2.3 柔性直流换流阀拓扑结构

2.3.1 拓扑结构总述

1.半桥型模块化多电平换流器

2001年，德国Bundeswehr Munich大学的R.Marquardt和A.Lesnicar提出了模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）拓扑结构。MMC采用功率模块串联的方式构造换流阀，避免了大量器件的串联使用，降低了对器件开关动作一致性的要求。同时，特殊的调制方法决定了其可以在较低的开关频率（150～300Hz）下获得很高的等效开关频率，随着电平数的升高，输出波形接近正弦，可以省去交流滤波器。MMC巧妙的结构设计避开了两电平柔性直流输电需要器件串联、损耗高等主要缺陷，迅速受到工程和学术界的广泛关注。基于半桥功率模块的MMC已广泛应用于柔性直流输电领域并展现出明显的技术优势，世界上首个应用MMC技术的VSC-HVDC工程Trans BayCable于2010年3月在美国正式投运，世界首个高压大容量多端柔性直流输电工程——南澳多端柔性直流输电示范工程已于2013年12月投入运行，世界电压等级最高、容量最大的鲁西背靠背异步联网工程于2016年8月29日正式投运，柔性直流单元电压等级为±350kV，输送容量为1000MW。截至目前，世界上在建的或者规划的柔性直流输电工程基本上都采用模块化多电平结构。

半桥型MMC的拓扑结构如图2.6所示。当直流线路发生故障后，半桥型MMC换流阀的暂态电流发展分为两个阶段，即IGBT闭锁前和闭锁后。

IGBT闭锁前，换流阀等效电路如图2.7所示。在该阶段，功率模块通过导通的IGBT（图2.7中加圈的IGBT符号）向短路故障点放电，该放电电流上升率非常高，使换流阀桥臂电流在数微秒内即可超过IGBT的最大可重复关断电流，因此一般需要尽快闭锁换流阀，以确保IGBT能可靠关断，避免换流阀受损。

IGBT闭锁后的换流阀等效电路如图2.8所示。在该阶段，交流系统、功率模块反并联二极管、直流短路故障点构成通路（如图中加粗实线所示路径）。在该阶段，反并联二极管（图2.8中加圈的二极管）不但需要承受较大的短路电流应力，峰值一般达到十几千安，还必须具备承受足够的I²t能力。因此，该二极管均需要予以特殊设计，现有工程一般采用辅助晶闸管进行分流，或者增大该二极管的通流能力。

由于半桥型MMC在换流阀闭锁之后，交流系统依然可以通过反并联二极管向故障点馈入短路电流，因此必须跳开交流断路器来隔离交流电源和故障点之间的电气联系，以实现直流故障的清除和故障点绝缘恢复。在故障清除后的直流系统重启阶段，需要经历交流断路器合闸充电、启动电阻退出、换流阀解锁等阶段，时间较长，一般需要数分钟甚至几十分钟。

2.桥臂交替导通多电平换流器

桥臂交替导通多电平换流器（Alternate-Arm Multilevel Converter，AAMC），主要由IGBT串联组成的导通开关和全桥功率模块级联而成的整形电路两部分构成。根据整形电路和导通开关的具体布置形式不同，AAMC又可分为两种不同的形式。

第一种形式（AAMC-1）如图2.9所示，全桥功率模块和串联IGBT共同构成一个桥臂；稳态运行时导通开关循环交替导通或关断各个桥臂，通过投入或切除整形电路中的级联功率模块，使输出交流电压波形逼近所期望的正弦参考波。当直流侧发生故障时，换流器可通过产生与交流侧电压方向相反的电压以限制故障电流。

第二种形式（AAMC-2）如图2.10所示。与AAMC-1类似，稳态运行时AAMC-2导通开关循环交替导通或关断各个桥臂，通过投入或切除整形电路中的全桥功率模块，使输出交流电压波形逼近所期望的正弦参考波。当所有导通开关均导通时，换流器将重构为星形联结的STATCOM，可在直流故障期间向交流系统提供无功功率支持。关断导通开关和级联模块内所有IGBT可以实现换流器闭锁过程。因此AAMC-2具有三种工作模式，即正常运行模式、STATCOM模式和直流闭锁模式。

