MMC型HVDC输电系统子模块的设计

摘要：从系统结构、直流电容参数选取、IGBT元件选取和热计算、热设计等方面详细介绍了模块化多电平换流器(MMC)高压直流(HVDC)输电系统子模块(sM)的设计，介绍了SM技术设计基本架构、关键元器件参数计算方法和模块设计思路，通过试验验证了所述设计方法的正确性和可靠性。
关键词：高压直流输电；多电平换流器；子模块设计

1 引言
基于电压源换流器的HVDC输电技术具有有功无功独立控制，能向无源网络供电且适用于可再生能源并网、城市电网供电、异步交流电网互联等优点。MMC通过标准化、模块化SM串联构成换流阀，易于系统扩展，多电平拓扑结构使系统谐波含量小，开关损耗低，适用于STATCO M、HVDC输电、高压变频器等应用场合。
这里从MMC型HVDC输电系统SM技术设计入手，详细介绍了SM的系统架构、主电路参数选择、热设计和SM试验验证方法等，为SM的工程技术实现提供参考。

2 MMC型HVDC系统拓扑结构
MMC的系统组成及电路结构如图1所示，由6个桥臂组成，每个桥臂由多个相同的SM和一个换流电抗串联而成，从而构成上下对称的换流结构。为保证总直流电压稳定，每相中处于投入状态的SM数必须维持在n个，通过改变这n个SM在该相上、下桥臂间的分配关系，得到期望的交流相电压输出。

其中1个SM的主电路结构如图2所示。SM上部IGBT开通，下部IGBT关断时，SM电容被接入桥臂，SM投入；SM下部IGBT开通，上部IGBT关断时，SM电容从桥臂切除，SM输出电压为零，SM退出。通过开关状态的切换，可实现对SM输出电压的控制。快速旁路开关KM，用来快速切除SM故障时的故障SM，从而使换流器能工作于降压运行状态而不会造成断电。晶闸管V3用于在系统发生直流侧短路故障时，在交流侧断路器断开前分流IGBT模块反并联二极管的电流，降低二极管损坏的机率，提高系统可靠性。

3 子模块系统结构
SM功能框图如图3所示。电源POWER1和POWER2直接从支撑电容器取电，实现高位取能。POWER1输出直流400 V电压，为KM1的储能电容供电，用于驱动旁路开关；POWER2提供+24 V输出电压，为模块控制单元供电；模块控制单元具有脉冲分配、信号采样、故障保护、上层通讯等功能，实现SM级的控制与保护，同时输出±15 V电源，为门极驱动电路和电压传感器供电；门极驱动电路和脉冲变压器分别用于驱动IGBT和晶闸管。

4 支撑电容器电容参数的选取
支撑电容器电容参数的选取需从SM直流电压稳态波动、暂态波动、直流系统动态响应特性等方面进行综合考虑计算，并通过试验验证。
从抑制SM稳态电压波动的角度分析，遵循能量平衡的原则，电容值的取值需满足：

电容值的取值会影响系统的有功功率调节动态响应时间，直流系统中采用定直流电压控制的换流站直流端电压一定，采用定有功功率控制的换流站端电压必须跟随有功功率指令，设调节时间为τ，则可得：

在选取电容值时还需考虑SM暂态电压波动及限制直流双极故障电流等约束因素的影响。通常可根据式(1)，(2)计算SM的电容值，再对其是否满足其他约束条件进行验证。

5 IGBT元件的选择和损耗计算
IGBT的选择需考虑系统额定电压、额定电流、工作温度等，其额定电压和额定电流分别为：

式中：k1为过电压系数；k2为安全系数；Udmax为额定直流电压最大值；Usp为关断结束时的尖峰电压；ICM为额定工作峰值电流；α1为电流尖峰系数；α2为温度降额系数；α3为过载系数。
1个IGBT模块一般包括1个IGBT和1个反并联二极管，IGBT的损耗包括通态损耗和开关损耗，二极管损耗包括通态损耗和关断损耗。在正弦脉宽调制下，考虑温度和死区时间对IGBT和二极管通态损耗的影响，IGBT及反并联二极管的通态损耗分别为：

IGBT开关损耗随电流ic变化规律是非线性的，很难用解析表达式准确定量描述。考虑电压、电流和温度等对开关损耗的影响，将开关损耗按线性化折算，可满足设计需要。开关损耗为：

式中：fsw为载波频率；Eon，Eoff分别为IGBT开通和关断损耗；Err为快恢复二极管关断损耗，其值较小，可忽略；Uref，Iref分别为参考电压和电流；Udc为桥臂电压；Ksw／Tr_I，Ksw／Tr_U分别为IGBT开关损耗电流、电压系数；KswVD_I，KswVD_U分别为快恢复二极管开关损耗电流、电压系数；Ksw／Tr_T，KswCD_T分别为IGBT和快恢复二极管开关损耗温度系数。

6 系统热设计
热设计目的是采取措施限制IGBT及SM内的温升在合理的范围内，主要措施包括减少发热量和增强散热，增强散热包括自然冷却、强迫风
冷、液冷等散热形式。考虑MMC的热特性及对模块体积和散热效率要求，液冷为最合适的冷却方式，其散热效率高，可多模块共用，经济性高。
IGBT模块的热应力参数主要有结温和热阻。加装散热器的IGBT模块热阻主要由RthJC_I，RthCH_I，RthHA3部分组成，效电路如图4所示。