图1 三相AM-MMC拓扑结构
Fig.1 Topology structure of three-phase AM-MMC
摘要 考虑到模块化多电平换流器（MMC）的轻型化和发生概率最高的单极接地故障穿越要求，桥臂复用模块化多电平换流器（AM-MMC）在单极接地故障下的无闭锁穿越及能量均衡问题亟待解决。该文在AM-MMC拓扑结构及工作原理的基础上分析了AM-MMC的单极接地故障特性，推导了故障电流数学表达式。通过在上、下臂配置全桥子模块，混合AM-MMC（HAM-MMC）可具备无闭锁单极接地故障穿越能力，并减少25%的电容数量，在轻型化及经济成本方面具有一定的竞争力。由于AM-MMC复杂的复用模式及单极接地故障导致的上、下臂不对称，该文重点分析了其穿越过程中的能量不均衡机理，提出了通过基频及二倍频直接环流控制均衡桥臂能量的交替复用无闭锁单极接地故障穿越策略。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明，HAM-MMC可无闭锁穿越单极接地故障，且所提控制策略较常规MMC均衡能量效果更好。
关键词：模块化多电平换流器（MMC） 桥臂复用 单极接地故障 无闭锁穿越 能量均衡
模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）因模块化程度高、可扩展性好、电压质量高等优点而广泛应用于长距离高压直流输电（High-Voltage Direct Current, HVDC）工程中[1-3]。但受电力电子器件通流能力和电压强度难以显著提高的限制，MMC只能通过增加级联子模块的数量来适应高电压、高功率的应用场景，造成换流站投资成本高、质量体积大[4-6]。以如东工程为例，MMC每相含有432个子模块，体积达到84 m×94 m×44 m，重量超过2.2万t[7]。与此同时，现有的基于半桥子模块（Half-Bridge Submodule, HBSM）的MMC工程不具备处理直流故障的能力，需要采用具有更多器件的子模块来清除故障电流。因此，考虑直流故障穿越，特别是发生概率最高的单极接地故障穿越的MMC轻型化问题成为未来MMC发展的一大挑战[8]。
近年来，随着土地资源有限的城市电网互联及对平台质量和体积要求高的海上风电场汇集需求的不断增加，MMC的众多模块和浮动电容器带来的巨大重量和体积问题引起了极大关注。目前对MMC换流站轻型化的研究主要集中在占总体积50%、重量80%以上的电容上[9]。一种方法是通过注入二倍频环流或方波共模电压等方法降低电容器电压纹波，从而减小MMC的电容需求值，但这类方法效果有限[10-11]；另一种更直接的方法是通过改进拓扑结构来减少电容器的数量。桥臂复用模块化多电平换流器（Arm-Multiplexing MMC, AM-MMC）通过将每相支路分成三个桥臂并对中间臂进行时分复用，提高了子模块利用率，能够减少25%的电容器数量[12]。该结构中由串联器件组成的桥臂选择开关通过低频和零电压切换解决了动态均压问题，在制造和控制难度方面远低于两电平换流器，是一种有竞争力的轻量型拓扑，研究价值已经得到了认可。文献[13-16]分别研究了AM-MMC的双极短路故障闭锁穿越策略、无闭锁穿越策略和可使拓扑平滑启动的启动策略，设计了混合AM-MMC拓扑中的全桥子模块配比，并通过谐波注入降低子模块电容电压容值。随着集成门极换流晶闸管（Integrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT）多项技术瓶颈的突破，串联器件开关的工程实用价值将进一步得到提升，AM-MMC在柔性直流输电领域将具备更广阔的应用前景。
当发生单极接地短路故障时，MMC故障极投入子模块的电容器通过短路点、大地和系统接地点放电。在直流故障暂态特性分析方面，通过电磁暂态（Electromagnetic Transient, EMT）仿真获取短路电流的过程复杂且耗时[17]，将MMC简化为RLC电路的等效电路法则计算简便并能精确模拟故障，获得了广泛应用[18-19]。MMC直流故障处理方案主要有三种：①直流断路器可以直接切断故障电流，但复杂的机电结构导致其成本较高、尺寸较大[20]；②利用子模块电容的反电动势迅速关断交流馈流的闭锁子模块方案具有更高的可靠性和快速性[21-22]，但闭锁后子模块电容电压可能严重不平衡，故障清除后功率传输也无法立即恢复[23]；③全桥子模块（Full-Bridge Submodule, FBSM）输出负电平无闭锁穿越方案中，换流器处于可控状态，子模块电容电压能够很好地平衡，故障后也能快速恢复[24]。考虑到使用大量绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor, IGBT）会导致经济性降低，由半桥和全桥子模块按1:1比例组成的混合HF-MMC被认为是具有直流故障穿越能力的最经济和最具工程实用性的拓扑结构[25-26]。
