MMC换流阀设计
基于MMC的柔性直流输电换流阀型式试验方案_侯婷
考核换流阀应从运行和绝缘 2 方面考核阀的设 计，因此型 式 试 验 可 以 分 为 运 行 试 验 和 绝 缘 试 验 两 大类［12］。 4. 1 运行试验
运行试验的目的是检验阀及相关电路，在运行状 态中最严重的重复作用条件下通态、开通和关断状态 时，对于电流、电压和温度的作用是否合适，同时证明 阀电子电路 和 阀 主 回 路 之 间 相 互 作 用 的 正 确 性［13］。 具体试验项目及要求如下。 4. 1. 1 最小直流电压试验
南澳柔性直流输电工程是世界上第 1 个多端柔 性直流输电工程，于 2013 年 12 月 25 日正式投产。 一期为 三 端 直 流 输 电 系 统，远 期 为 四 端 直 流 输 电 系统。
62 http： / / www ． cepc． com． cn
第 35 卷第 12 期
侯婷，等： 基于 MMC 的柔性直流输电换流阀型式试验方案
同样地，桥臂电流也是由直流分量和交流分量叠 加而成的复合变量，如图 3 所示，iq 为下桥臂电流，其 中直流 分 量 iq_dc 为 直 流 极 线 电 流 的 1 /3，交 流 分 量 iq_ac为交流输出电流的 1 /2。
2 南澳柔性直流输电工程基本参数
图 3 MMC 桥臂电流 Fig. 3 Bridge-arm current of MMC
目前一期在南澳岛上建设 2 个送端换流站（ 金牛站和 青澳站） ，在澄海区塑城站近区建设 1 个受端换流站 （ 塑城站） ，工程具体参数如表 1 所示。
表 1 南澳柔性直流输电工程基本参数 Table 1 Basic parameters of Nan'ao flexible DC
transmission project
基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统设计
行 模 拟 ，以 期 验 证 换 流 阀 设 计 是 否 符 合 要 求 。首先 介绍了基于M M C 的柔性直流输电换流阀试验系 统的主回路和控制系统设计，并针对某集团研制 的换流阀组件进行了测试，验证了试验系统的正 确性和实用性。
2 MMC换流阀及其运行特性 2.1 M M C 换流阀基本结构
图 la为 M M C 型直流输电拓扑，换流器的各 桥 臂 由 图 lb 所示的子模块串联构成。
此处设计了一种基于M M C 的柔性直流输电 换 流 阀 试 验 系 统 。该 试 验 系 统 采 用 等 效 试 验 方 法 ， 对换流阀在稳态和暂态运行工况下的主要应力进
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第 55卷第6 期 2021年 6 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.55, No.6 June 2021
式 中 ：/2f为 2 次 谐 波 环 流 幅 值 ; 为 其 初 相 角 。
3 试验应力
换 流 阀 承 受 过 应 力 是 其 失 效 的 根 本 原 因 ，分 析换流阀不同工况下的应力是研宄换流阀等效试 验方法及开发试验电路的基础。换流阀失效主要 发生在运行工况下，因此此处仅关注换流阀在稳 态和暂态运行工况下的应力。 3.1 稳态应力
LIU Jing-yi1,2, D O N G Chao-yang1,2, JI Pan-pan1,2, Y A N G Feng-yuan1,2
( l . X J Electric L td., X uchang 461000, China) Abstract：The converter valve is core module to complete power conversion in the flexible high-voltage DC transmis sion project.Its operational reliability is directly related to the stability of the entire direct current (DC) transmission sys tem. Therefore, the converter valve needs to be strictly type tested.The operation test is an important part of the type test,which mainly detects the resistance of the converter valve to current, voltage and temperature stress.According to the actual engineering operating conditions of the modular multi-level converter (MMC) voltage source converter valve, an equivalent test method is adopted