基于MMC的高压直流三极输电技术_俞露杰
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第 38 卷 第 4 期 2014 年 4 月 文章编号：1000-3673（2014）04-0838-06
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 38 No. 4 Apr. 2014 学科代码：470·4051
基于 MMC 的高压直流三极输电技术
第 38 卷 第 4 期
电
网
技
术
839
在充分借鉴高压直流三极输电和模块化多 电平换流器基础上，本文提出一种基于 MMC 的 高压直流三极输电系统。该系统采用五电平子模 块
[14]
输出 0、1 电平，直流故障时仅通过闭锁换流器就 能切断直流故障电流。因此全桥子模块是适用于基 于 MMC 的高压直流三极输电系统的拓扑之一，但 全桥子模块所需的电力电子器件是半桥子模块的 2 倍。本文将重点分析五电平子模块，其拓扑结构如 图 2 所示。 五电平子模块由 6 个 IGBT、 6 个反并联 二极管和 2 个电容器构成， UC 为子模块电容的额定 电压，USM 为五电平子模块的输出电压。它可看做 2 个半桥子模块串联， 也可看成箝位双子模块的一 种改进。该子模块能输出1、2、0 电平。对于容 量相同的柔性直流输电系统，若单个桥臂所需的 五电平子模块个数为 N，则半桥子模块、全桥子模 块和五电平子模块的对比关系如表 1 所示。由表 1 可以看出，五电平子模块所需要的器件少于全桥子 模块。 五电平子模块输出电压与触发信号之间的关 系如表 2 所示。当输出正电平时，T5 一直处于导通 状态，能输出 0、1、2 电平。当输出负电平时，T6 一直处于导通状态，能输出 0、1、2 电平。 基于 MMC 的高压直流三极输电系统直流侧发
0
引言
随着电力负荷的不断增长以及土地资源的日
益短缺，如何利用现有线路进行增容改造正获得更 多的关注。将交流输电改造成直流输电是解决输电 容量瓶颈问题的方法之一。而高压直流三极输电相 比于高压直流双极输电，能更好地利用交流输电的 三相导线，增大输电容量。 高 压 直 流 三 极 输 电 技 术 于 1997 年 由 M. Haeusler 等人提出[1]。而后 L. O. Barthold 等人对高 压直流三极输电的基本电路结构、控制方式、经济 性对比等方面做了进一步的研究，提出了适用于高 压直流三极输电的电流调制方法[2-4]。 国内文献[5-6] 介绍了高压直流三极输电的基本特点、技术优势 和关键技术，指出极 3 可采用传统高压直流输电 的 12 脉动换流器反并联或晶闸管换流阀反并联来 实现电压极性的反转和电流方向的改变；但基于 晶闸管的逆变站换相失败问题不可避免，一旦发 生换相失败，将对交流电网产生很大冲击。目前 国内外陆续开展了对高压直流三极输电的前期理 论研究，但关于高压直流三极输电仿真分析的相关 文献较少。 模 块 化 多 电 平 换 流 器 (modular multilevel converter，MMC)于 2002 年由 R. Marquardt 等人首 次提出[7]，其继承了电压源换流器不会发生换相失 败等普遍优势，又凭借其无需 IGBT 直接串联、器 件承受电压变化率低、输出波形谐波含量低等优 点，受到了越来越多的关注。基于 MMC 的高压直 流输电系统 (MMC-HVDC) 是近年来直流输电领域 的研究热点[8-13]。
高压直流三极输电系统将交流输电的三相导 线分别作为直流输电的极 1、 极 2 和极 3。 其中极 1、 极 2 和传统的双极直流输电的正负极类似，也称为 高压直流三极输电的正负极。极 3 相当于直流输电 的单级运行模式，也称调制极。本文提出的高压直 流三极输电系统采用 MMC，其系统结构如图 1 所 示。MMC 由 3 个相单元组成，各相桥臂通过一定 量相同结构的子模块和一个阀电抗器串联构成，仅 通过变化投入的子模块数量，就可灵活改变换流器 的输出电压 。基于 MMC 的高压直流三极输电系 统具有多种不同的运行方式：1）双极和单级独立 运行。极 1 和极 2 采用与传统直流相同模式的双极 运行，极 3 与大地构成回路，大地电流等于极 3 电 流，输送功率最大。2）双极运行。极 1 和极 2 采 用与传统直流相同模式的双极运行，极 3 作为金属 回线。大地电流为 0，输送功率小。3）采用电流调 制原理实现三级配合运行。大地电流为 0，输送功 率较大。
直流电流参考方向 极1
[8]
图 2 五电平子模块的拓扑结构 Fig. 2 Topology of five level submodule 表 1 半桥子模块、全桥子模块和五电平子模块的对比 Tab. 1 Comparison among the half-bridge submodule， full-bridge submodule and five level submodule
每桥臂储能电容数目
2 五电平子模块的工作模式
为有效应对架空线路接地故障，MMC 应选取 具备直流故障穿越能力的子模块拓扑结构。当基于 MMC 的高压直流三极输电采用电流调制策略处于 运行方式 3 时，极 3 换流器需具备双向导电性、直 流电压极性反转能力。MMC 应选取具有输出负电 平能力的子模块。 文献[15]介绍了全桥子模块的工作模式，其能
D6
Imin 0 (a) 极1直流电流 t
T1
﹢ D1 UC
T6
﹢ D3
D5
T5
T3
Imin