单极接地故障作为不对称故障，还会带来桥臂间能量不均衡的问题。故障发生后HF-MMC故障极电压变为0，健全极直流母线电压出现2倍过电压，因此穿越期间故障极桥臂中一般旁路半桥子模块，仅投入全桥子模块输出负电平来消除健全极母线电压和交流侧端口电压的直流偏置。上、下桥臂不对称运行，MMC桥臂间能量不均衡，给交流侧电流和直流侧电流带来低频谐波污染。增大的子模块电容电压会增加开关器件电压应力，损害使用寿命；减小的子模块电容电压会影响换流器的输出性能[27]。文献[28]提出了一种利用星形联结电抗器提供直流电流路径，独立控制各极交换功率的方法，但会在交流侧产生三次谐波电流。文献[25]利用上下臂能量的共模分量感应出正序循环电流，以补偿正极和负极之间的功率差，但控制性能不够好，峰值短路电流较高。文献[29]引入了新的控制变量，通过调节内电势相位使上下臂的电流不对称，进而平衡上下臂能量。文献[30]利用2个直流调制指标和4个交流调制指标分别控制上下臂，6个变量导致控制更加复杂。文献[31]针对不平衡电网下MMC三相直流环流不均衡问题，提出一种零序电压注入的直流环流均衡方法。这些常用的方法都是通过某些变量间接地调节系统环流，控制复杂且响应速度相对较慢。
AM-MMC有别于常规MMC的复用结构和运行方式使得其在单极接地故障下的故障特性和能量均衡机理极为复杂，能否进行单极接地故障穿越也是影响其工程实用价值的关键问题。因此，本文针对桥臂复用MMC单极接地故障无闭锁穿越及能量均衡问题进行研究。首先，阐述了AM-MMC的基本拓扑结构、调制原理和其在轻型化方面的优点；其次，为了确保单极接地故障穿越能力，进一步分析了AM-MMC的单极接地故障特性，推导了故障电压和电流的数学表达式；再次，介绍了AM-MMC的无闭锁单极接地故障穿越原理，得出了混合桥臂复用MMC（Hybrid Arm-Multiplexing MMC, HAM-MMC）的结构和子模块配置原则，对不对称故障引起的能量均衡机理进行了深入分析，提出了交替复用无闭锁故障穿越及直接环流控制策略；最后，通过与常规MMC单极接地故障穿越策略进行仿真对比，验证了分析的正确性和所提穿越策略的有效性。
三相AM-MMC的拓扑结构如图1所示。uvx是x相（x=a, b, c）阀侧交流电压，Udc为直流母线电压，SM表示子模块。每相子模块可分为三部分：上臂、中臂和下臂，其中每个桥臂由N/2个串联的半桥子模块组成。中臂的两种复用模式可以通过切换桥臂选择开关Sx1和Sx2进行转换，其中每个桥臂选择开关由N/2个IGBT串联构成，以承受中臂电压。当Sx1断开而Sx2闭合时，中臂复用到上臂（模式Ⅰ），二者构成等效上臂；当Sx1闭合，Sx2断开时，中臂复用到下臂（模式Ⅱ），构成等效下臂。
图1 三相AM-MMC拓扑结构
Fig.1 Topology structure of three-phase AM-MMC
忽略桥臂电感的压降，在最近电平调制（Nearest Level Modulation, NLM）下，x相等效上臂和等效下臂投入的子模块数Npx和Nnx为
（1）
式中，upx和unx分别为等效上臂和下臂的电压；
为子模块的额定电容电压；round(·)为四舍五入函数。
当Npx＞N/2时，相支路在模式Ⅰ下运行；否则，相支路处于模式Ⅱ。以相单元交流侧输出11电平阶梯波（N=10）为例，模式切换原则如图2所示。可以看出，模式在Npx步进到N/2的瞬间切换，即t1、t2和t3。
图2 模式切换原则
Fig.2 Principle of switching modes
任意时刻，AM-MMC每相的3N/2个子模块中恒有N个子模块处于投入状态，与输出N+1电平每相需2N个子模块的常规MMC相比具有相似的性能和广泛的调压范围，但AM-MMC的电容器需求数量降低了25%，能够有效地实现MMC的轻型化，并降低建设成本。
由于引入了桥臂选择开关和复用模式，AM-MMC的故障暂态特性与传统MMC有所区别，有必要对其进行分析和讨论。基于AM-MMC的柔性直流换流站通常应用于轻型化场景并采用伪双极结构，可以避免直流接地极的使用，减少换流站主设备[32]。这就要求在换流器交流侧装设接地装置，用于提供整个换流器的零电位参考点。交流侧接地方式主要有换流变压器中性点直接经电阻接地和MMC交流阀侧接星形电抗串联电阻接地两种，而星形电抗接地方式需要额外的大电抗，导致占地面积增大，增加了建造成本。因此，本文研究AM-MMC在变压器中性点直接经电阻接地方式下的故障特性和穿越策略，星形电抗接地方式与之故障特性类似，所提穿越策略同样适用，在此不再赘述。
与常规MMC发生单极接地故障时类似，故障极桥臂中处于投入状态的子模块电容经短路点和系统接地点放电。假定故障发生在正极，图3所示为单相故障电流ifx路径及等效电路。
图3 单极接地故障单相电流路径及等效电路
Fig.3 Single -phase fault current and equivalent circuit
x相等效电阻Reqx、等效电感Leqx可以表示为
（2）
式中，Rg为接地电阻；Rline和Lline分别为线路电阻和线路电感；Rf为故障电阻；L0为桥臂电感；Ldc为平波电抗器电感。