to design a MMC-based flexible DC transmission converter valve test system,which can realize the steady-state operating condition of the converter valve simulate with transient working conditions, and then realize the inspection of the on,off and related current characteristics of the converter valve.The main circuit de sign and control system design of the MMC-based flexible DC transmission converter valve test system are introduced in detail, and the actual engineering converter valve is assembly taken as the test object to verify the correctness and practicability of the designed MMC-based flexible DC transmission converter valve test system. Keywords ： flexible direct current transmission ；converter valve；modular multi-level converter Foundation Project ：Supported by Major Science and Technology Projects in Henan Province( No. 191110210900)
模块化多电平换流器(MMC)原理简介方案
模块 1AU2
模块 1BU1
模块 1BU2
模块 1CU1
模块 1CU2
模块 1AU20
Larm A
Larm
模块 1AL1
模块 1BU20
Larm
B
Larm
模块 1BL1
模块 1CU20
Larm
C Larm
模块 1CL1
模块 1AL2
模块 1AL20
模块 1BL2
模块 1BL20
模块 1CL2
模块 1CL20
30uf/A电容设置，装置保持稳定。这也是电解电 容纹波承受能力。
如果控制方式能够达到在1-50Hz变频工 况，功率单元按照10uf/A电容设置，装置保持稳 定。那么就可以考虑功率单元按照薄膜电容代替 电解电容。直流电容稳定也是MMC变频器主要难 点之一。
谢谢大家 !
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人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
模块化多电平换流器(MMC)原理简介方案
4、MMC控制策略
【总体控制功能设计】 外环控制器：换流器1作为从站，换流器2作为主站，高压直流电压（额定极间电压 20 kV）由换流器1从站负责控制，两站之间的有功功率可以反转，两站各自的无功 功率控制相互独立。 换流器1为直流电压环+无功功率给定； 换流器2为有功功率给定+无功功率给定；
5、MMC功率模块均压控制
为了保持 磁通为常数，调频时应同时调压，使 U/F=C, 变频调速系统常被称为变压变频（VVVF） 调速系统
(Variable voltage,variable frequnecy)
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3 异步电动机的调速
变频调速
n
n0(1
s
)
60 f1 p
(1
s
)
MMC目前的技术能力能够满足： 在1-50Hz变频工况，功率单元按照
2、主回路参数设计
桥臂电感Larm设计
由于交流侧的三相线电压有效值为10 kV，即相电压有效值为5.77 kV。由于 直流电压为20 kV，则MMC输出的交流相电压有效值最大为7.07 kV。 ±2.5 Mvar,零功率因数运行时，允许电感上的压降最大为 7.07kV 5.77kV 1.3kV 此时，允许的网侧电感最大值为1.3 kV/(2×50 Hz×π×145A)=28.6 mH。 在初始引进技术资料中取值20mH。
3、用途介绍
柔性直流输电
R=0 R=0
110KV侧短路容1000MVA 等效电感 0.0385
0.0385 [H]
rectify e1r Idc
e1l inverter
e1l
e1r
#1 #2
e2r DC1 e2l
#1 #2
MMC柔性直流输电系统换流阀开关频率优化方法-电源学报
式中 ：ice 和 if 分别 为 IGBT 和二极管 导通时流经 器 件的电流 ；UCE0 为 IGBT 的通态电 压偏置 ；rce 为 IG鄄
第 16 卷 第 6 期
电
源
学
报
Vol.16 No.6
总第 2018 80 期 Nov.
