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储能系统技术 储能系统 多电平 ★ 5.0

采用机械式隔离开关的增强型MMC以实现直流故障阻断和降低功率损耗

Enhanced MMC With Mechanical Disconnectors for DC Fault Blocking and Reduced Power Losses

作者 Xiongfeng Fang · Lei Li · Cheng Wang
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年2月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 多电平
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 模块化多电平换流器 直流故障 混合直流断路器 混合模块化多电平换流器 新型拓扑
语言:

中文摘要

传统模块化多电平换流器(MMC)采用半桥子模块(HB - SM),无法清除直流故障电流。这一限制使得要么需要使用额外的直流断路器(DCCB),要么需要改进换流器拓扑。在众多解决方案中,混合式直流断路器(HDCCB)和混合式模块化多电平换流器(HMMC)是两种被广泛认可的方案。通过在主支路(MB)中加入超快机械隔离开关,HDCCB可以实现低功率损耗。然而,由于电流转移支路(CTB)需要数百个额外的半导体功率开关,导致成本高昂,阻碍了其广泛应用。虽然HMMC具备快速的直流故障阻断能力,但会产生大量额外的功率损耗。本文提出了一种新颖的拓扑结构,将HDCCB的电流换相原理融入MMC中。通过主支路将直流故障电流引入单个MMC桥臂,并将该桥臂作为电流转移支路,所提出的拓扑结构既能实现快速的直流故障阻断,又能降低功率损耗。

English Abstract

The conventional modular multilevel converter (MMC), which employs half-bridge submodules (HB-SMs), cannot clear dc fault currents. This limitation necessitates either the use of additional dc circuit breakers (DCCBs) or enhancements to the converter topology. Among the various solutions, hybrid DCCBs (HDCCBs) and hybrid MMCs (HMMCs) are two of the most widely recognized options. By incorporating ultrafast mechanical disconnectors into the main branches (MBs), HDCCBs can achieve low power losses. However, their widespread adoption is hindered by high costs, stemming from the hundreds of additional semiconductor power switches required in the current transfer branches (CTBs). Although HMMCs offer rapid dc fault blocking capabilities, they incur substantial additional power losses. This letter proposes a novel topology that integrates the current commutation principle of HDCCBs into MMCs. By directing the dc fault current into a single MMC arm via the MBs, and assigning that arm as the CTB, the proposed topology achieves both fast dc fault blocking and reduced power losses.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于机械断路器增强型MMC的技术对我们在高压直流输电和大规模储能系统领域具有重要战略意义。传统半桥子模块MMC无法阻断直流故障电流的痛点,一直制约着光伏电站、风电场及储能系统向高压直流架构演进的步伐。

该技术的核心价值在于同时解决了直流故障阻断能力和功率损耗两大难题。相比混合直流断路器方案需要数百个额外半导体开关导致的高成本问题,以及混合MMC方案带来的显著附加损耗,该拓扑通过将超快速机械断路器集成到主支路,并巧妙地利用单个MMC桥臂作为电流转移支路,实现了成本与性能的优化平衡。这对阳光电源开发具有竞争力的1500V乃至更高电压等级的储能变流器和光伏逆变器产品极具参考价值。

从技术成熟度评估,该方案仍处于学术验证阶段,工程化应用需要突破几个关键挑战:超快速机械断路器的可靠性和寿命验证、故障电流转移过程的精确控制策略、以及与现有保护系统的协调配合。但其技术路径清晰,与我们在模块化多电平技术领域的积累高度契合。

建议阳光电源将此技术纳入中长期研发规划,特别是针对海上风电柔性直流并网、大型光储一体化项目的高压直流母线保护场景。通过与高校合作开展样机验证,可在降低系统成本、提升系统效率方面形成差异化竞争优势,进一步巩固我们在新能源电力电子装备领域的技术领先地位。