与传统MMC所不同的是，由于引入了桥臂选择开关，AM-MMC各臂中投入的电容数量有所差异。在基于排序算法的子模块电容电压平衡策略下，当相单元工作在模式Ⅰ时，等效上臂的N个子模块中总有Npx（x=a, b, c）个电容进行充放电，上、中臂子模块投入概率均等。下臂的N/2个子模块中总有Nnx（x=a, b, c）个电容进行充放电。模式Ⅱ下的子模块投入状况与之类似。x相上、中、下臂投入子模块数Nux、Nmx和Nlx分别为
（3）
在模式Ⅰ中，开关函数S=1；在模式Ⅱ下，S=0。各臂子模块投入率kyx（x=a, b, c；y=u, m, l）为
（4）
当参考电压为调制比m=1（m=2Um/Udc，Um为交流相电压幅值）、初相位为0的正弦波时，kyx曲线如图4所示。其他两相子模块投入率与之大小相等、相位互差π/3。由图4可得到上、中、下臂子模块投入率kyx的均值分别为0.59、0.82和0.59。
图4 子模块投入率kyx曲线
Fig.4 Curves of submodule insert rate kyx
由于采用基于排序算法的子模块电容电压均衡策略，每个桥臂中的N/2个子模块都参与轮换投入，各臂可视为并联的1/kyx组电容器，每组由Nyx个电容串联组成。则各臂等效电容Cyx为
（5）
式中，C为子模块电容。由此可得到两种复用模式下AM-MMC的单相单极接地故障等效电容如图5所示。
图5 两种模式单极接地故障等效电容
Fig.5 Equivalent capacitance of two modes
据此，x相等效电容Ceqx可以表示为
（6）
式中，αeqx为单极接地故障下x相等效电容系数。将式（1）、式（4）～式（6）联立，当参考电压为初相位为0的正弦波时，
为
（7）
式中，ω为基波角频率。
当调制比m=1时，AM-MMC和MMC的αeqx曲线（以N=20为例）如图6所示。容易看出，单极接地故障下，AM-MMC的单相等效电容系数约为MMC的一半，即故障时参与充放电的电容比MMC少一半，故障电流发展较慢，有利于故障检测和保护动作。
图6 单极接地故障下αeqx曲线（N=20）
Fig.6 αeqx curves (N=20) under pole-to-ground fault
根据图3所示等效电路，可建立微分方程为
（8）
（9）
式中，
(t)为Ceqx的电压；ifx(t)为故障电流；iux(t)为上臂电流；φ0为故障时刻电压相位。
由于接地阻抗一般较大，等效电路可近似为开路，单极接地短路故障对系统运行影响较小，无需采取保护动作。但故障时交流侧电压会产生一半额定直流电压的偏置，且健全极直流母线会出现2倍过电压。
通过在上、下桥臂配置50%的负电平输出子模块如FBSM，传统MMC可在单极接地故障时将故障极参考电压直流偏置降为0来降低健全极承受的2倍过电压，但不对称的运行方式会产生能量不均衡问题，需要增加基频环流控制。类似地，混合AM-MMC可通过配置FBSM具备单极接地故障无闭锁穿越能力，但由于中臂的交替复用，环流中增加了二倍频成分，能量均衡机理更为复杂。
无闭锁故障穿越是利用FBSM的负电平输出能力使得换流器直流侧电压与线路电压匹配，进而抑制故障。以正极接地为例，单极接地故障会导致直流电压下降Udc/2，可利用FBSM的负电平输出能力将等效上臂电压降低Udc/2。此时，交流侧输出电压uvx和直流侧输出电压
为
（10）
式中，
和
分别为x相故障穿越期间的等效上臂电压和下臂电压。因此，交流输出电压保持不变，而直流输出电压可以降低Udc/2以阻断故障电路。这种通过降低等效臂电压的调制原理如图7所示。
图7 降压调制原理
Fig.7 Modulation principle of reducing voltage
在NLM下，等效上臂和下臂中投入的子模块数量调整为
（11）
当正极接地故障时，等效上桥臂需输出负电平；当负极接地故障时，等效下桥臂需输出负电平。由于中臂需要复用到子模块投入数量多的等效臂中，FBSM若配置在中臂无法起到输出负电平的效果。因此上、下臂应全部配置FBSM，中臂仍采用HBSM以降低成本和体积重量。混合AM-MMC拓扑结构如图8。
图8 混合AM-MMC拓扑结构
Fig.8 Topology of hybrid AM-MMC
HAM-MMC与HF-MMC的器件数量对比见 表1，电容数量减少了25%，经济性和轻型化程度都得到了提升。
表1 HAM-MMC与HF-MMC器件数量对比
Tab.1 Devices quantity of HAM-MMC and HF-MMC
换流器电容数量IGBT数量 HAM-MMC9N/218N HF-MMC6N18N
由图7可知，正极接地故障穿越过程中当ωt∈(0,π)时，等效上桥臂输出负电平，子模块为负电平投入模式，等效下桥臂子模块数大于N/2，AM-MMC运行在模式Ⅱ；当ωt∈(π, 2π)时，等效上桥臂和等效下桥臂子模块数均小于N/2，运行在模式Ⅰ。两种复用模式交替切换，中臂参与等效上、下臂子模块电容电压排序并传递能量，三个桥臂的子模块电容电压自然保持一致，可使系统快速穿越故障。但故障极和健全极的不对称运行会造成桥臂间能量不均衡，产生基频和倍频环流，需要深入分析其机理。