AAMC仅有整形电路具备模块化设计的特点。为了耐受直流电压，导通开关需要多个IGBT器件串联，需要解决IGBT间的均压难题。此外，为了实现整形电路功率模块电容的稳定控制，导通开关和整形电路需要相互协调配合运行，控制策略较为复杂。

3.全桥型模块化多电平换流器

全桥型MMC的拓扑结构如图2.11所示。与半桥型功率模块相比，其最大的优势在于运行更加灵活，可输出负电平。全桥型MMC的直流电压调节范围更广，能够实现直流电压在负的额定值和正的额定值之间连续平滑升降，可满足远距离直流输电70%、80%甚至更低降电压运行以及直流故障后的快速降电压重启需求。

在闭锁状态下，全桥型MMC的等效电路如图2.12所示。以A、C相为例，此时无论在正向桥臂电流还是反向桥臂方向下，施加在二极管VD₁～VD₄阳阴极两端的电压为

ΔU_diode=U_{ac_peak}-2U_C

式中，U_{ac_peak}为交流线电压的峰值；U_C为全桥型MMC每个桥臂所有功率模块的电容电压总和。在换流站主回路参数设计阶段，一般满足U_{ac_peak}小于0.866U_C，因此二极管VD₂和VD₃会由于承受反电压而截止。正是由于这种特性，全桥型MMC具备直流故障自清除能力。

全桥型MMC利用自身的闭锁特性，在闭锁状态下提供与交流电源电压极性相反的反电动势，促进直流故障电流的快速衰减。整个过程不需要跳开交流断路器，没有机械开关操作，因此故障清除速度较快。在直流系统重启阶段，重新解锁换流器，逐步建立直流电压，该过程也无须机械开关操作，因此可以实现快速重启。

需要说明的是，由于全桥型MMC的直流电压能够在负的额定值和正的额定值之间连续平滑升降，因此全桥型MMC在保证其交流侧输出电压能力的前提下，换流器直流侧的电压输出特性基本可以做到和LCC换流器一致，实现柔性直流无闭锁的直流故障清除和再启动。

4.类全桥型模块化多电平换流器

类全桥型MMC遵循了MMC的拓扑结构特点，其区别仅仅是功率模块的拓扑结构有所改变。类全桥型MMC功率模块的拓扑结构如图2.13所示。与全桥功率模块相比，类全桥功率模块需要的IGBT数量少了1个，这带来成本上的优势。但是，由于配置上少了一个IGBT，类全桥型MMC无法输出负电平，因此其直流电压调节能力与半桥型MMC一致。在闭锁模式下，类全桥功率模块与全桥功率模块等效电路一致，具有相同的故障清除能力。

需要说明的是，类全桥型MMC必须利用自身的闭锁特性，在闭锁状态下提供与交流电源电压极性相反的反电动势，才能实现直流故障电流的快速衰减。在直流系统重启阶段，需要重新解锁换流器，然后逐步建立直流电压。

5.箝位双子模块型模块化多电平换流器

箝位双子模块型MMC也遵循了MMC的拓扑结构，其区别仅仅是功率模块的拓扑结构不同。箝位双子模块型MMC的功率模块拓扑结构如图2.14所示。在正常工作模式下，VT₅处于恒导通模式，此时箝位双子模块具有与半桥功率模块相同的工作特性，只是其输出是3个电平：0、+U_C、+2U_C。

图2.15所示为箝位双子模块的闭锁模式。与全桥功率模块一样，在换流器闭锁模式下，无论故障电流方向如何，其对于闭锁后的模块电容而言都处于充电状态。但是与全桥不同的是，正向桥臂电流下换流器提供的反电动势是负向桥臂电流时的一半，这使得箝位双子模块型MMC的故障清除速度略慢于全桥型MMC。

