2.2.3 仿真验证及经济性分析

为更有效验证所提VAI-MMC降低子模块电容电压纹波的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了双端MMC柔性直流输电系统仿真模型。系统参数见表2-1。

为最大限度实现子模块电容电压纹波的降低，这里以L_arm1/L_arm2的比值作为自变量进行桥臂各部分电感参数值的选取（比值越大，对交流基波电流在MMC同一相上、下桥臂的分配影响越大），VAI-MMC方案中的L_arm1和L_arm2参数选取过程见表2-2。

表2-2中，Δu_C为子模块电容电压纹波峰峰值之差，I_armrms为桥臂电流的有效值。从表2-2中得到，当L_arm1/L_arm2=1000时，Δu_C最小，且此时I_armrms相对于其他组参数值增加不多。因此选取L_arm1=0.1499H，L_arm2=0.0001H作为VAI-MMC桥臂电感数值。

为验证VAI-MMC方案在子模块电容电压纹波降低上的效果，将其与非降容运行状态下的传统MMC方案以及投入环流抑制控制器（circulating current suppressing controller, CCSC）方案[3]进行对比分析。3种方案的每个桥臂中电感值均为0.15H。

子模块电容电压波动变化率ε依据式（2-9）进行：

式中，u_Cr1为加入降容方案后的子模块电容电压纹波峰峰值（波峰、波谷的差值），u_Cr2为对照工况下子模块电容电压纹波峰峰值。

不同工况下的MMC降容效果的验证结果如图2-4所示，分别将无降容控制措施、CCSC控制、VAI-MMC拓扑在同等系统参数与工况下的电容电压波动曲线进行对比。

整流工况下，CCSC方案ε为18.4%，而未采用其他辅助降容控制的VAI-MMC拓扑方案的投入后ε为31.5%。逆变工况下，在CCSC投入后ε为21%，而采用VAI-MMC拓扑方案后ε为39%。通过以上对比可知，VAI-MMC拓扑方案在子模块电容电压纹波抑制方面比CCSC方案更有优势。

经济性对比方面，将CCSC方案和VAI-MMC拓扑方案进行对比分析。本节所选用的器件型号如下：晶闸管型号为T2871N80TOH，其参数为8kV/2.6kA，厂商为英飞凌公司；IGBT型号为5SNA 1500E330305，参数为3.3kV/1.5kA，厂商为ABB公司。

造价对比分析：CCSC方案采用纯控制的方法达到抑制环流来降低子模块电容电压波动，其仅需要额外消耗计算资源即可实现子模块电容电压波动峰峰值降低18.4%以上。

对于VAI-MMC方案，所选晶闸管可承受90kA、持续时间为10ms的冲击电流。为了提高可靠性，考虑电压安全裕度，将晶闸管安全承压设计值以4kV来进行计算。

由于所提方案下桥臂电感L_arm2承压极值为50kV，考虑安全余量可设计承压为80kV的投切开关，所以每个桥臂所需晶闸管数量为20×2=40个，整个VAI-MMC共需240个晶闸管及相应的晶闸管串联均压电路，为防止故障情况的过电压，每组晶闸管均需额外配置保护电压为80kV的避雷器。另外，由于桥臂电感L_arm2在晶闸管导通的过程中被旁路掉，投入时间得以减少，电流的热效应也得以缓解，因此可选择额定电流较低的电感以降低成本。VAI-MMC方案与CCSC方案的经济性对比见表2-3。

VAI-MMC方案相比于CCSC方案能够进一步降低约16%的电容电压纹波，从而进一步降低子模块电容容值。考虑到电容体积和重量在子模块中占比较大，有效地降低电容值能够从一定程度上实现柔性直流换流阀的轻型化。以仿真算例为例，VAI-MMC虽会额外使用240个晶闸管及480个避雷器，但由于换流器子模块数量众多（仿真模型为2400个子模块（不含冗余）），电容容值的有效降低可大幅降低整个换流器的体积和重量。

损耗分析：换流器损耗作为一个重要的经济指标，损耗的主要来源是IGBT、二极管和晶闸管（VAI-MMC中ISM）中的开关损耗与通态损耗。通过计算得到不同方案下MMC损耗对比如图2-5所示。

图2-5中，VAI-MMC方案中换流器通态损耗为6.81MW，开关损耗为7.14MW，该方案下晶闸管投切新增的损耗占换流器总损耗的1.9%。由图可知VAI-MMC方案下的换流器损耗比非降容运行方案的总损耗低约0.4%，比CCSC方案的损耗高约1.8%。可通过三倍频电压注入提高调制比来降低VAI-MMC的损耗。

经上述分析可知：VAI-MMC方案相对于CCSC方案虽会额外增加换流器的损耗，但可有效降低换流器的体积和重量，可应用在一些对换流器体积/重量比较苛刻的场景（如海上换流器）。