM0第21期薛英林等：C-MMC直流故障穿越机理及改进拓扑方案65UcCD11D12D22D21CUcD31D32D0USMiSMUSMiSMB-CDSMABABUc2C(c)B型闭锁模式，当iSM0图2箝位子模块的稳态和闭锁模式Fig.2NormalandblockoperationmodesoftheCDSM的触发信号以实现故障电流弧道清除。闭锁状态的子模块等值电路与电流方向密切相关，分别如图2(b)、(c)所示。子模块对外等效为带电的电容CSM与二极管的串联形式，二极管阳极到阴极方向与故障电流一致。等效电容CSM和子模块电压USM分别由式(1)和(2)确定。cSMSMcSM2,0,0UiUUi(1)SMSMSM,022,0CiCCi(2)2C-MMC直流故障穿越机理分析2.1直流故障穿越阶段划分从故障发生到清除可分为两个阶段：1）故障检测阶段。故障发生后直流电流上升，模块电容放电导致电压下降。2）故障穿越阶段。换流器闭锁后，直流侧故障电流下降直至零，直流网络储存的能量回馈到模块电容里，导致电容电压上升。2.2故障检测和电容放电分析当直流侧发生短路故障(对于双极结构为双极短路故障，对于单极结构为极对地故障)，子模块会在数个ms内进入闭锁模式(大约2~5ms)。期间故障电流分量包含电容放电电流和交流系统馈能电流，其中前者占主导成分。故障电流上升率主要由桥臂电抗限制。子模块按照正常调制模式进行投切，任一时刻上下两个桥臂合起来投入Nc个子模块。由于系统的控制频率很高，期间所有的子模块均会投入或切除，根据“电容电压高的子模块优先放电，电容电压低的子模块优先充电”的原则，每相所有子模块可近似等分为两个组(每组含有Nc个子模块)，依次交替放电。因此，闭锁前C-MMC模块放电等值电路如图3所示。整个故障回路的等值电容、等值电感和等值电阻分别为ec6CCN(3)edc23LLL(4)edcf23RRRR(5)cCN2L2RfLdcRdcRf图3闭锁前故障等值电路(单极)Fig.3EquivalentcircuitoftheMMC(monopolar)故障等值电路是一个