模塊化多電平換流器

模塊化多電平換流器(modular multilevelconverter MMC)已成為柔性直流輸電系統的首選換流器拓撲。我國已建成的上海南匯柔性直流工程、南澳三端柔性直流工程、舟山五端柔性直流輸電工程以及正在建設中的廈門柔性直流工程都採用MMC結構。國際上SIEMENS已建成的美國跨灣工程(Trans Bay Cable Project TBC)和法國一西班牙聯網工程(INELFE工程))都採用MMC結構。同時，ABB公司提出了一種級聯兩電平結構(cascaded two level CTL)，其本質仍為MMC，並且ABB後續建設的數項柔性直流工程都採用CTL結構。因此，MMC已由最初的低壓、小容量示範工程向高電壓、大容量方向快速發展，展現出很好的發展前景。

然而，高電壓、大容量、超大規模MMC高效建模受限於建模方法、數學理論、等效實驗方法和計算機硬件等眾多限制，嚴重製約着相關領域的快速發展。因此，建立MMC的數學和仿真模型能反映換流器的一般運行規律，對研究柔性直流輸電系統運行特性、主電路參數的選取以及控制保護系統的設計具有重要的指導作用，開展不同時問尺度的MMC電磁暫態建模方法的研究，在保證仿真精度的前提下研究極大地提高MMC仿真效率的理論和方法，提出適用於不同應用場景的MMC高效仿真模型，具有重要的理論和工程意義。

MMC系統的仿真分析，較之現場試驗具有良好的可控性、無破壞性和經濟性，對驗證控制系統的有效性及進行工程方案的比較等方面發揮着重要作用，為工程調試奠定了基礎。目前對MMC的仿真研究按仿真計算同實際過程的時問比例主要分為離線仿真和實時仿真，按仿真基於瞬時值或有效值分為電磁暫態仿真和機電暫態仿真，按不同的仿真步長可分為納秒級仿真、微秒級仿真、毫秒級仿真。

MMC具有很好的工程應用前景，針對不同的仿真類型與仿真需求，MMC的建模方法各有不同。因此，對MMC建模方法的研究現狀進行總結和剖析是很有必要的 ^[2]  。

圖1所示為三相MMC的通用結構，該MMC模型共有6個橋臂，每個橋臂包含N個子模塊。

MMC拓撲創始人德國慕尼黑聯邦國防軍大學的Marquardt教授共提出了三種常見的子模塊拓撲分別是半橋型子模塊、全橋型子模塊和雙箝位型子模塊。其中，半橋型子模塊目前工程中應用最為普遍，但是其不具備直流故障穿越能力，需要依靠交流斷路器實現故障電流的切除。全橋和雙箝位子模塊都具備直流故障穿越能力，但是由於投資和運行損耗較大目前尚無工程應用。為了在換流器投資、損耗和故障電流箝位能力之間實現折中平衡，有人提出了改進MMC了模塊拓撲，並給出了MMC橋臂中使用多種模塊拓撲混聯的方式以降低工程投資的思路，但是截止目前都尚未進入工程應用階段。

對於MMC的仿真模型，已有文獻大都針對半橋型MMC開展研究，所得成果可以較容易地通過定義編程的方式擴展至其餘MMC拓撲。

半橋型MMC子模塊，其中最主要的器件是2組反並聯的IGBT和二極管以及儲能電容C。K1是一個高速旁路開關，其作用是保證了模塊發生故障時將其快速、可靠地旁路。K2是一個壓接式封裝晶閘管，它可以在MMC閉鎖時保護與其並聯的續流二極管D2。由於K1和K2與了模塊為並聯結構，因此已有的MMC高效仿真模型大都不包含K1和K2，在某些特殊情況下需要仿真K1, K2時。圖2中R為了模塊電容的並聯電阻，用於電容靜態均壓和MMC閉鎖後電容的緩慢放電，由於其阻值很大，對電容的穩態特性兒乎沒有影響，因此除了某些特定場合，一般仿真中並不體現 ^[2]  。

