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摘要：高压直流输电技术的发展是基于电压源型换流器（VSC）技术的发展和成熟，目前较为常见的VSC结构为模块化多电平换流器（MMC）。本文提出了一种新型MMC结构，即混合式MMC，该结构由全桥子模块和半桥子模块按照一定比例混合而成，因此，具备良好的故障阻断性能和经济性能。本文通过等效电路图对混合MMC比例进行推导[4]，得出了合理调整换流器中全桥子模块和半桥子模块的比例，并用PSCAD软件搭建模型进行验证，结果表明该比例的正确性，研究成果对实际工程具有一定的借鉴意义。
关键词：柔性直流输电;混合型MMC;故障阻断;子模块比例
引言
我国一次能源地理分布不均，能源主要分布在西部，而主要负荷分布在东部沿海，因此需要远距离输电;我国存在众多岛屿，需要海底电缆送电。随着人们对环境问题的日益重视，大城市的供电走廊也有限。HVDC由于在远距离输电的成本和此特殊环境（背靠背、地下、海底等）中的优势而得到应用[1]。
高压直流输电面对传统交流用户时，需要实现交直流之间的电能转换。为实现这种转换，HVDC系统需要一个电子换流器，目前这种三相换流器有两种基本结构，即：电流源换流器（CSC）和电压源换流器（VSC）[3]。本文所提出的混合式MMC是基于VSC进行研究的。
直流侧故障是换流站设计运行必须考虑的严重故障类型，对设备参数、 控制策略和保护配置具有重要影响。未来随着风电、光伏等清洁新能源并网、超大型城市群输配电增容改造、海上多孤立负荷送电的需求，多端VSC- HVDC的发展成为一种趋势，如何处理直流故障同样是工程实践中需要考虑的关键问题。本文围绕这个问题展开研究，寻找直流侧故障阻断的方案。
1模块化多电平换流器（MMC）
1.1半桥子模块（HBSM）
由于半桥子模块损耗小、成本低，目前大部分MMC-HVDC工程所采用的子模块拓扑都为HBSM，其拓扑结构如图1.1所示[1]。图中iSM为流入子模块的电流，USM为半桥子模块的输出电压，Uc为电容电压。图中共有4个电力电子管，稳态时有且仅有一个管子导通，其余关断，可以通过控制图中IGBT的导通条件控制管子投入的状态实现子模块的投入或切除。
1. 2全桥子模块（FBSM）
全桥子模块的拓扑结构如图1.2所示。稳态运行情况下，输出电平有三种可能，分别是：Uc（T1、T4导通）、-Uc（T2、T3导通）、0（T1、T2导通或T3、T4导通）。为了使IGBT的损耗和开关频率尽可能地平均，当全桥子模块输出0电平时，应可能地使不同组合的IGBT轮换导通。
2直流侧故障诊断特性
2.1半桥
当直流侧发生故障后，MMC进入闭锁状态[2]。此时，图1.4中的T1、T2都处于关断状态，D1或者D2处于导通状态。直流侧故障能否隔离取决于反并联二极管D1和D2哪一个导通，若D1导通，电流经过D1向电容器充电，若D2导通，电流经过D2将电容器旁路，直流侧故障通过D2传输到交流侧，电流通路如图2.1所示，表明直流侧故障未被隔离，半桥MMC子模块不完全具备直流侧故障阻断的能力。
2.2全桥
当直流侧发生故障后，MMC进入闭锁状态。此时，图1.5中的T1、T2、T3、T4都处于关断状态，D1和D4或者D2和D3处于导通状态。若D1、D4导通，电流向电容器充电，若D2、D3导通，电流向电容充电，电流通路如图2.2所示，表明直流侧故障被隔离，全桥MMC子模块具备直流侧故障阻断的能力。
3混合式子模块MMC研究
目前应用于实际工程中的MMC子模块多为半桥拓扑结构，其在正常工作状态下其具有良好的输出特性，但因其无法阻断直流侧故障电流使其在应用推广方面受到了一定的阻碍。与之对应的全桥子模块MMC具备直流故障阻断能力，但其控制复杂、所用功率器件数是半桥子模块的两倍。考虑到全二者的互补性，将其按照一定比例混合，研究一种混合式子模块MMC，既能降低MMC制造成本及控制器的设计难度，又能使MMC具备直流侧故障电流的阻断能力。
3.1 混合型MMC的比例推导
假设交流侧相电压有效值为Us，直流侧电压为Udc，线电压幅值为UAB，且UAB=Us。由H-MMC的拓扑结构如图3.1可知，混合型MMC有A、B、C三相，每相由上下两个桥臂组成，其等效电路图如图3.2所示。假设每个桥臂有N个子模块，其中HBSM有M个，则FBSM有（N-M）个。定义为混合型MMC的比例，则：
μ=N-M/N（1）
假设各个电容完全一样，则正常运行时子模块电容均压后的电压为：