在闭锁状态下，箝位双子模块型MMC的等效电路如图2.16所示。以A、C相为例，在正向桥臂电流下，施加在二极管VD₁、VD₄、VD₆和VD₇阳阴极两端的电压为

ΔU_diode=U_{ac_peak}-2U_C

在负向桥臂电流下，施加在二极管VD₂、VD₃和VD₅阳阴极两端的电压为

ΔU_diode=U_{ac_peak}-4U_C

式中，U_{ac_peak}为交流线电压的峰值；U_C为箝位双子模块型MMC每个桥臂所有功率模块电容电压总和的一半。在换流站主回路参数设计阶段，一般满足U_{ac_peak}小于1.732U_C，因此，无论正向桥臂电流还是反向桥臂电流，二极管VD₁～VD₇均会由于承受反电压而截止。正是由于这种特性，箝位双子模块型MMC具备直流故障自清除能力。

需要说明的是，箝位双子模块型MMC也必须利用自身的闭锁特性，在闭锁状态下提供与交流电源电压极性相反的反电动势，才能实现直流故障电流的快速衰减。在直流系统重启阶段，需要重新解锁换流器，然后逐步建立直流电压。

6.半电压箝位型模块化多电平换流器

半电压箝位型MMC也遵循了MMC的拓扑结构，其功率模块拓扑结构如图2.17所示，其中C₁=C₂=2C_d，U_C1=U_C2=0.5U_C。正常运行时，VT₃始终开通，VD₄始终截止。VT₃和VD₃轮流导通，形成桥臂电流通路。在正常运行下，半电压箝位功率模块的工作方式与半桥功率模块基本一致，其输出是两个电平：0和+U_C。

图2.18所示为半电压箝位功率模块的闭锁模式。与全桥功率模块一样，在换流器闭锁模式下，无论故障电流方向如何，其对于闭锁后的模块电容而言都是充电。但是与全桥不同的是，正向桥臂电流下换流器提供的反电动势是负向桥臂电流时的两倍，这使得半电压箝位型MMC的故障清除速度略慢于全桥型MMC。

在闭锁状态下，半电压箝位型MMC的等效电路如图2.19所示。以A、C相为例，在正向桥臂电流下，施加在二极管VD₁和VD₃阳阴极两端的电压为

ΔU_diode=U_{ac_peak}-2U_C

在负向桥臂电流下，施加在二极管VD₂和VD₄阳阴极两端的电压为

ΔU_diode=U_{ac_peak}-U_C

式中，U_{ac_peak}为交流线电压的峰值；U_C为半电压箝位型MMC每个桥臂所有功率模块电容电压总和。在换流站主回路参数设计阶段，一般满足U_{ac_peak}小于0.866U_C，因此，无论正向桥臂电流还是反向桥臂电流，二极管VD₁～VD₄均会由于承受反电压而截止。正是由于这种特性，半电压箝位型MMC具备直流故障自清除能力。

需要说明的是，半电压箝位型MMC也必须利用自身的闭锁特性，在闭锁状态下提供与交流电源电压极性相反的反电动势，才能实现直流故障电流的快速衰减。在直流系统重启阶段，需要重新解锁换流器，然后逐步建立直流电压。

在正常运行过程中，由于电容C₁和C₂串联运行，因此半电压箝位型MMC需要辅助均压回路来实现功率模块内部C₁和C₂的电压平衡控制。这可以通过简单的电阻均压硬件电路来保证电压均衡，无须设计电压均衡控制策略。

7.混合型模块化多电平换流器

混合型MMC也遵循了MMC的拓扑结构，其每一个桥臂的功率模块都由一部分半桥功率模块和一部分全桥功率模块混联而成，如图2.20所示。

混合型MMC的直流故障清除能力、降电压运行能力与全桥功率模块的占比相关，全桥功率模块占比越高，直流故障清除能力越好，降电压运行能力越强。

全桥功率模块的占比设计需要考虑以下约束条件：为满足换流器实现直流线路故障自清除，全桥功率模块占比不低于λ₁；在换流器直流电压平滑调节过程中，半桥和全桥功率模块能够实现均压，换流器可以保持稳定运行，此时全桥功率模块占比不低于λ₂。全桥功率模块的占比最终应该取λ₁和λ₂较大值。λ₁和λ₂可通过以下依据近似计算（m_N为换流器额定调制比，m_dc为降电压运行值）：