2018 年 11 月
电 源 学Supply 报 Journal of Power
中图分类号 ：TM464 文献标志码 ：A
DOI ：10.13234/j.issn.2095鄄２８０５．２０１8．6.84
MMC 柔性直流输电系统换流阀开关频率 优化方法
均压控制引起的投入子模块变化所带来的损耗为附加开关损耗paddswapapsw201年月journalpowersupply201假设mmc换流阀交流侧电流滞后于电压如图3所示dcap上桥臂电流电压关系fig3abovearmvoltageabovearmcurrentconverter图中分析图3可知0所以上桥臂在一个工频周期的必要开关损耗为pmmcswapigbtoffapdioderecapigbtonapigbtoffapdioderecapigbtonmmcsw10将其离散化并转化为1秒内的损耗得
当 MMC 应用于高压系统时 ， 子模块数一 般 较 多 ， 采 用 最 近 电 平 逼 近 调 制 NLM （nearest level mo鄄
dulation ） 方法是其 首选 。 NLM 的工作原理是 ， 控制
单 相上 、 下桥臂 处 于 投入状态 子模块的 总 数 保持 不 变 ， 通过 改 变其中上 （ 下 ） 桥臂 投入状态 子模块的个 数 ， 达到 输出所 需 电压的目的 。 假 设 MMC 的 调 制波为 msin （ωt ）， 其中 m 为 调 制比 ， 则 a 相 上 、 下 桥 臂 处 于 投 入 状 态 的子 模 块 个 数的计算方式
关于模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护的设计分析
关于模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护的设计分析摘要：本文立足于柔性直流输电的发展概况，简略阐述了本文的研究背景，介绍了MMC基本原理，并从阀组电流保护以及阀组过电压保护两方面内容着手，对模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护设计方案进行了详细分析，旨在为相关研究人员提供参考。
关键词：模块化、柔性直流输电、阀组本体保护引言：对于柔性直流输电系统来说，换流器阀组是其中至关重要的设备之一，但其在实际运行的过程中不可避免地会呈现出各种故障，所以应当采取良好的本体保护设计方案，但结合当前的实践应用来看，其在优化设计中还面临着一定的不利因素，基于此，有必要对其展开更加深层次的探索。
一、研究背景柔性直流输电在当前是众多研究人员所关注的重点和热点内容，其作为一种新型的直流输电技术在一定程度上丰富了行业的技术成果，其在应用的过程中最主要的特点便是通过采用基于全控型器件的脉宽调制技术以及电压源换流器进行直流输电。
早在上个世纪七十年代便有专家成功地在直流输电领域实现了对于全控型器件的引入，并率先完成了对于柔性直流输电技术在工程中的应用[1]。
美国TRANSBAY工程于2010年11月份正式投入运行，该工程也是全世界范围内第一个基于模块化多电平换流器拓扑的柔性直流输电工程。
而在我国范围内最先建成的便是于2011年7月正式投入运行的上海南汇柔性直流输电工程。
该柔性直流输电示范工程的成功运行为我国对于该领域的研究奠定了坚实的基础，使得我国范围内开始出现更多的科研单位及科研人员都积极投入到研究柔性直流输电技术的行列中。
结合目前来看，业内对于柔性直流输电技术进行研究所得到的成果主要包括以下几种方法，分别为动态物理模拟仿真、实时仿真、离线仿真以及相关理论分析等等[2]。
物理模拟系统本身的物理特性和原型具有一定的一致性，在模型中，其所涉及到的功率、电压以及电流等物理量相对值产生的变化过程基本上能够符合原型系统中这些物理量相对值的变化的过程[3]。
模块化多电平换流阀子模块旁路方案设计
舍力工歿枝术207 2020 年 7 月Electric Power EngineeringTechnology第 39 卷第 4 期D 01:10.12158/j .2096-3203.2020.04.029模块化多电平换流阀子模块旁路方案设计段军，谢晔源，朱铭炼，殷冠贤，方太勋$南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102)摘要:模块化多电平换流阀（MMC )作为柔性直流输电系统中的关键设备，其子模块的可靠性直接影响整个系统 的安全稳定运行。
文中系统设计了基于永磁双驱动旁路开关的主动旁路方案、基于双向转折晶闸管的被动旁路方 案，并结合主动旁路的经济性和被动旁路的可靠性，设计了分级旁路方案。
试验结果表明，主动旁路方案能主动下 发旁路命令，可靠旁路故障子模块;在主动旁路方案失效的情况下，被动旁路方案可靠旁路故障子模块。
所提方案 解决了因子模块单一故障引起系统跳闸的难题，为后续柔性直流换流阀工程实施提供了设计指导。
关键词：柔性直流;模块化多电平（MMC );换流阀；子模块；旁路方案中图分类号:TM 711文献标志码：A文章编号:2096-3203(2020)04-0207-07〇引言旁路晶闸管的无源被动旁路方案，并进行试验验证。
柔性直流输电可以突破常规直流输电的局限， 更好地服务于新能源占比日益提升的现代电网。
柔性直流输电使用全控型半导体器件绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor ，IGBT)，在控制维度上超越常规直流输电，可实现有功和无功 功率高速独立控制，为大规模清洁能源送出与消 纳、国际异步联网等需求提供新的解决方案。
模块化多电平换流阀（modular multilevelcon verter ， MMC ) 是柔性直流输电系统的核心设备 ，每个 桥臂由多个子模块$ sub module，SM )串联组成，运行中故障子模块旁路失败会导致换流站跳闸，因此设 计可靠的故障子模块旁路方案对提高柔性直流输 电系统安全稳定性具有重要意义。
