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。
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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。[p]
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。

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由IGBT手册和功耗计算公式，结合传热学原理可知，IGBT芯片及二极管芯片的结温为：

式中：RthJC_I为IGBT结壳间热阻；RthCH_I为IGBT壳与散热器间热阻；RthJC_VD为二极管结壳间热阻；RthCH_VD为二极管壳与散热器间热阻；RthHA为散热器与周围环境间热阻；TA为环境温度。
为确保TJ_I和TJ_VD不超过最高允许结温，系统热设计时主要考虑设计合理的散热器以降低器件的温升，即减小RthHA。可根据结温计算公式计算出最大允许结温情况下的热阻RthHA(max)，并以此为依据计算液冷散热器相关参数。
在系统额定功率情况下，假定冷却液体入口温度为Tin，出口温度为To，则根据传热学原理，液冷散热器所需的液体流量为：

式中：Q为总热耗散功率；σ为液体的密度；V为冷却液体流速；Cp为冷却液体的比热容。
分别乘以可靠性系数1．2和过载系数1．2可得满足液冷系统散热要求的散热液体流量。

7 试验验证
设计出MMC的SM，直流侧工作电压范围为1～1．5 kV，交流侧工作额定电流为(100+270sin314t)A，交流侧5 min短时过载电流为(100+3 40sin314t)A，IGBT开关频率为300 Hz。选用FZ1200R33KF2C元件，控制电源选用SM直流侧高位取能，支撑电容器容值为6 mF，冷却方式为强迫水循环冷却，SM散热器水流量为8 L／min。针对SM实际运行工况，参照相关标准，进行系统模拟试验，试验电路如图5所示。试验证明，所设计的SM各方面性能指标均满足要求，实现了稳定可靠运行。试验波形如图6所示。

8 结论
针对MMC型HVDC系统SM进行了深入研究，介绍了MMC型输电系统的基本原理，重点阐述了SM的系统架构和设计方法，针对设计中涉及到的关键参数计算和热设计等给出了计算公式和实现思路，最后通过试验验证了SM设计方法的合理性和可靠性。