不同子模块MMC在中压直流配电网中的应用研究

贵州大学学报（自然科学版）

Journal of Guizhou University! Natural Sciences)

Vol.34 No.6

Dec.2017

文章编号

1000-5269 ( 2017 # 06-0043-06 DOI ： 10.1595C/j.cnki.gdxbzrl〇.2017.06.09

不同子模块MMC在中压直流配电网中的应用研究

唐圣辉\\袁旭峰唐立

1，李宁\\张天卫\\谈竹奎2

(1.贵州大学电气工程学院，贵州贵阳550025;2.贵州电力科学研究院，贵州贵阳550002)

摘要：模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC)的子模块是其核心部件。结合

MMC在中压直流配电网领域的广阔前景，分析了 MMC

常见的半桥型、全桥型子模块结构。简化

半桥型、全桥型、混合型三种子模块结构的MMC在直流侧双极短路故障时的等效电路，从理论上 分析了三种子模块结构的M

MC

对直流侧双极短路故障的抑制能力。针对三种子模块结构

系统的仿真，验证了理论分析的正确性。得出

MMC，分别通过基于PSCAD/EMTDC的两端MMC

在中压直流配电网中，混合型子模块结构MMC在技术上的可行性和经济上的优越性。为未来中 压直流配电网中换流器子模块拓扑的选择提供参考。

关键词：模块化多电平换流器；半桥型子模块;全桥型子模块；混合型子模块；直流故障 中图分类号:TM46

文献标识码：B

相较于交流配电网，直流配电网在很多领域取 得了技术和经济优势，具有巨大的发展前景[M]。目前世界各国对直流配电网的研究还处于理论研 究和试验探索阶段，研究重点多集中在以直流微网 为核心的低压直流配电方面，对中压直流配电网的 研究还较少。在中压直流配电网的研究中，作为配 电网核心的换流器部分大多采用传统的电压源型 换流器（Voltage Source Converter，VSC )，或者经

VSC后再经DC/DC

其换流器多采用V

SC

或者V

SC

加

DC/DC

变换器

的结构。本文在基于中压直流配电网的仿真中其

换流器部分采用了 MMC，对常见的三种子模块结 构

MMC

进行了对比分析，经过理论分析和仿真验

MC

证论证了混合型子模块M一个发展方向。

在中压直流配电网

中的独特优势，指出了中压直流配电网中换流器的

1 MMC及其子模块分析

换流器是直流配电网的核心部分，换流器的性 能对直流配电网的供电可靠性、供电质量、供电效 率起着关键性作用。与传统两电平或三电平换流 器相比，模块化多电平换流器（MMC)具有高度模 块化、易于扩展和输出波形质量好等优点，是今后 换流器发展的重要方向[8]。MMC拓扑结构如图1 (a)所示，每个相单元包含上、下桥臂各！个子模块 (Sub-module，SM)，可输出电平数为！ + 1。其子模 块常见的结构有半桥型子模块（Half-Bridge Sub-

module， HBSMmodule， FBSM

变换来提升直流电压，又或者

在交流环节增加工频变压器。文献[5]中换流器 直接采用传统的VSC，其对开关器件的耐压和均压 问题要求较高，控制系统设计变得复杂。文献[6 ]给出了一种基于柔性中压直流配电网的能源互联 网系统实例，对基于中压直流配电网的能源互联网

发展前景进行了展望。文献[6-7]中换流部分均 采用VSC后再经DC/DC变换来提升电压，由于增 加了 DC/DC环节，会造成直流配电系统效率和控 制灵敏度的降低。至于在交流环节加人笨重的工 频变压器，则会使得系统体积增大，损耗增加，投资 增大。

综上所述，在有关中压直流配电网的研究中，

) 和全桥型子模块 （Full Bridge Sub- )，分别如图 1(b)、（c) 所;gK。 MMC

在直流输电、新能源并网发电、城市电网增容改造、 孤岛供电等领域具有广阔的应用前景。

收稿日期= 2017-06-29基金项目：国家自然科学基金（51667007);中国南方电网有限责任公司重点科技项目（GZKJQQ00000417)作者简介:唐圣辉（1988-)，男，在读硕士，研究方向：电力电子在电力系统中的应用，Email % 1060688166@qq.com. !通讯作者：袁旭峰，Email % 17015676@qq.com.

