2.4.1 基于橋臂復用的MMC輕型化方案

本節提出一種橋臂復用型MMC（bridge arm multiplexing MMC，BAM-MMC）拓撲[8]，其具有在不增加橋臂子模塊個數的基礎上實現過調制的能力，并提出一種二倍頻環流幅值的確定方法，該算法基于等橋臂電流有效值確定環流的輻值，通過多目標尋優方式確定最優相角。

BAM-MMC拓撲如圖2-10所示。

橋臂復用型MMC的單相橋臂子模塊共由3部分組成，其中上、下橋臂子模塊為固定部分，由HBSM和FBSM構成。中間子模塊為復用部分，可由橋臂轉換開關（arm transfer switch, ATS）決定其參與上橋臂或下橋臂的子模塊電容電壓排序過程，每一相的ATS包括3條支路，包括用于啟動過程中的ATSm支路和穩態運行周期性投切的ATSu支路和ATSd支路。MMC同一相共同使用一部分子模塊后，可有效減少相橋臂子模塊的使用。ATSm支路雙向通流、雙向承壓，因此其需進行雙向承壓、通流配置。ATSu/ATSd支路雙向通流單向承壓，因此需配置一個通流環節和一個單向承壓環節。圖2-10中，MOA表示避雷器。

BAM-MMC單相各部分的子模塊個數可由式（2-24）得出：

式中，N為支撐直流電壓U_dc的MMC橋臂子模塊個數；m′為相同直流電壓等級下橋臂復用型MMC實際的調制比；m_max為橋臂復用型MMC調制比的最大值；η為MMC交流側輸出電壓使用率；N_F為增加的FBSM個數。通過式（2-24）可得出在相同交流側輸出電壓使用率和最大調制比為m_max的情況下增加的FBSM個數N_F。通過提高調制比前后MMC單相子模塊總數維持不變、最大程度減少復用的子模塊個數的基本原則，確定MMC單相橋臂復用部分的HBSM個數N_R及橋臂固定部分的HBSM個數N_C，可由式（2-25）得出：

通過式（2-25）即可確定橋臂復用型MMC各部分子模塊個數，進一步確定其拓撲結構。

注入二倍頻橋臂電流可增加MMC橋臂電流的有效值，進而增加換流閥損耗。本節旨在從橋臂復用型MMC的損耗角度出發，來確定其二倍頻環流注入量的峰值，這里定義加入CCSC的MMC為傳統MMC（traditional MMC，T-MMC）。

T-MMC和BAM-MMC的橋臂電流為（以A相上橋臂為例）

式中，i_aupT、I_dcT、I_asT和φ_1T分別為T-MMC的橋臂電流（已投入CCSC，故i_aupT沒有二倍頻分量）、直流電流、橋臂基波相電流峰值和基波相電流初相角；i_aupBAM、I_dcBAM、I_asBAM、φ_1BAM分別為BAM-MMC的橋臂電流、直流電流、橋臂基波相電流峰值和基波相電流初相角；I_2as、φ₂分別為BAM-MMC橋臂二倍頻環流峰值和二倍頻電流初相角。

T-MMC和BAM-MMC橋臂電流的有效值I_aupTrms和I_aupBAMrms計算公式為

相同運行參數和工況下，I_dcT和I_dcBAM相等，換流閥只傳輸有功功率時，φ_1BAM和φ_1T均為零。BAM-MMC相對于T-MMC提高了調制比，因此I_asBAM＜I_asT。可通過令兩者的橋臂電流有效值相同的方式來確定I_2as的數值，即

通過式（2-28）可確定諧波注入量幅值大小。

傳統橋臂基波電流相峰值I_asT可通過式（2-29）計算得到（假設T-MMC的功率因數為1）：

式中，P、U_ac和I_ac分別為T-MMC傳輸的有功功率、交流側出口相電壓峰值和交流側相電流幅值。將式（2-29）代入式（2-28）中得

從式（2-30）可知，I_2as由系統的固有物理量決定。

為在盡可能地降低子模塊電容電壓紋波的基礎上兼顧橋臂電流的有效值，進而降低換流閥損耗，橋臂電流二倍頻分量幅值的最終選值可在式（2-30）的基礎上乘以一個修正系數k_Ⅰ，見式（2-31）：

通過修正系數的選取，在保證BAM-MMC橋臂電流有效值不大于T-MMC橋臂電流有效值的情況下擴大諧波幅值的選取范圍。

諧波電流的注入同時會增加MMC橋臂電流的峰值，進而惡化子模塊中IGBT器件的電流應力環境。考慮BAM-MMC的橋臂電流峰值并盡可能擴大φ₂的可選擇范圍（這里令BAM-MMC的橋臂電流峰值不大于T-MMC的橋臂電流峰值的1.1倍）。得到關于φ₂的不等式約束條件為

同時，在橋臂電流二倍頻分量幅值確定后，橋臂子模塊電容電壓波動將由φ₂決定（系統其他參數確定的情況下），因此同時可將橋臂子模塊電容電壓波動峰值最小作為最優φ_2opt的確定條件之一，即

式中，f（φ₂）為橋臂子模塊電容電壓波動關于φ₂的函數。將式（2-26）、式（2-28）代入式（2-32），并結合式（2-33）可得有關φ₂的兩個不等式約束條件：