正极接地时，忽略高于2倍频的分量，x相等效上、下桥臂电流可表示为
（12）
式中，Idc为直流电流；Im和φ分别为x相交流电流的幅值和功率因数角；I1和φ1分别为基频环流的幅值和相位；I2和φ2分别为二倍频环流的幅值和相位。
等效上、下桥臂子模块投入率变为
（13）
流经等效电容的电流为
其中
流经等效电容的电流直流分量不为零，表明上桥臂全桥子模块电容将一直放电，而下桥臂的子模块电容将一直充电。可以看出，HAM-MMC桥臂能量不平衡是由单极接地故障穿越过程中不对称的桥臂参考电压造成的，与HF-MMC穿越中的能量不平衡原因相同（HF-MMC单极接地穿越与HAM-MMC在模式Ⅱ时状况一致，式（13）～式（15）中S=0时即为HF-MMC相应公式）。为保证等效电容电压平衡，基频环流需满足
（16）
由电容的电压电流关系公式，可得等效上、下臂单个子模块的电容电压为
（17）
其中
可以看出，二倍频环流是由桥臂选择开关在一个周期内交替复用引起的。为确保桥臂能量均衡，在一个周期内，上、中臂子模块能量波动需为0，即
（18）
代入式（12）、式（17）可整理为
（19）
（20）
同时，相单元间能量也应平衡，可以等效为直流侧电压波动为0，即
（21）
可整理为
（22）
联立式（16）、式（19）、式（20）、式（22）可计算出能维持桥臂能量均衡的基频及二倍频环流参考值。负极接地故障情况下的子模块能量分析方法与正极接地故障时相似，均会产生基频和二倍频环流，影响桥臂间能量均衡。
由3.1节和3.2节分析结果可提出HAM-MMC的单极接地无闭锁穿越策略：检测到单极接地故障后，故障极桥臂FBSM输出负电平，以使桥臂电压参考值降低Udc/2；桥臂选择开关根据健全极的切换阈值进行交替复用，并注入基频及二倍频电流以保证换流器能量均衡。在穿越过程中，负电平输出模式下的FBSM充放电状态有所变化，应相应调整排序策略并进行轮换，以保证子模块电容电压均衡。对于定直流电压控制的换流站，其直流电压参考值应降为额定值的一半；对于定有功功率控制的换流站，其功率P的参考值也应降为额定值的一半。当故障清除后，恢复正常调制和传输功率，单极接地故障穿越成功。HAM-MMC的单极接地故障穿越策略及控制框图如图9所示（图中*标为对应量的参考值）。
由此，通过在上、下臂配置FBSM，并实施基频及二倍频直接环流控制的交替复用无闭锁穿越策略，HAM-MMC可穿越单极接地故障，需要的电容器数量与常规HF-MMC相比减少了25%。
图9 HAM-MMC单极接地故障穿越策略及控制框图
Fig.9 Pole-to-ground fault ride-through strategy and control block diagram of HAM-MMC
为了验证所提单极接地故障穿越策略和环流控制的效果，本文在Matlab/Simulink 中搭建了如图10所示的双端HVDC仿真模型，具体参数见表2。调制策略采用NLM，HVDC交流侧输出电压为23电平（N=22）。
图10 HVDC系统仿真模型
Fig.10 Simulation model of HVDC
为比较HAM-MMC与常规HF-MMC的单极接地无闭锁穿越效果，设置1.0 s时在距离换流站15 km处正极发生单极接地故障，当检测到负极产生2倍过电压后旁路HF-MMC上臂半桥子模块并将上臂参考电压偏置降为0，注入基频电流。故障持续时间设置为0.625 s，故障清除后，恢复直流电压控制和功率传输。仿真结果如图11所示。
表2 仿真模型参数
Tab.2 Parameters of simulation model
参数数值参数数值 直流电压Udc/kV11子模块额定电容电压UCN/kV0.5 交流标称电压Uac/kV6桥臂子模块数N/211 变压器变比k6/6.6桥臂电感L0/mH2 变压器漏抗Uk(%)5线路长度l/km20 电压调制比m0.98线路电阻Rline/(Ω/km)0.1 传输功率PN/MW2线路电感Lline/(mH/km)1 子模块电容C/mF3 接地电阻Rg/Ω500
图11 常规HF-MMC无闭锁故障穿越仿真结果
Fig.11 Non-blocking fault ride-through simulation results of conventional HF-MMC
当正极发生对地故障后，正极电压降至0，负极电压由-5.5 kV升为-11 kV。检测到负极2倍过电压后，将上臂直流电压偏置降低5.5 kV，定直流电压控制参考值和定功率控制参考值分别降低一半。可以看到，策略启动后直流输出电压降低一半，消除了负极的过电压情况，但穿越过程中HF-MMC的上臂与下臂子模块电容电压始终有所差异，故障极和健全极子模块电容电压不能完全平衡。
