三種MMC子模塊的狀態分析

來自專欄 HVDC學習筆記

• Things to take away:
• 半橋子模塊 - HBSM
• 全橋子模塊 - FBSM
• 鉗位雙子模塊 - CDSM

模塊化多電平換流器MMC是電壓源型換流器，其核心部件是橋臂中串聯起來的子模塊（Sub-module）。為保證輸出的交流電壓諧波較少，一般需要投入較多子模塊來逼近交變電壓的輸出。現在投運的MMC直流輸電工程中，使用的子模塊都是半橋子模塊（Half bridge submodule），但由於半橋子模塊沒有直流清障功能，其餘兩種MMC子模塊（全橋子模塊和鉗位雙子模塊）也是研究的重點。

另外為什麼叫半橋和全橋，其實這個名稱是從交流電整流那兒來的。半橋對應只能輸出正向電壓，全橋由於改變了電流方向，可以輸出負向電壓。鉗位雙子模塊的鉗位是來自中間使用的兩個鉗位二極體，限制了電流流通方向。

半橋子模塊

半橋子模塊是最早提出來的子模塊拓撲結構。HBSM 由 2 個 IGBT(VT11、VT12)、2 個反並聯二極體(VD11、VD12)和直流電容C組成。

多說一句，為什麼IGBT需要反並聯一個二極體？這是功率電力電子里的一個基本常識，由於IGBT本身是單嚮導通，如果外部有感性元件，若沒有二極體電流就會直接擊穿IGBT。所以這裡反並聯的二極體是默認存在保護IGBT的。

半橋子模塊有三種工作狀態：投入狀態、切除狀態以及閉鎖狀態。

• 閉鎖狀態對應於VT1和VT2都關斷，是模式1還是模式4取決於電流方向。這種狀態是非正常工作狀態，正常運行時不允許出現這種工作狀態，有兩種作用：1、啟動時向子模塊充電；2、故障時將子模塊電容器旁路。
• 投入狀態對應於VT1開通和VT2關斷，此時電容投入電路，但是模式2還是模式5取決於電流方向。此時可以看到，電容是投入狀態，但電容的工作狀態並不一定是放電，也可能是充電。所以可以注意到，MMC子模塊的電容電壓其實會在工作狀態中改變。
• 切除狀態對應於VT1關斷和VT2開通，此時電容切除出電路，但是模式3還是模式6取決於電流方向。此時輸出的電壓一定為0。

我們可以將VT1和VD1、VT2和VD2集中起來看作開關V1和V2來分析

• 投入狀態：V1通，V2斷開
• 切除狀態：V1斷開，V2通
• 閉鎖狀態：不確定

全橋子模塊

全橋子模塊由四個帶反並聯二極體的IGBT和儲能電容組成。

它有四種工作狀態：a）正投入狀態；b）負投入狀態；c）旁路狀態；d）閉鎖狀態。根據電流方向不同，每種工作狀態都有兩種運行方式。具體電流方向如圖所示。

前面三種工作狀態是正常工作狀態，最後一種閉鎖狀態一般用於清障和系統啟動。

與半橋子模塊最明顯的不同在於，全橋子模塊多了一個負投入的狀態。這給MMC的控制帶來更多的一個維度，輸出波形的調製比m可以超過1（之後MMC控制原理時會詳細分析）。

另外還有一個不太容易注意的點，就是閉鎖狀態中，子模塊的狀態是確定的，即電容一定是在橋臂當中。而半橋子模塊的閉鎖時，電容的狀態是不定的。這其實就保證了在故障發生時，能夠使用MMC自身的電容來吸收故障電流，清除故障電流，保證不產生震蕩。下一篇會詳細分析。

鉗位雙子模塊

鉗位雙子模塊看起來最複雜，但其實仔細分析也不是很麻煩。鉗位雙子模塊由兩個半橋子模塊通過兩個鉗位二極體和一個引導IGBT組成。一共有五隻IGBT。

直接來看會比較麻煩，不知道怎麼下手。可以來看它的等效簡化電路圖。

在工作狀態中，中間的引導IGBT會一直連通，保證兩個子模塊相連。所以看起來就是將兩個子模塊給級聯起來了，輸出的電壓也是原來的兩倍。

所以鉗位雙子模塊其實就是全橋子模塊整體提升了了一個U_c。另外在實際工程中，一般不使用輸出僅為U_c的模式，所以正常模式其實只有2U_c（投入狀態）和0（切除狀態）兩個狀態。

另外在閉鎖模式時，不管電流的方向，橋臂中始終有電容存在，所以可以起到清除故障電流的功能。

總結

這三種子模塊結構是MMC中最常用的，幾乎所有的分析都是基於此。要理解子模塊，關鍵在於理解等效的開關模型。在細節分析時，一定要注意反並聯二極體和電流方向的問題。

在開頭說過清除電流故障的問題，這也是選擇子模塊的重要因素。下一篇會詳細分析三種模塊在直流短路故障中的狀態。