通過式（2-34）即可通過尋優確定φ_2opt的取值。

諧波注入的幅值和相角對子模塊電容電壓波動峰值和損耗的影響如圖2-11所示。

由圖2-11可知，諧波注入的初相角φ₂和幅值I_2s均會對子模塊電容電壓波動峰值u_Cmax和損耗P_Loss產生影響。圖2-11a、c可知，隨著初相角φ₂從0°變化為360°，u_Cmax和P_Loss均先增大、后減小、再增大，二者的區別為取得極小值范圍有差異。u_Cmax和P_Loss隨I_2s幅值的變化關系受角度的影響。

基于式（2-31）可得到諧波注入量的幅值，初相角在200°～330°范圍內（圖2-11a的u_Cmax取得極小值的范圍210°～330°和圖2-11c的P_Loss取得極小值的范圍200°～315°的并集），可取得兼顧降容效果和低換流閥損耗的效果。

為更加方便進行有效驗證，在PSCAD/EMTDC中搭建如圖2-7所示的仿真模型。系統參數見表2-7。

以T-MMC為對照（調制比m=0.9，最大調制比為1，且已投入CCSC），本節采用的BAM-MMC的實際調制比m′=1為例，根據式（2-24）和式（2-25）可計算出BAM-MMC的最大調制比m_max=1.1（實際為10/9，為方便計算，取1.1），BAM-MMC中橋臂各類子模塊個數N_F=20，復用的半橋子模塊N_R=40，橋臂上的半橋子模塊個數N_C=160。

通過式（2-31）和式（2-34）可得出BAM-MMC的諧波注入值i_2s的計算式為（修正系數k_I取0.8）

為進行降容策略的有效驗證，本節將分別進行等容值和低容值兩種工況對比驗證。其中，等容值工況指BAM-MMC與T-MMC的子模塊電容容值不變；低容值工況指BAM-MMC的子模塊電容容值低于T-MMC的子模塊電容容值。下面將分別進行驗證。

等容值工況下BAM-MMC與T-MMC的主要參數對比見表2-8。

MMC子模塊電容電壓波動范圍和幅值的降低比率可按式（2-9）計算得到。

等容值工況下不同類型MMC的關鍵電氣量波形對比如圖2-12所示。

由圖2-12a、b可知，在等容值工況下，子模塊電容電壓波動范圍從1.437～1.717kV（T-MMC）變為1.479～1.642kV（BAM-MMC）。相對于T-MMC，BAM-MMC子模塊電容電壓波動峰峰值減小41.79%，有效降低子模塊電容電壓波動范圍。由圖2-12c、d可知，BAM-MMC在按照式（2-35）進行諧波注入后，橋臂電流的波動范圍從-0.679～1.763kA變為-0.500～1.934kA，橋臂電流的峰值滿足于式（2-32）。

為更有效地驗證所提BAM-MMC拓撲及其降容策略的有效性，將表2-8中BAM-MMC的子模塊電容電壓容值從10mF減小為6mF，其余參量保持不變，進行進一步驗證。關鍵電氣量波形如圖2-13所示。

在圖2-13a中，在降低子模塊電容容值后，降容策略下的BAM-MMC子模塊電容電壓波動范圍為1.412～1.687kV。按式（2-9）的計算方法，相比于T-MMC，BAM-MMC子模塊電容電壓波動峰峰值減小1.79%。圖2-13b為低容值工況下橋臂電流波形，其波動范圍為-0.493～1.936kA，其峰值仍滿足于式（2-32）。

ATS支路3條分支的承壓最值與復用橋臂電壓密切相關。因此，分別截取ATS的3條支路的支路電壓和復用橋臂電壓進行驗證，仿真波形如圖2-14所示。

圖2-14中，所有波形圖的縱坐標均以復用橋臂電壓的最大值u_maxarmr為基準值進行標幺化。圖2-14a為ATS 3條支路的承壓波形圖，圖2-14b～d分別為ATS 3條支路電壓波形和復用橋臂電壓波形關系圖。從圖2-14b可知，復用橋臂電壓u_armr的一半為ATSm支路承壓最值的包絡線（為更加方便進行描述對比，將ATSm支路承壓u_ATSm取絕對值|u_ATSm|）。同理，由圖2-14c、d可知，ATSu/ATSd支路承壓最值的包絡線分別與u_armr/-u_armr重合。

經濟性分析包括建設成本分析和運行成本分析。建設成本包括換流站在初期建設過程中的一次投入，運行成本主要為換流閥損耗分析。

本節中BAM-MMC增加了轉換開關支路會額外增加器件的使用。橋臂轉換支路的承壓和復用橋臂中的子模塊個數有關。ATS各支路器件使用數量見表2-9，表中N_R為BAM-MMC復用的子模塊個數。從表2-9可知，附加的IGBT和二極管個數均為3N_R+2。

此外，由于BAM-MMC相對于T-MMC增加了6N_F個FBSM，雖經過復用使橋臂總子模塊個數不變，但仍增加了12N_F個IGBT/二極管。根據N_F與N_R的關系，最終增加9N_R+2個IGBT/二極管。

在拓撲方面，由于BAM-MMC組成部分相較于T-MMC復雜，降低了其拓撲可靠性。但由于可有效降低子模塊電容容值達40%以上，因此整體上具有一定的經濟效益。

對比分析BAM-MMC和T-MMC的換流閥損耗，不同類型MMC子模塊損耗對比見表2-10。

同一橋臂級聯的半橋子模塊和全橋子模塊中，全橋子模塊的損耗是半橋子模塊的2倍。BAM-MMC單橋臂的總損耗略低于T-MMC。