根据上述依据，满足直流故障自清除条件的全桥功率模块最低占比与额定调制比正相关，m_N越大，所需全桥比例越高；在换流器特定的降电压运行工况下，m_N越大，所需全桥比例越高。在换流站主参数设计阶段，为了实现直流电压的最大化利用，降低换流器输出电压和电流的谐波含量，需要将换流器的额定调制比设计在较高水平，一般为0.85～1。对于混合型MMC或者全桥型MMC，由于全桥功率模块的负电平输出能力，额定调制比还可以更高，实现过调制运行。假设额定调制比等于1，则根据上述依据，满足直流故障自清除条件的全桥功率模块最低占比的理论值为43.3%，考虑8%的冗余设计需求，建议全桥功率模块的最终占比不低于49%。

对于单个阀组的在线投退、50%甚至更低的降电压运行等技术需求，全桥功率模块占比应满足λ₂取值。假设额定调制比等于1，则根据上述依据，为了满足半桥和全桥功率模块的均压控制，全桥功率模块占比λ₂的理论值不应该低于75%。考虑系统电压波动、冗余设计等需求，建议全桥功率模块的最终占比不低于80%。

需要说明的是，混合型MMC的拓扑结构是非对称的。在不控启动阶段的预充电过程中，半桥功率模块的充电时间是全桥功率模块的一半，其充电后的电压值仅能达到全桥功率模块的一半，因此半桥功率模块的取能电源的最小直流电压要求应该在设计时予以充分考虑。此外，在单阀组在线投入的工况下，混合型MMC换流阀直流侧的隔离开关不能全部闭合。因为全部闭合会造成混合型MMC直流短路，导致半桥功率模块无法顺利预充电。

此外，半桥功率模块和全桥功率模块在实际工作中的损耗是不一样的，功率器件的电流应力有所差异，其开关频率也有所不同，因此其水冷回路应该差异化设计，以控制IGBT结温在相同水平。

在运行维护方面，建议半桥和全桥功率模块物理位置固定，备品备件各自按照相同比例配置，按相同类型更换。

8.二极管阻断型模块化多电平换流器

二极管阻断型MMC与半桥型MMC的主要区别在于直流母线增加一组二极管阀，如图2.21所示。在正常运行时，其运行特性与半桥型MMC完全一致。在发生直流故障时，由于二极管的单相导通性，该方案可以实现直流故障的清除，但是其直流功率只能单向传输。在换流阀技术要求方面，该方案与半桥型MMC一致。

9.直流断路器

采用直流断路器阻隔直流故障电流是近年来逐步发展起来的技术路线，其核心问题是高压直流断路器装备。国内外有多家单位正在研究和开发机械式、混合式高压直流断路器。ABB公司于2011年提出了一种混合式高压直流短路器的设计方案，目标电压为320kV，目标电流为2kA，开断电流时间为5ms，并造出了一台80kV的样机。国内目前已研制出能在3ms内开断电流为25kA、电压为535kV的混合式直流断路器样机，以及在3ms内开断电流为25kA、电压为535kV的机械式直流断路器。在高压直流输电工程中，直流断流器的拓扑结构、电压等级、开断能力等技术参数还有待进一步提高。

2.3.2 不同拓扑结构的技术特性对比

根据2.3.1节论述，技术可行的能够应用于乌东德工程的柔性直流换流器拓扑结构主要有半桥型MMC、全桥型MMC、类全桥型MMC、箝位双子模块型MMC、半电压箝位型MMC、混合型MMC和二极管阻断型MMC。表2.4所示为不同拓扑结构的技术特性对比。

在直流线路故障自清除能力方面，除了半桥型MMC之外，其余拓扑结构均能够阻断交流系统和直流故障点的电流通路，起到自清除直流故障的作用，可以满足乌东德工程远距离架空线送电的要求。

在快速降电压重启动、降电压运行方面，由于半桥功率模块不具备输出负向电压的能力，二极管阻断型MMC、类全桥型MMC、箝位双子模块型MMC和半电压箝位型MMC的电压调节范围较小，换流站不具备单阀组在线投退能力。在广东或者广西侧功率反送云南侧的工况下，由于直流电压需要反转极性，而换流器本身不具备此功能，因此直流侧需要安装对应的倒接线开关。