设置同样的正极接地故障和持续时间，检测到负极产生2倍过电压后仅交替切换HAM-MMC的桥臂选择开关而不进行环流控制。图12给出了HAM-MMC的单极接地交替复用无闭锁穿越（无环流控制）仿真结果。
图12 交替复用无闭锁穿越（无环流控制）仿真结果
Fig.12 Simulation results of alternating multiplexing without circulating current control
检测到负极2倍过电压后，将等效上臂直流电压偏置降为0，定直流电压控制参考值和定功率控制参考值分别降低一半，继续交替切换桥臂选择开关但不进行环流控制。容易发现，由于桥臂能量不均衡，子模块电容电压波动，最大达到0.984 kV，是额定值的1.97倍。桥臂电流也剧烈振荡，最高可达1.065 kA，直流侧电流为额定值0.182 kA的5.3倍。桥臂选择开关所承受的电压最高为10.11 kV，为额定耐压5.5 kV的1.8倍；通流最大值为1.415 kA，系统因能量不平衡而处于失稳状态。
图13为检测到单极接地故障后HAM-MMC进行单极接地故障交替复用无闭锁穿越并进行环流控制的仿真结果。将仿真系统参数代入式（16）、式（19）、式（20）、式（22）计算出的能维持桥臂能量均衡的基频及二倍频环流参考值幅值分别为0.062 kA和0.205 kA，a相基频和二倍频相位分别为177.15°和-86.43°。
图13 交替复用无闭锁穿越及环流控制仿真结果
Fig.13 Simulation results of alternating multiplexing with circulating current control
可以看出，在注入基频和二倍频环流后，HAM-MMC能够无闭锁穿越单极接地故障。当检测到正极接地故障后，开始实施单极接地故障无闭锁穿越策略，即将等效上臂直流电压偏置降为0，定直流电压控制参考值和定功率控制参考值分别降低一半，并注入基频和二倍频环流。在无闭锁故障穿越期间，桥臂选择开关正常工作，耐压和通流不超过额定值。中臂子模块全程参与电容电压排序，直流电流和子模块电容电压都基本保持稳定，仍然可以传输50%的有功功率。故障清除后，恢复直流电压控制和功率传输至正常状态，系统能够快速恢复正常运行，与图12对比验证了基频和二倍频环流控制的有效性。另外，图11中HF-MMC上、下臂子模块电压始终有所差异，与之不同的是HAM-MMC从1.24 s开始上、中、下臂子模块电容电压基本一致。1.625 s故障清除后，由于HAM-MMC三个桥臂的子模块电容电压基本相同，系统能够比HF-MMC更快恢复正常运行，且恢复过程中直流电流振荡更小。
图14为HAM-MMC加入环流控制前后的桥臂和相单元能量仿真结果。加入控制前，三个桥臂在穿越过程中能量剧烈波动，中臂与上、下臂能量不平衡。相单元的能量严重不均衡，c相能量达到 78 kJ，a、b相能量分别仅为23 kJ和17 kJ。加入环流控制后，三个桥臂能量和相单元能量均能保持稳定，与图15中常规HF-MMC的能量波动类似，但在中臂复用传递能量的作用下，桥臂之间能量更均衡，验证了所提策略的有效性。
图14 HAM-MMC环流控制前后能量仿真结果
Fig.14 Simulation results of energy in HAM-MMC without/with circulating current control
图15 HF-MMC环流控制前后能量仿真结果
Fig.15 Simulation results of energy in HF-MMC without/with circulating current control
针对桥臂复用MMC这一轻型化换流器拓扑结构，本文分析了其在单极接地短路故障下的特性，提出了交替复用无闭锁故障穿越策略和相应的子模块配置需求。通过双端换流站仿真模型，验证了策略的有效性及优越性。可以得出以下结论：
1）与半桥和全桥子模块按1:1比例组成的传统HF-MMC相比，HAM-MMC所需IGBT数量相同，但电容器数量减少了25%，在换流器轻型化和成本方面仍具有较大优势。
2）通过在AM-MMC的上、下桥臂配置全桥子模块并进行基频和二倍频直接环流控制，HAM-MMC能够利用其负电平输出能力将故障极直流电压偏置降为0，无闭锁穿越单极接地故障并维持50%的功率传输。故障后可以迅速恢复正常运行。
3）HAM-MMC交替复用穿越中，中臂子模块全程参与电容电压排序并传递能量，三个桥臂中的子模块电容电压基本保持一致，与常规MMC穿越相比其能量均衡效果更好，能够更快地穿越故障和恢复正常。
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Pole-to-Ground Fault Riding-Through and Energy Balance of Arm-Multiplexing Modular Multilevel Converter