-44 -贵州大学学报（自然科学版)

第34卷

相单元

(a)

图1

典型模块组合多电平换流器及其功率单元结构示意图

设电流流人子模块方向为电流的正方向 (&M>〇)。由子模块结和开关器件特性可知，

HBSM

共有如表1所示的三种工作状态[9]:

表1

半桥型子模块的工作状态表TT2?SM

_sm状态1

0一

投人

正常运行

01-0除启动或直00>0闭锁流故

0

0

<0

0

闭

由表1易知，半桥型子模块的运行模式不多，

压可在^与0

换，当直流 生双极短路故障时，@将成为交流系统向短路点持

续馈人短

流的通道，即基于半桥型

的

MMC

桥臂无法有效切断自身故障电流。对于直流 短 极端故障的处理，大数都需要换流器与

交流

的配合控 除直流短路电流'10]。

桥型子模块拓扑结

1(? ，它的开关器件的数量是半桥型 的两倍。

关器

件导通条件可得FBSM的工

2所示'10]:

表2全桥型子模块的工作状态表TT2T!T\"SM

_SM状态1001一向投人

0

110一

~-c负向投人

正常运行

1100-0除0011-0

除启动或直0000>0—闭流故

0

0

0

0

<0

_-K

闭

由表2易知，FBSM与HBSM

最本质的区别在

于

FBSM

可以 桥臂电流方向下

负的电

容电压，从而大大增强了

的控制灵

。

FBSM

可以交替 c

?和0或

替地输出-c

。和0，直流 生双极短路故

情形需要

MMC

闭锁时，可将全部FBSM

中4个

IGBT

都关闭，若桥臂电流 ，则

容被充电

(电流通

1 (?所示）；若桥臂电流为负，模块

电容还是被充电（电流通路如图1(?所示）。即

FBSM

IGBT

闭

无论桥臂电流方向如

何，均是交流侧向 容充电， 流压与

MMC中FBSM的电容电压相互箝位时，充电过程 停止，直流短

流被 ，故

FBSM

直

流故障短路电流的能力。

'系统设计

HBSM| |=|HBSM| |=|HBSM| \\ N/H-HBSMl Uhbsm] MHBSMl，半桥子模块

图2基于半桥和全桥子模块的MMC系统拓扑图

本文搭建了基于PSCAD/EM

TDC

的不同子模

块结构M

MC

的两端直流配电系统。

分半

桥型 MMC ( HBSM-MMC )、全桥型 MMC ( FBSM-

MMC

)及混合型 MMC ( cell-hybrid sub-module， CHSM

)

情

。两端系统整流侧M

MC

采用定

有功功率控制策略，逆变侧MMC 定直流电压

控制策略。混合型MMC(FHSM-MMC)系统拓扑如

2

，

桥臂包含：/2个半桥

，：/2

第6期唐圣辉等:不同子模块MMC在中压直流配电网中的应用研究-45 -

个全桥子模块。其中，：/2个全桥子模块放置在交 流侧。在仿真系统中，直流母线电压采用±1〇 k

V

。

调制方式对换流器性能至关重要，常见的

MMC

调制方式有阶梯波调制方式和脉宽调制方

式。阶梯波调制方式又包含最近电平逼近调制和 消谐波调制两种。本文对M

MC

的调制采用最近

电平逼近调制方式。NLM方式其原理是使用最近 电平瞬时逼近调制波，其器件开关频率低，开关损 耗小，且无需控制脉冲宽度，更加容易实现，适用于

电平数较多的场合[11A2]。

3理论分析

为深人分析不同子模块结构M

MC

在直流侧

双极短路时的故障机理，以A相为例简化分析各 种子模块情况下MMC

双极短路时的电路模型。

3.1

HBSM-MMC

对

HBSM-MMC

，当直流侧发生双极短路故障

时，对各IGBT

施加关断信号，各子模块进人闭锁状

态。此时，交流侧电源可通过IG

BT

反并联二极管

与直流侧短路点形成回路。如图3所示，以A相桥 臂为例，在交流电压正半波，可通过上桥臂各子模 块的续流二极管D2经直流母线正极与故障点之间 形成回路;在交流电压负半波，可通过下桥臂各子 模块的续流二极管D2经直流母线负极与故障点之 间形成回路。此时，各子模块等效于一个二极管，半 桥型MMC等效于一个三相不可控整流器，HBSM-