UC D4 T4
0
t
USM
T2
D2 ﹣
Imax (b) 极2直流电流 Imax Imin 0 Imax+Imin t
特性 半桥子模块 不能 不能 2N 4N 4N 2N 全桥子模块 能够 能够 2N 8N 8N 2N 五电平子模块 能够 能够 N 6N 6N 2N 切断直流故障 能否输出负电平 每桥臂子模块数目 每桥臂 IGBT 数目 每桥臂二极管数目
极2 极3
图 1 基于 MMC 的高压直流三极输电结构 Fig. 1 Configuration of MMC based tripole HVDC
Tab. 2
模式 1 2 3 4 5 6 7 8 9
表 2 MMC 子模块的工作状态 Switching states of five level submodule
T1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 T2 0 0 1 1 1 1 0 0 0 T3 0 1 1 0 1 0 0 1 0 T4 1 0 0 1 0 1 1 0 0 T5 1 1 1 1 0 0 0 0 0 T6 0 0 0 0 1 1 1 1 0 USM 2UC UC 0 UC 2UC UC 0 UC 闭锁
俞露杰，赵成勇
（新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206）
Modular Multilevel Converter Based Tri-Pole HVDC Power Transmission Technology
YU Lujie, ZHAO Chengyong
(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China) ABSTRACT: On the basis of referring to traditional tri-pole high-voltage DC power transmission and modular multilevel converter based high voltage direct current (MMC-HVDC), an MMC based tri-pole high-voltage DC power transmission technology, is proposed. In the MMC based tri-pole high-voltage DC power transmission technology the five-level sub-module is used to meet the requirement of periodical variation of DC voltage polarity and DC current direction in the pole 3. Firstly, the working modes of five-level sub-module and its equivalent circuit after the blocking fault are analyzed; then the current modulation strategy of the MMC based tri-pole high-voltage DC power transmission technology is analyzed, and corresponding control strategy for MMC is designed. Based on PSCAD/EMTDC, a model of the MMC based tri-pole high-voltage DC power transmission system is constructed, and the feasibility of the MMC based tri-pole high-voltage DC power transmission system is validated by simulation results. KEY WORDS ： five-level sub-module; modular multilevel converter; VSC-HVDC; tri-pole HVDC; AC-DC conversion; current modulation 摘要： 在借鉴传统高压直流三极输电和模块化多电平换流器 型直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current，MMC-HVDC)的基础上，提出基于 MMC 的 高压直流三极输电技术。 该技术采用五电平子模块来满足极 3 直流电压极性和直流电流方向周期性变化的要求。 首先分 析了五电平子模块的工作模式和闭锁后故障等值电路， 而后 分析了基于 MMC 的高压直流三极输电的电流调制策略， 设 计了 MMC 相应的控制策略。最后基于 PSCAD/EMTDC 搭 建了基于 MMC 的高压直流三极输电系统， 仿真算例结果验 证了该系统的可行性。 关键词：五电平子模块；模块化多电平换流器；柔性直流输
基金项目：国家 863 高技术基金项目(2013AA050105)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program(2013AA050105).