Abstract The numerous submodules and floating capacitors in the modular multilevel converter (MMC) result in tremendous weight and high cost. In addition, the existing MMC projects based on half-bridge submodules (HBSMs) cannot deal with DC faults and require submodules with more devices, which further increases weight and volume. Recently, an arm-multiplexing modular multilevel converter (AM-MMC) was proposed, which had similar operation performance to the conventional MMC with 25% less capacitors. However, its complex structure and multiplexing modes pose problems to pole-to-ground fault riding-through and energy balance. To address these issues, this article deeply analyzes its fault characteristics and energy balance mechanism, and proposes the submodule configuration and non-blocking pole-to-ground fault ride-through strategy. By configuring full-bridge submodules (FBSMs) in the upper and lower arms and implementing fundamental and second harmonic direct circulating current control, the hybrid AM-MMC (HAM-MMC) can use the negative level output capability to reduce the DC voltage bias of the faulty pole and ride through faults.
Firstly, after detecting the pole-to-ground fault, FBSMs in the faulty pole arm should output negative levels to reduce the arm voltage by 50% DC voltage and arm switches alternate according to the switching threshold of the healthy pole. Calculated fundamental and second harmonic currents need injecting to achieve the converter energy balance. Secondly, the charging and discharging status of FBSMs change when output negative levels, and the submodule capacitor voltage balance sorting scheme should be adjusted. Thirdly, the reference DC voltage should be reduced to half for converters controlled by fixed DC voltage, and the reference power be half for the fixed active power converters. Finally, after the fault is cleared, normal modulation and power transmission are restored, and the fault is successfully ride through. This way, the strategy solves the energy imbalance problem between arms and submodules in AM-MMC caused by asymmetric faults.