模块化多电平换流器(mmc)电磁暂态仿真建模课程设计
模块化多电平换流器(mmc)电磁暂态仿真建模课程设计下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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模块化多电平换流阀子模块用真空旁路开关设计
模块化多电平换流阀子模块用真空旁路开关设计
李丝丝;方春恩;阴晓旭;李伟;陈军平
【期刊名称】《高压电器》
【年(卷),期】2024(60)6
【摘要】模块化多电平换流阀(MMC)子模块的可靠性直接影响到柔性直流输电系统的整体稳定性,旁路开关是决定子模块关断性能的关键设备之一。
文中基于永磁
机构的工作原理和理论建立一种双线圈旁路开关模型,利用仿真分析电容储能电压、电容值、线圈线径和匝数以及弹簧参数对开关动态特性的影响规律,并对其动态特
性进行优化设计。
最后根据仿真结果制作样机并进行试验验证,测试结果表明:旁路
开关满足在3 ms内合闸,零弹跳的技术要求,且通过雷电冲击试验、工频耐压试验、方波电压试验3项绝缘试验。
【总页数】10页(P138-147)
【作者】李丝丝;方春恩;阴晓旭;李伟;陈军平
【作者单位】西华大学电气与电子信息学院;四川省电力电子节能技术与装备高效
重点实验室;成都旭光电子股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TM4
【相关文献】
1.模块化多电平换流阀可靠性研究与设计优化
2.大规模多节点模块化多电平柔性直流输电换流阀控制周期优化设计方法
3.模块化多电平换流阀子模块旁路方案设计
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S1 D1
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ia R K T S2 D2
C
2
保护晶闸管 中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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保护晶闸管参数设计
直流侧出口短路时，其中一个桥臂的故障电流波形如下所示 根据晶闸管和IGBT模块的反并联二极管分压曲线，可以对晶 闸管参数进行计算
旁路开关动作时间和参数需要
与系统的保护动作时间和主要 电气应力相配合
额定关合电流
额定操作电压 合闸时间
6.3kA
400VDC ≤8ms
SMC
S1 D1
1
ia R K T S2 D2
C
2
旁路开关 中国电力科学研究院
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20
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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均压电阻
均压电阻主要用来在换流器启
参数
额定电压 额定电阻
数值
3600V 20kΩ
动充电和闭锁状态下均衡每个 子模块上的直流电压
额定功率
冷却方式
400W
水冷
SMC
S1 D1
1
ia R K T S2 D2
SMC
S1 D1
IGBT模块
C R
1
ia K T S2 D2
2
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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IGBT模块参数设计
参数 最大电压 额定最大电流 导通压降 门极电压 关断漏电流 开通时间 关断时间 数值 3300V 1200A 3~5V +15V/-15V（或-9V） 0.15~12mA 0.6us 2us
MMC电气设计
柔性直流输电技术研究室 2018年8月30日
MMC换流阀
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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MMC子模块
换流模块实物图
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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MMC子模块
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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子模块冗余设计
按照工程中换流器的桥臂电压为60kV，子模块额定电压为 1.25kV，则所需的子模块数量为48个
根据直流输电模块冗余的相关标准，每个桥臂的子模块冗余 数量最少为三个
参考西门子的相关工程设计，其子模块冗余度大约为8%左右 。按照此标准则每个桥臂的模块数需要为52个 此处冗余度稍微大一点按照10%选取，则每个桥臂的子模块 数为53个。这样示范工程的换流器桥臂子模块数为将设计为 49电平，每个桥臂冗余子模块数为5个
270A/AC，100A/DC，10%过载能力
最大300Hz <2500A，200ms <1880V 子模块自身取能供电
中国电力科学研究院
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IGBT模块参数设计