电；高压直流三极输电；交直流转换；电流调制 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.04.003
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俞露杰等：基于 MMC 的高压直流三极输电技术
Imax
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生接地故障后，闭锁换流站，切断直流故障电流。 图 3 为闭锁后五电平子模块故障电流为正、负时的 等效电路。不论电流的方向如何，桥臂电流总是向 电容充电。模块电容在故障回路提供足够大的反向 电动势来切断直流故障电流。
T1 ﹢ D1 UC USM T2 D2 ﹢ D3 UC D4 T4 T3
，该子模Hale Waihona Puke Baidu能够输出2、1、0 电平，当直流
侧发生故障时仅通过闭锁 IGBT 就能切断直流侧故 障电流。最后基于 PSCAD/EMTDC 搭建了基于 MMC 的高压直流三极输电系统，验证该系统的有 效性。
1 基于 MMC 的高压直流三极输电系统
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 38 No. 4 Apr. 2014 学科代码：470·4051
基于 MMC 的高压直流三极输电技术
第 38 卷 第 4 期
电
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在充分借鉴高压直流三极输电和模块化多 电平换流器基础上，本文提出一种基于 MMC 的 高压直流三极输电系统。该系统采用五电平子模 块
[14]
输出 0、1 电平，直流故障时仅通过闭锁换流器就 能切断直流故障电流。因此全桥子模块是适用于基 于 MMC 的高压直流三极输电系统的拓扑之一，但 全桥子模块所需的电力电子器件是半桥子模块的 2 倍。本文将重点分析五电平子模块，其拓扑结构如 图 2 所示。 五电平子模块由 6 个 IGBT、 6 个反并联 二极管和 2 个电容器构成， UC 为子模块电容的额定 电压，USM 为五电平子模块的输出电压。它可看做 2 个半桥子模块串联， 也可看成箝位双子模块的一 种改进。该子模块能输出1、2、0 电平。对于容 量相同的柔性直流输电系统，若单个桥臂所需的 五电平子模块个数为 N，则半桥子模块、全桥子模 块和五电平子模块的对比关系如表 1 所示。由表 1 可以看出，五电平子模块所需要的器件少于全桥子 模块。 五电平子模块输出电压与触发信号之间的关 系如表 2 所示。当输出正电平时，T5 一直处于导通 状态，能输出 0、1、2 电平。当输出负电平时，T6 一直处于导通状态，能输出 0、1、2 电平。 基于 MMC 的高压直流三极输电系统直流侧发
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引言
随着电力负荷的不断增长以及土地资源的日
益短缺，如何利用现有线路进行增容改造正获得更 多的关注。将交流输电改造成直流输电是解决输电 容量瓶颈问题的方法之一。而高压直流三极输电相 比于高压直流双极输电，能更好地利用交流输电的 三相导线，增大输电容量。 高 压 直 流 三 极 输 电 技 术 于 1997 年 由 M. Haeusler 等人提出[1]。而后 L. O. Barthold 等人对高 压直流三极输电的基本电路结构、控制方式、经济 性对比等方面做了进一步的研究，提出了适用于高 压直流三极输电的电流调制方法[2-4]。 国内文献[5-6] 介绍了高压直流三极输电的基本特点、技术优势 和关键技术，指出极 3 可采用传统高压直流输电 的 12 脉动换流器反并联或晶闸管换流阀反并联来 实现电压极性的反转和电流方向的改变；但基于 晶闸管的逆变站换相失败问题不可避免，一旦发 生换相失败，将对交流电网产生很大冲击。目前 国内外陆续开展了对高压直流三极输电的前期理 论研究，但关于高压直流三极输电仿真分析的相关 文献较少。 模 块 化 多 电 平 换 流 器 (modular multilevel converter，MMC)于 2002 年由 R. Marquardt 等人首 次提出[7]，其继承了电压源换流器不会发生换相失 败等普遍优势，又凭借其无需 IGBT 直接串联、器 件承受电压变化率低、输出波形谐波含量低等优 点，受到了越来越多的关注。基于 MMC 的高压直 流输电系统 (MMC-HVDC) 是近年来直流输电领域 的研究热点[8-13]。
高压直流三极输电系统将交流输电的三相导 线分别作为直流输电的极 1、 极 2 和极 3。 其中极 1、 极 2 和传统的双极直流输电的正负极类似，也称为 高压直流三极输电的正负极。极 3 相当于直流输电 的单级运行模式，也称调制极。本文提出的高压直 流三极输电系统采用 MMC，其系统结构如图 1 所 示。MMC 由 3 个相单元组成，各相桥臂通过一定 量相同结构的子模块和一个阀电抗器串联构成，仅 通过变化投入的子模块数量，就可灵活改变换流器 的输出电压 。基于 MMC 的高压直流三极输电系 统具有多种不同的运行方式：1）双极和单级独立 运行。极 1 和极 2 采用与传统直流相同模式的双极 运行，极 3 与大地构成回路，大地电流等于极 3 电 流，输送功率最大。2）双极运行。极 1 和极 2 采 用与传统直流相同模式的双极运行，极 3 作为金属 回线。大地电流为 0，输送功率小。3）采用电流调 制原理实现三级配合运行。大地电流为 0，输送功 率较大。
直流电流参考方向 极1
[8]
图 2 五电平子模块的拓扑结构 Fig. 2 Topology of five level submodule 表 1 半桥子模块、全桥子模块和五电平子模块的对比 Tab. 1 Comparison among the half-bridge submodule， full-bridge submodule and five level submodule
每桥臂储能电容数目
2 五电平子模块的工作模式
为有效应对架空线路接地故障，MMC 应选取 具备直流故障穿越能力的子模块拓扑结构。当基于 MMC 的高压直流三极输电采用电流调制策略处于 运行方式 3 时，极 3 换流器需具备双向导电性、直 流电压极性反转能力。MMC 应选取具有输出负电 平能力的子模块。 文献[15]介绍了全桥子模块的工作模式，其能
D6
Imin 0 (a) 极1直流电流 t
T1
﹢ D1 UC
T6
﹢ D3
D5
T5
T3