MMC

直流侧发生双极短路故障时的等效图如图3

(c)所示。对电源侧来说，系统类似于三相短路。3.2

FBSM-MMC

在直流侧双极短路故障时，给各

模块E

BT

施加闭锁信号，各模块即进人闭锁模式。

此时，如图4(2)所示，在全桥子模块内部，电流有 两种流动方向。一种是电流经续流二极管D,、子 模块电容C、续流二极管D\"形成通路;另一种是电 流经续流二极管@2、子模块电容C、续流二极管

D3

形成通路。无论哪一种方式，都只是对各子模

块电容进行充电。各子模块等效于二极管和模块 电容的串联组合，FBSM-MMC

在直流侧双极短路

故障时的等效图如图4(c)所示。

33

CHSM-MMCCHSM-MMC

在直流侧发生双极短路故障时，综

合HBSM-MMC和FBSM-MMC

的特点，此时的等效

电路图如图5所示。本文所搭建的两端MMC

仿真

系统上下桥臂采用半桥全桥各占一半的方式，即上

下桥臂各有！/2各半桥子模块、《/2各全桥子模块。 其中，!/2个全桥子模块位于靠近桥臂电抗侧。

…

Effl

?_—

0—_H_E…

f

l

—图3

半桥型子模块MMC双极故障等效图（A相)

-46 -贵州大学学报（自然科学版)

第34卷

4仿真验证

针对三种不同子模块拓扑的MMC，分别搭建

了基于 HBSM-MMC、FBSM-MMC、CHSM-MMC 的两端背靠背直流系统'1!-15(。其中，直流母线电压为 ± 10 kV，交流侧相电压有效值为12 kV，系统从 0;

，至- = 0.15 8左右系统

稳定。

直流侧双极短路故障发生在-=1.0 S时刻，故障后 经一个工频周期即-=1.02 s时刻封

IGBT

。

图6(a)至（？分别为HBSM-M

MC

发生直流侧

双极短路故 的直流侧电流、换流器有功功率、

无功功率及短

流侧电流波形。由3.1分

析可知，直流侧双极短路故障发生后直流电流瞬间

增大到5.5 kA左右。-=1.02 s时刻封锁各

IGBT

) ， 效一个二极管，HB-SM-MMC相当于一个三相不可控整流器，对交流侧

则相当于发生了 短路故障。在短

生

，

略短路阻抗、线 二极 向压降，相当

于投人

的

容电压直接

了桥臂电

6.o5.

4.o 3.m2.o

1.o

)0. -1.o

/

4

o o 0

/1

(a)直流侧电流

(b)换流器有功、无功功率

0.960 1.000 L040 1080 L120 L160 U\"s

00 1.240 L280 L320 L360

(c)交流侧A相电流

图6 HBSM-MMC双极短路故障时波形

感上，故电流瞬间骤升。 封锁后，系统有直流

侧短路向 短路过渡，至-=1.25 ； 系统进人稳定的三相短 。类似于三相短 ，系统

的负

桥臂电感，有功功率降为零，无功功率

18 Mvai•左右，交流 流有效值1400 A左右。

图7(a)至（？分别为FBSM-M

MC

发生直流侧

双极短路故 的直流

流、换流器有功功率、

无功功率及短 流侧电流波形。由3.2的分析可知，其短

的电流峰值与HBSM-MMC，5.5 kA 。不同的是，在封锁IG

BT

触

，子模块进人闭 ， 容即被充电，容压与交流

压峰值钳位后直流

短流被 ，换流器功率

流

流降为

。

o

6.5.4.3.2.1.§

*0.y

/

4

OQ

O-

(a)直流侧电流

10.8.6.4.2.0.-2.4.-6.

0

\"s

(b)换流器有功、无功功率

8.

6.4.2.0.-2.4.-6.-8.