UC =Udc/N（2）
当直流侧发生短路故障时，混合式MMC的子模块进行闭锁，闭锁后进入全桥子模块电容充電阶段，图3.3即为全桥子模块电容充电阶段的等效电路图。其中Ca_upper为A相上桥臂所有FBSM电容串联等效电容，Cb_lower为B相下桥臂所有FBSM电容串联等效电容。
根据前面所述全桥、半桥直流侧故障发生时的特性，可知当混合型MMC直流侧发生故障时，回路中只有FBSM电容，且数量为2（N-M）个，根据H-MMC故障分析结果可知，当FBSM电容充电结束后，表示直流侧故障被隔离。用等效电路图分析可知，忽略FBSM电容的不均一性，当FBSM电容电压满足式（3）时，二极管正向导通截止，故障被隔离。
当只有2（N-M）个电容充电电压达到Ujc时，故障被隔离，将混合型MMC的比例引入式（4），可以得到：
（5）
由上式可知，与交流侧相电压有效值、混合型MMC的比例密切相关。要使不高于FBSM的正常运行电压，则：
（6）
即： （7） 当混合型MMC的全桥比例满足式（7）时，当直流侧发生故障后，FBSM的电容充电电压达到Ucj，且小于正常运行时的均压电压Uc时，直流侧故障就被隔离。定义为全桥子模块极限比例，当μ<μx时，H-MMC不能够隔离治理侧故障;当μ>μx，H-MMC具有隔离故障的能力，且进一步增加FBSM，使成本增加，对故障隔离的能力没有影响。
4仿真分析
4.1模型搭建
本文通过PSCAD上搭建交流10 kV电网，如图4.1所示，经三相电力变压器降压后与MMC换流器相连，每个桥臂包含20个子模块，根据MMC的工作原理，该MMC交流侧电压波形为21个电平。直流电压，交流侧电压有效值为。根据上述推导的公式（7），可算得该模型的FBSM比例为：
（10）
可得出该模型的FBSM有7个，HBSM有13个。
4.2 仿真对比与分析
（1）当η=0时，半桥子模块数量为20个，全桥子模块为零，将故障点设置在直流侧：根据图4.2和4.3可知，当H-MMC中子模块全部为半桥时，直流侧不具备故障阻断能力。
（2）当时，由7个全桥子模块和13个半桥子模块组成，将故障点设置在直流侧：根据图4.3和4.4可知，此时直流侧具备故障阻断能力。当短路发生时，故障点电流可快速被阻断，降低为零，当故障消失时，故障点电流可迅速恢复到正常值。
5结论
HVDC作为电气工程领域的发展趋势，换流器的研究对其发展十分重要。本文介绍了各种换流器的拓扑结构和运行方式，分析了各种换流器的优缺点;同时结合当前直流侧故障阻断能力这一热点话题，详细分析了直流侧故障阻断特性，根据FBSM隔离直流侧短路故障的能力以及HBSM的经济性，将两者结合设计了混合式子模块的MMC，并通过电路图的分析，详细推导了全桥子模块和半桥子模块的临界比例。当全桥子模块和半桥子模块的比例小于时，直流侧不具备故障阻断能力;当全桥子模块和半桥子模块的比例大于时，直流侧具备故障阻断能力，增大，可增强直流侧故障阻断性能，但继续增大，对换流器故障隔离能力的影响不大，反而会大幅增加成本。因此在实际工程应用中，应结合具体情况选择合适的比例，做到使换流器既具有良好的故障阻断能力，又实现系统的经济性。
参考文献
[1] 常 非，杨中平，林 飞. 具备直流故障清除能力的 MMC 多电平子模块拓扑[J]. 高电压技术，2017，43（1）：44-49.
[2] 唐 庚，徐 政，薛英林，等. 基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电控制系统设计[J]. 高电压技术，2013，39（11）：2773-2782.
[3] 吴学智，武 文，荆 龙，等. MMC 子模块故障运行特性分析与容错控制策略研究[J]. 高电压技术，2016，42（10）：3083-3091.
[4] 刘高任，许 烽，徐 政，等. 适用于直流电网的组合式高压直流断路器[J]. 电网技术，2016，40（1）：70-77.
[5] 孔 明，汤广福，贺之渊. 子模块混合型 MMC-HVDC 直流故障穿越控制策略[J]. 中國电机工程学报，2014，34（30）：5343-5351.
[6] ZENG R， XU L， YAO L， et al. Design and operation of a hybrid modular multilevel converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2015， 30（3）： 1137-1146.