Simulation results on the pole-to-ground fault riding-through of HAM-MMC show that, when only alternating arm switches without circulating current control, the submodule capacitor voltage, arm current, and DC current fluctuate due to the arm energy imbalance. The system is unstable, and arm switches exceed the withstand voltage and current capacity. After adding the fundamental and second harmonic circulating current control, the arm switches operate within the normal range. The middle arm submodules participate in capacitor voltage sorting throughout the entire process. Both the DC current and submodule capacitor voltage remain stable, still able to transmit 50% active power. After the fault cleared, the system can quickly restore, which verifies the effectiveness of the fundamental and second harmonic direct circulating current control.
The following conclusions can be drawn from the simulation analysis: (1) Compared with traditional HF-MMC, HAM-MMC requires the same number of IGBTs but reduces the number of capacitors by 25%, which still has significant advantages in terms of lightweight and cost. (2) By configuring FBSMs in the upper and lower arms and implementing fundamental and second harmonic direct circulating current control, HAM-MMC can output negative levels to reduce the DC voltage bias of the faulty pole to 0, riding through pole-to-ground faults without blocking and maintaining 50% power transmission. (3) During the HAM-MMC alternating multiplexing riding-through, submodules in the middle arm participate in the capacitor voltage sorting and transfer energy throughout the entire process. The voltages of the submodule capacitors in the three arms are basically equal, resulting in a better energy balance effect. Compared with conventional MMC, it can ride through faults and recover faster.
Keywords：Modular multilevel converter (MMC), arm-multiplexing, pole-to-ground fault, non-blocking ride-through, energy balance
中图分类号：TM721.1
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.232010
国家自然科学基金资助项目（52077079）。
收稿日期 2023-12-04
改稿日期 2024-01-06
李宇薇 女，1991年生，博士研究生，研究方向为柔性直流输电。
E-mail：liyuwei@ncepu.edu.cn
王 毅 男，1977年生，教授，博士生导师，研究方向为新能源与储能构网控制、柔性直流输配电网拓扑与控制。
E-mail：yi.wang@ncepu.edu.cn（通信作者）
（编辑 赫 蕾）