Q960 L000 L040 L080 L120 L160 L200 L240 1.280 1.320 1.360

\"s

(c)交流侧A相电流

图7 FBSM-MMC双极短路故障时波形

3 8(a)至（？分别为CHSM-M

MC

发生直流

侧双极短路故障时的直流侧电流、换流器有功功 率、无功功率及短 流 流波形。由3.3的分析可知，其短路时的情况与FBSM-MMC

相同，是闭

，

短

流的时间比

第6期唐圣辉等:不同子模块MMC在中压直流配电网中的应用研究-47 -

FBSM-MMC

略长。为缩短

短路电流的时间，

需要增加MMC 桥型 的

，即

增加IG

BT

的数 获得短 的缩短，增大

计的 。

，综合考虑二者性价决定。

6..0

5..04..03..022..01)

0..0-1..0/0

­

4

(a)直流侧电流

Q960 1.000 1.040 L080 L120 1.160 1.200 L 240 L280 L320 L360

\"s

(c〇交流侧A相电流

图8 CHSM-MMC双极短路故障时波形

5结

总的来说，中压直流配电网中的换流器采用 MMC

将是一大趋势，M

MC

将以其低开关频率、高 形、总性

优势

压配直流配

网中获得良好的发展前景。基半桥和全桥混 合子模块结构的MMC (CHSM-MMC\"能在有效抑 直流侧短路故障的

大

减

关器

件的数量，综合了 HBSM

-M

MC和FBSM-M

MC二者

的优点。仿真结果表明，CHSM

-MMC

在理论上是

可行的，在对

、

可靠性

高

要求的中压直流配电网的换流 CHSM-MMC拓扑结构，将改变目前单一：块 的HBSM

-MMC

的直流 ，能

成本的前提下获得较高的性能。

对

要求越来越严格的中压直流配

域，广泛采用CHSM-M

MC

拓扑结构，能

的 和装置成本，获得 性

的升，也

改变目前工程

MMC

拓

扑结构过于单一的局面， 工程.中

探索有关MMC的应用。参考文献：

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电机工程学报，2013, 33(25): 9-19.[2] 郑欢，江道灼，杜翼.交流配电网与直流配电网的经济性比较

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隔离[D].重庆％重庆大学，2016.

(责任编辑：曾晶）

%

-48 -贵州大学学报（自然科学版)

第34卷

The Study of Different Sub-modules MMCinMedium-voltage

DC Distribution Systems Application

TANG Shenghui1 ,YUAN Xufeng1* ,TANG Li^ ,LI Ning1,ZHANG Tianwei^ ,TAN Zhukui2

(1. College of Electric Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China;

2. Guizhou Electric Power Research Institute, Guiyang 550002, China)

Abstract； The sub-module of modular multilevel converter ( MMC ) is its core component. Combined witli the broad prospect of MMCin the field of medium voltage DCdistribution systems $ half-bridge sub-module and full bridge sub-module structure of MMC were analyzed. Simplifying the equivalent circuit of MMC in DC-side bipolarshort circuit with

half-Bridge,

full-Bridge，hybrid

sub-module

structures respectively,

the

ability

trol t!ie DC short circuit faults were analyzed theoretically. Aiming at the three kinds of sub-module structure ofMMC，the correctness of the theoretical analysis was verified by the simulation of MMC system based on PSCAD

/ EMTDC. It is concluded that t!ie hybrid submodule structure MMC is technically

feasilDl

perior in medium voltage DC distrilDution systems，which can be used as a reference for t!ie selection of convertersubmodule topology in the future medium voltage DCdistribution systems.

Key words;modular multilevel converter (MMC);half-bridge sub-module (HBSM);full-bridge sub-module(FB- SM) ；cell-iiybrid sub-module ( CHSM) ；DC faults

(上接第42页)

Short-term Load Forecasting Model Based on EEMD and Extreme Learning Machine

ZHANG Ning*

(Department of Physics & Electronic Information, Minjiang University, Fuzhou 350108 ,China)

Abstract； Based on ensemble empirical mode decomposition (EEMD) and extreme learning machine (ELM) , a

met!iod for short-term load forecasting was proposed. Short-term load time series is adaptively decomposed by u­sing EEMD, based on

the

characteristics

of changes

in

different components of the

decomposition,

ment of ELM model to the corresponding forecast, and forecasting result of each component reconstruction to get the final prediction results. The practical example analysis shows

that

t!ie

prediction

accuracy of

t!ie

perior to single extreme learning machine model, single support vector machine model and neural networl^ model, and it verifies that the validity of the model is applied to short-term load forecast and feasibility.

Key words ； ensemble empirical mode decomposition ； extreme learning machine ； short-term power load forecas­ting； support vector machine； neural networl^