[7]于 洋，葛琼璇，雷 鸣，等. 模块化多电平变流器的低频控制策略[J]. 高电压技术，2017，43（4）：1160-1167.
[8] 杨晓峰，郑琼林，薛 尧，等. 模块化多电平换流器的拓扑和工业应用综述[J]. 电网技术，2016，40（1）：1-10.kjycx@188.com
关键词：柔性直流输电;混合型MMC;故障阻断;子模块比例
引言
我国一次能源地理分布不均，能源主要分布在西部，而主要负荷分布在东部沿海，因此需要远距离输电;我国存在众多岛屿，需要海底电缆送电。随着人们对环境问题的日益重视，大城市的供电走廊也有限。HVDC由于在远距离输电的成本和此特殊环境（背靠背、地下、海底等）中的优势而得到应用[1]。
高压直流输电面对传统交流用户时，需要实现交直流之间的电能转换。为实现这种转换，HVDC系统需要一个电子换流器，目前这种三相换流器有两种基本结构，即：电流源换流器（CSC）和电压源换流器（VSC）[3]。本文所提出的混合式MMC是基于VSC进行研究的。
直流侧故障是换流站设计运行必须考虑的严重故障类型，对设备参数、 控制策略和保护配置具有重要影响。未来随着风电、光伏等清洁新能源并网、超大型城市群输配电增容改造、海上多孤立负荷送电的需求，多端VSC- HVDC的发展成为一种趋势，如何处理直流故障同样是工程实践中需要考虑的关键问题。本文围绕这个问题展开研究，寻找直流侧故障阻断的方案。
1模块化多电平换流器（MMC）
1.1半桥子模块（HBSM）
由于半桥子模块损耗小、成本低，目前大部分MMC-HVDC工程所采用的子模块拓扑都为HBSM，其拓扑结构如图1.1所示[1]。图中iSM为流入子模块的电流，USM为半桥子模块的输出电压，Uc为电容电压。图中共有4个电力电子管，稳态时有且仅有一个管子导通，其余关断，可以通过控制图中IGBT的导通条件控制管子投入的状态实现子模块的投入或切除。
1. 2全桥子模块（FBSM）
全桥子模块的拓扑结构如图1.2所示。稳态运行情况下，输出电平有三种可能，分别是：Uc（T1、T4导通）、-Uc（T2、T3导通）、0（T1、T2导通或T3、T4导通）。为了使IGBT的损耗和开关频率尽可能地平均，当全桥子模块输出0电平时，应可能地使不同组合的IGBT轮换导通。
2直流侧故障诊断特性
2.1半桥
当直流侧发生故障后，MMC进入闭锁状态[2]。此时，图1.4中的T1、T2都处于关断状态，D1或者D2处于导通状态。直流侧故障能否隔离取决于反并联二极管D1和D2哪一个导通，若D1导通，电流经过D1向电容器充电，若D2导通，电流经过D2将电容器旁路，直流侧故障通过D2传输到交流侧，电流通路如图2.1所示，表明直流侧故障未被隔离，半桥MMC子模块不完全具备直流侧故障阻断的能力。
2.2全桥
当直流侧发生故障后，MMC进入闭锁状态。此时，图1.5中的T1、T2、T3、T4都处于关断状态，D1和D4或者D2和D3处于导通状态。若D1、D4导通，电流向电容器充电，若D2、D3导通，电流向电容充电，电流通路如图2.2所示，表明直流侧故障被隔离，全桥MMC子模块具备直流侧故障阻断的能力。
3混合式子模块MMC研究
目前应用于实际工程中的MMC子模块多为半桥拓扑结构，其在正常工作状态下其具有良好的输出特性，但因其无法阻断直流侧故障电流使其在应用推广方面受到了一定的阻碍。与之对应的全桥子模块MMC具备直流故障阻断能力，但其控制复杂、所用功率器件数是半桥子模块的两倍。考虑到全二者的互补性，将其按照一定比例混合，研究一种混合式子模块MMC，既能降低MMC制造成本及控制器的设计难度，又能使MMC具备直流侧故障电流的阻断能力。
3.1 混合型MMC的比例推导
假设交流侧相电压有效值为Us，直流侧电压为Udc，线电压幅值为UAB，且UAB=Us。由H-MMC的拓扑结构如图3.1可知，混合型MMC有A、B、C三相，每相由上下两个桥臂组成，其等效电路图如图3.2所示。假设每个桥臂有N个子模块，其中HBSM有M个，则FBSM有（N-M）个。定义为混合型MMC的比例，则：
μ=N-M/N（1）
假设各个电容完全一样，则正常运行时子模块电容均压后的电压为：
UC =Udc/N（2）
当直流侧发生短路故障时，混合式MMC的子模块进行闭锁，闭锁后进入全桥子模块电容充電阶段，图3.3即为全桥子模块电容充电阶段的等效电路图。其中Ca_upper为A相上桥臂所有FBSM电容串联等效电容，Cb_lower为B相下桥臂所有FBSM电容串联等效电容。