Imin
UC D4 T4
0
t
USM
T2
D2 ﹣
Imax (b) 极2直流电流 Imax Imin 0 Imax+Imin t
特性 半桥子模块 不能 不能 2N 4N 4N 2N 全桥子模块 能够 能够 2N 8N 8N 2N 五电平子模块 能够 能够 N 6N 6N 2N 切断直流故障 能否输出负电平 每桥臂子模块数目 每桥臂 IGBT 数目 每桥臂二极管数目
极2 极3
图 1 基于 MMC 的高压直流三极输电结构 Fig. 1 Configuration of MMC based tripole HVDC
Tab. 2
模式 1 2 3 4 5 6 7 8 9
表 2 MMC 子模块的工作状态 Switching states of five level submodule
T1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 T2 0 0 1 1 1 1 0 0 0 T3 0 1 1 0 1 0 0 1 0 T4 1 0 0 1 0 1 1 0 0 T5 1 1 1 1 0 0 0 0 0 T6 0 0 0 0 1 1 1 1 0 USM 2UC UC 0 UC 2UC UC 0 UC 闭锁
俞露杰，赵成勇
（新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206）
Modular Multilevel Converter Based Tri-Pole HVDC Power Transmission Technology
YU Lujie, ZHAO Chengyong
(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China) ABSTRACT: On the basis of referring to traditional tri-pole high-voltage DC power transmission and modular multilevel converter based high voltage direct current (MMC-HVDC), an MMC based tri-pole high-voltage DC power transmission technology, is proposed. In the MMC based tri-pole high-voltage DC power transmission technology the five-level sub-module is used to meet the requirement of periodical variation of DC voltage polarity and DC current direction in the pole 3. Firstly, the working modes of five-level sub-module and its equivalent circuit after the blocking fault are analyzed; then the current modulation strategy of the MMC based tri-pole high-voltage DC power transmission technology is analyzed, and corresponding control strategy for MMC is designed. Based on PSCAD/EMTDC, a model of the MMC based tri-pole high-voltage DC power transmission system is constructed, and the feasibility of the MMC based tri-pole high-voltage DC power transmission system is validated by simulation results. KEY WORDS ： five-level sub-module; modular multilevel converter; VSC-HVDC; tri-pole HVDC; AC-DC conversion; current modulation 摘要： 在借鉴传统高压直流三极输电和模块化多电平换流器 型直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current，MMC-HVDC)的基础上，提出基于 MMC 的 高压直流三极输电技术。 该技术采用五电平子模块来满足极 3 直流电压极性和直流电流方向周期性变化的要求。 首先分 析了五电平子模块的工作模式和闭锁后故障等值电路， 而后 分析了基于 MMC 的高压直流三极输电的电流调制策略， 设 计了 MMC 相应的控制策略。最后基于 PSCAD/EMTDC 搭 建了基于 MMC 的高压直流三极输电系统， 仿真算例结果验 证了该系统的可行性。 关键词：五电平子模块；模块化多电平换流器；柔性直流输
基金项目：国家 863 高技术基金项目(2013AA050105)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program(2013AA050105).
电；高压直流三极输电；交直流转换；电流调制 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.04.003
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俞露杰等：基于 MMC 的高压直流三极输电技术
Imax
Vol. 38 No. 4
生接地故障后，闭锁换流站，切断直流故障电流。 图 3 为闭锁后五电平子模块故障电流为正、负时的 等效电路。不论电流的方向如何，桥臂电流总是向 电容充电。模块电容在故障回路提供足够大的反向 电动势来切断直流故障电流。
T1 ﹢ D1 UC USM T2 D2 ﹢ D3 UC D4 T4 T3
，该子模Hale Waihona Puke Baidu能够输出2、1、0 电平，当直流
侧发生故障时仅通过闭锁 IGBT 就能切断直流侧故 障电流。最后基于 PSCAD/EMTDC 搭建了基于 MMC 的高压直流三极输电系统，验证该系统的有 效性。
1 基于 MMC 的高压直流三极输电系统