段军，谢哗源，姜田贵，朱铭炼，欧阳有鹏

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102)

摘 要:模块化多电平换流阀(modular multi-levelconverter,MMC)作为统一潮流控制器( unified power flowcontroller，UPFC)系统中的关键设备，其运行的可靠性直接影响到整个系统的安全稳定运行。采用k/n (G)可靠性模型描述方法，清晰地描述了换流阀可靠性与各种冗余度之间的关系，定量计算了500 kV苏南UPFC换流阀的可靠性指标，并对换流阀可靠性进行了优化设计，满足500 kV苏南UPFC工程要求，并为UPFC换流阀冗余度设计和优化提供了参考依据。

关键词:统一潮流控制器;模块化多电平换流阀;可靠性;冗余性设计

引言

统一潮流控制器(unified power flow controllerUPFC)作为目前功能最全面的柔性交流输电系统(flexible AC transmission systems  FACTS)设备，在潮流控制上具有较大的优势。既可以快速控制输电线路有功和无功潮流，提高线路的输送能力，同时也可以提高系统电压稳定性，改善系统阻尼，提高功角稳定性。目前，世界上电压等级最高、容量最大的江苏苏州南部电网500 kV UPFC科技示范工程己经正式投运，在世界范围内首次实现500kV电网电能流向的灵活、精准控制，最大可提升苏州电网电能消纳能力约1300 MW。

换流阀是基于模块化多电平换流阀的统一潮流控制器(modular multilevel converter based unifiedpower flow controller MMC}JPFC)的核心设备，组成元件多，结构复杂，研究其可靠性，对于UPFC的可靠性和可用率评估具有重要意义。在直流系统可靠性领域，以往的研究多集中在直流输电系统可靠性评估方法及保护装置等的可靠性分析，近年来，模块化多电平换流阀(modular multilevel con-verter,MMC)的可靠性逐步得到关注，由于缺乏基于MMC的柔性直流系统和UPFC在电力系统中实际运行数据，研究中往往采用假设数据，因此研究成果对实际系统的指导意义有限。文献以StakPak绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolartransistor IGBT)  MMC为例，计算了不同电压等级和不同冗余下的换流阀可靠性指标;文献研究了采用各种不同功率器件时变桥臂多电平拓扑(al-ternative arm multilevel converter A2MC)的柔性直流输电技术(voltage  source  converter-high  voltagedirect current VSC,IVDC)的可靠度，以10 kV电压等级为例进行计算分析;文献考虑子模块、控制保护系统、阀冷系统等，构建了MMC在两种备用策略下的可靠度函数。

本文采用k/n ( G)可靠性模型描述方法，清晰描述了模块化多电平换流阀可靠性与各种冗余度之间的关系，定量计算了500 kV苏南UPFC换流阀的可靠性指标，并对换流阀可靠性进行优化设计，满足实际工程要求，为后续UPFC换流阀冗余度设计提供参考依据。

1 MMC-UPFC系统结构

1.1 UPFC主电路结构

500 kV苏南UPFC主回路拓扑结构如图1所示。串、并联侧3个换流阀采用背靠背连接方式，并联侧换流阀一套，通过启动电阻接至并联变压器，再接入木读500 kV母线，从系统吸收有功功率稳定直流母线电压，同时可以向系统吸收或注入无功功率;串联侧换流阀两套，通过2个串联变压器接入木读一梅里500 kV双回线路，向系统插入相位、幅可独立调节的电压，从而起到潮流控制的功能。械旁路开关与串联变压器串联，在串联侧换流阀长时间退出运行时，旁路串联侧所有设备;晶闸管旁路开关在紧急故障情况下旁路串联侧换流阀，起保护作用。

采用基于全控电力电子器件IGBT构成的模块化多电平电压源型换流阀是MMC-UPFC的核心设备，是交流系统和直流系统的分界点和转换器，其运行的可靠性直接影响到整个UPFC系统的安全稳定运行。

图1  500 kV苏南UPFC主回路拓扑示意

1.2  MMC基本结构

MMC拓扑结构如图2所示，每个换流阀相单元由上、下2个桥臂组成，三相共包含6个桥臂，每个桥臂由桥臂电抗器和若干相同的子模块(sub-module } SM)组成。MMC子模块可采用全桥、半桥或者类全桥拓扑。500 kV苏南UPFC换流阀子模块采用半桥拓扑，如图3所示，每个子模块由2个IGBT,2个IGBT驱动板、电容器、保护晶闸管SCR,旁路开关K、高压取能电源以及子模块控制器(sub-module controller SMC)组成。

图2 MMC拓扑结构