IGBT的额定电压需要根据系统的稳态、暂态过电压、 故障过电压、换相过电压限制等进行选取。 IGBT的额定电流需要根据直流侧电流、换相过电流、 短路故障电流等进行选取。
换流阀塔
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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MMC子模块电气接线
PW S1 GDU D1 C 1 K T GDU 2 S2 D2 R
S1、S2：IGBT模块 C：直流侧电容 R：并联电阻
T：保护晶闸管 K：旁路开关 PW：取能供电单元
1
ia R K T S2 D2
C
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直流电容
寿命要求
100000h
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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保护晶闸管参数设计
晶闸管参数考虑要能承担在最大运行方式下发生直流 侧出口短路时的故障电流 直流侧短路时，故障电流将由IGBT的二极管部分和 保护晶闸管来共同分担
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中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
MMC子模块主要参数
子模块的额定参数设计如下所示：
参数 模块额定电压
目前设计的MMC系统换流器的主要参数如下：
数值
1250V/DC，纹波±15%
模块额定电流
器件开关频率 外部短路电流 外部过电压 供电方式
C
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均压电阻 中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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均压电阻
在换流器停运后，子模块中的电容将通过此并联电阻和两个闭锁
的IGBT模块以及晶闸管缓慢放电。考虑最不利的情况，认为电容 上的电量完全由此电阻来消耗，则根据阻容回路的放电时间常数 τ=RC，一般可以认为经过5τ的时间电容上的电将完全放掉
阻、取能电路（如果需要的话）等提供散热 散热片的最大散热功率：2.5kW 散热器流量：5~6L/min
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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直流电容参数设计
直流电容电压按照子模块额定电压峰值乘以安全系数考虑，
即1250*1.15*1.1=1600V 电容器上电流波形及其频谱如下图所示
电路、SMC电路、电容器等
散热功率考虑在最大运行方式下开关频率最高的子模
块功耗和其它需要散热的器件功率进行考虑
子模块中所有器件的额定功耗大约为1kW左右
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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水冷散热片参数设计
每个子模块配一块散热器。同时为IGBT、均压电
根据所选择的电容和电阻的大
小，可以知道当换流器处于闭 锁状态时，电容器的放电时间 常数为120s，这样如果子模块 电容器上的电量要完全放掉， 可能需要10分钟左右的时间
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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旁路开关
参数 额定电压 额定电流 数值 3600V 630A
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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水冷散热片参数设计
换流子模块在正常工作情况下的损耗主要由两个IGBT
模块（包括IGBT部分和二极管部分）产生，这部分占 子模块总损耗的80%以上
其它可能产生损耗的器件还有：均压电阻、高位取能
换流模块实物图
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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MMC-HVDC技术动画演示
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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MMC换流阀
换流阀 直流母线 换流阀模块
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
换流阀子模块
换流阀 交流母线
中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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直流电容参数设计
直流电容参数设计考虑系统
SMC
S1 D1
运行电压纹波不超过一定的 限制并需要满足暂态电压上 升率的要求。
参数 电容额定容量（Cn） 允许误差 额定直流电压（Uw） 额定电流有效值（In） 杂散电感（Ls） 工作环境温度范围 数值 6000μF ±5% 1600V 250A <50nH 10~50º C