隨着柔性直流輸電不斷向着高電壓、大容量方向發展，MMC橋臂中通常需要數百個子模塊級聯。例如，世界上第一個MMC工程，美國跨灣工程，單個橋臂含216個了模塊（雙端系統共2 592個子模塊），我國舟山5端柔性直流輸電工程共包含上萬個子模塊。單個半橋子模塊中至少包含4個電力電子開關，且不同子模塊中的開關器件狀態往往是不同時動作的。因此，在對MMC進行電磁暫態仿真時，必須設置較短的仿真步長，否則將嚴重影響仿真精度。每一個仿真步長內都有大量開關器件導通狀態發生變化，這將使得MMC系統的節點導納矩陣在每一個仿真步長中都需要重新求逆，也即不斷地對超高階矩陣求逆將使得大規模MMC的仿真速度極其緩慢。

目前國內外已有的MMC建模方法都是從MMC仿真的特點出發，在儘可能保持仿真精度的前提下，顯著降低MMC的矩陣求解階數，達到仿真提速的效果，所提出模型根據簡化信息的不同，分別適用於不同的場合。

電磁暫態仿真能研究含有較多開關元件的MMC本身的動態特性，但是由於仿真速度和規模的限制，目前電磁暫態仿真不適合研究大規模交直流系統之間的相互作用。在研究含有MMC-HVDC的大規模交直流混聯繫統的穩定性時，可以忽略諧波對系統的影響，只考慮系統基頻運行特性。仿真計算的是三相對稱交流系統基頻下各參量的RMS值。仿真步長為毫秒級，仿真關注的時長几秒到幾分鐘，建立能體現MMC基頻動態特性的機電暫態模型，將為大規模交直流系統穩定性分析提供仿真基礎 ^[3]  。

環流抑制針對橋臂環流產生的原因和特性，實際應用中可以考慮從以下三個方而入手進行環流抑制。

水平環流是由於相間電壓直流分量的差異造成，因此如果三相橋臂電壓直流分量滿足，則橋臂間不會出現水平環流。假若每一相橋臂中所有模塊電壓都等於一個相同的設定值，則能夠實現三相橋臂之間投入模塊電容電壓代數和相等的條件，從而消除因橋臂之間電壓差異造成的水平環流。

橋臂電流中含有基頻、二次諧波和直流三種分量，根據疊加定理，橋臂電抗電壓為三種分量分別作用時產生電壓的疊加。但是由於基頻分量在上、下橋臂電感電壓極性相反、大小相等，二者之和等於零;而直流分量可以近似認為恆定，故不在橋臂電抗中形成壓降，所以橋臂電抗電壓為垂直環流分量所形成 ^[4]  。

由於在定直流電壓和電容電壓均衡控制下，環流主要成分是垂直環流分量即諧波分量，且以二次諧波為主，因此可以考慮在橋臂中接入二次諧波濾波器，以實現環流的抑制。目前ABB提出一種在拓撲結構上不同於Simens的輕型直流輸電拓撲結構一一堆疊式兩電平換流器(CTL)結構，其中區別之一就是在橋臂中加入了一個二次諧波濾波器，以抑制二次諧波，從而減少環流影響。

1) MMC的電磁暫態模型開發仍是MMC建模領域最熱門的話題，因其涵蓋時間尺度範圍廣，離線仿真軟件成本較低，且所得成果可以推廣應用到不同的仿真平台乃至實時仿真系統中。

2)基於受控源的MMC通用提速模型具有容易實現、一次系統可視化程度強以及可以仿真開關器件級別的插值和故障等優點，推薦在詳細仿真較大規模雙端MMC-HVDC系統時採用。

3 ) MMC戴維南等效整體模型兼具仿真精度和計算效率都較高的特點，突破性地實現了模型的計算複雜度與仿真規模的線性增長。在仿真步長較小時推薦採用基於後退歐拉法的整體模型，仿真步長較大時推薦採用基於梯形法的整體模型。該類模型適合於不但要關注換流器內、外部動態特性，而且仿真規模巨大時的應用場景。

4)改進後的MMC平均值模型具備了精確仿真複雜交直流工況的能力，適合於只關注換流器外部動態特性且包含大規模MMC的交直流混聯繫統分析的場合。

5 ) MMC的機電暫態和實時仿真系統將逐漸成為未來MMC建模領域的研究熱點，因其更接近大系統分析和工程實際，可以更好地滿足多樣化需求。