根据前面所述全桥、半桥直流侧故障发生时的特性，可知当混合型MMC直流侧发生故障时，回路中只有FBSM电容，且数量为2（N-M）个，根据H-MMC故障分析结果可知，当FBSM电容充电结束后，表示直流侧故障被隔离。用等效电路图分析可知，忽略FBSM电容的不均一性，当FBSM电容电压满足式（3）时，二极管正向导通截止，故障被隔离。
当只有2（N-M）个电容充电电压达到Ujc时，故障被隔离，将混合型MMC的比例引入式（4），可以得到：
（5）
由上式可知，与交流侧相电压有效值、混合型MMC的比例密切相关。要使不高于FBSM的正常运行电压，则：
（6）
即： （7） 当混合型MMC的全桥比例满足式（7）时，当直流侧发生故障后，FBSM的电容充电电压达到Ucj，且小于正常运行时的均压电压Uc时，直流侧故障就被隔离。定义为全桥子模块极限比例，当μ<μx时，H-MMC不能够隔离治理侧故障;当μ>μx，H-MMC具有隔离故障的能力，且进一步增加FBSM，使成本增加，对故障隔离的能力没有影响。
4仿真分析
4.1模型搭建
本文通过PSCAD上搭建交流10 kV电网，如图4.1所示，经三相电力变压器降压后与MMC换流器相连，每个桥臂包含20个子模块，根据MMC的工作原理，该MMC交流侧电压波形为21个电平。直流电压，交流侧电压有效值为。根据上述推导的公式（7），可算得该模型的FBSM比例为：
（10）
可得出该模型的FBSM有7个，HBSM有13个。
4.2 仿真对比与分析
（1）当η=0时，半桥子模块数量为20个，全桥子模块为零，将故障点设置在直流侧：根据图4.2和4.3可知，当H-MMC中子模块全部为半桥时，直流侧不具备故障阻断能力。
（2）当时，由7个全桥子模块和13个半桥子模块组成，将故障点设置在直流侧：根据图4.3和4.4可知，此时直流侧具备故障阻断能力。当短路发生时，故障点电流可快速被阻断，降低为零，当故障消失时，故障点电流可迅速恢复到正常值。
5结论
HVDC作为电气工程领域的发展趋势，换流器的研究对其发展十分重要。本文介绍了各种换流器的拓扑结构和运行方式，分析了各种换流器的优缺点;同时结合当前直流侧故障阻断能力这一热点话题，详细分析了直流侧故障阻断特性，根据FBSM隔离直流侧短路故障的能力以及HBSM的经济性，将两者结合设计了混合式子模块的MMC，并通过电路图的分析，详细推导了全桥子模块和半桥子模块的临界比例。当全桥子模块和半桥子模块的比例小于时，直流侧不具备故障阻断能力;当全桥子模块和半桥子模块的比例大于时，直流侧具备故障阻断能力，增大，可增强直流侧故障阻断性能，但继续增大，对换流器故障隔离能力的影响不大，反而会大幅增加成本。因此在实际工程应用中，应结合具体情况选择合适的比例，做到使换流器既具有良好的故障阻断能力，又实现系统的经济性。
参考文献
[1] 常 非，杨中平，林 飞. 具备直流故障清除能力的 MMC 多电平子模块拓扑[J]. 高电压技术，2017，43（1）：44-49.
[2] 唐 庚，徐 政，薛英林，等. 基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电控制系统设计[J]. 高电压技术，2013，39（11）：2773-2782.
[3] 吴学智，武 文，荆 龙，等. MMC 子模块故障运行特性分析与容错控制策略研究[J]. 高电压技术，2016，42（10）：3083-3091.
[4] 刘高任，许 烽，徐 政，等. 适用于直流电网的组合式高压直流断路器[J]. 电网技术，2016，40（1）：70-77.
[5] 孔 明，汤广福，贺之渊. 子模块混合型 MMC-HVDC 直流故障穿越控制策略[J]. 中國电机工程学报，2014，34（30）：5343-5351.
[6] ZENG R， XU L， YAO L， et al. Design and operation of a hybrid modular multilevel converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2015， 30（3）： 1137-1146.
[7]于 洋，葛琼璇，雷 鸣，等. 模块化多电平变流器的低频控制策略[J]. 高电压技术，2017，43（4）：1160-1167.
[8] 杨晓峰，郑琼林，薛 尧，等. 模块化多电平换流器的拓扑和工业应用综述[J]. 电网技术，2016，40（1）：1-10.kjycx@188.com