对于全桥型MMC来说，其直流电压可以在-1.0 p.u.～1.0 p.u.之间连续可调，换流器可以满足单阀组在线投退的功能需求。在广东或者广西侧功率反送云南侧的工况下，由于换流器本身具备反转直流电压极性的功能，因此直流侧不需要安装对应的倒接线开关。

对于混合型MMC来说，其直流电压可以在0～1.0 p.u.之间连续可调，换流器可以满足单阀组在线投退的功能需求。此外，混合型MMC具备一定的直流电压反转能力。在广东或者广西侧功率反送云南侧的工况下，直流额定电压与所采取方法有关：

1）如果在直流侧增加对应的倒接线开关，则可以实现全电压功率反送。

2）如果凭借换流器本身反转直流电压极性的能力，功率反送时直流电压的额定值与全桥功率模块的占比相关，具体如下：

50%比例时，无法实现；

60%比例时，-0.14 p.u.；

70%比例时，-0.35 p.u.；

80%比例时，-0.57 p.u.；

90%比例时，-0.78 p.u.；

100%比例时，-1.0 p.u.。

2.3.3 不同拓扑结构的经济性对比

1.成本投资

对于一个特定的设计案例来说，不同拓扑结构的成本投资差异主要体现在换流阀上。功率模块是换流阀的基本单元，它的形式决定了换流阀的成本。而在一个功率模块中，IGBT器件及其驱动、二极管、直流电容器则占据主要成本。因此，对大型柔直输电工程而言，不同拓扑结构的成本差异主要体现在所需要的IGBT及其驱动、二极管的数量上。

需要说明的是，对于半电压箝位型MMC来说，IGBT VT₃通流需求与VT₁和VT₂一致，但是其耐压需求仅为VT₁和VT₂的一半。当VT₁和VT₂选择4500V的IGBT时，VT₃需选取3300V的IGBT；当VT₁和VT₂选择3300V的IGBT时，VT₃需选取1700V的IGBT。在乌东德工程实例中，半电压箝位型MMC的VT₁和VT₂需要选用4500V/3000A的IGBT，目前世界上ABB公司、东芝公司、Westcode公司均有成熟产品；VT₃选用3300V/3000A的IGBT即可，但是世界范围内还未有成熟产品可供选择，因此VT₃在现阶段的具体实施中还需要选取4500 V/3000A的IGBT。如此一来，其成本将和类全桥型MMC一致。

表2.5所示为不同拓扑结构所需功率器件数量对比。以换流器的一个桥臂为单位进行对比，假设一个桥臂的输出电平数为0～100。

根据表2.5，不同柔性直流拓扑结构的成本投资由低到高的顺序为半桥型MMC、二极管阻断型MMC、箝位双子模块型MMC、半电压箝位型MMC、类全桥型MMC、混合型MMC（全桥80%）和全桥型MMC。

2.损耗水平

柔性直流换流阀的损耗主要分为导通损耗和开关损耗。导通损耗主要与IGBT的通流水平正相关；开关损耗主要与IGBT的开关频率密切相关，开关频率越高，开关损耗越高。MMC可以工作在较低开关频率下，一般为100～300 Hz。根据本节的分析，从技术上讲，混合型MMC和全桥型MMC的运行更加灵活，技术特性更符合乌东德工程应用需求。

2.3.4 结论

1）在直流线路故障清除方面，除半桥型MMC外，其余拓扑结构均满足乌东德工程架空线输电的要求。由于全桥型MMC在正向、反向电流方向下均能提供最大的反电动势支撑，因此其直流线路故障清除速度最快。

2）为提高系统运行灵活性，与送端LCC降电压运行、快速降电压重启、阀组投退功能等相互匹配，可以采用全桥型MMC、混合型MMC（全桥占比80%以上）。

3）综合考虑技术经济性，推荐乌东德工程优先采用混合型MMC，全桥功率模块占比不低于80%；其次为全桥型MMC。