MMC-HVDC模塊電容器預(yù)充電策略及仿真分析

任濤，張杰，唐劍釗，馬雅青，敬華兵，肖泉華

（株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司工業(yè)變流技術(shù)中心，株洲 412001）

MMC-HVDC模塊電容器預(yù)充電策略及仿真分析

任濤，張杰，唐劍釗，馬雅青，敬華兵，肖泉華

（株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司工業(yè)變流技術(shù)中心，株洲 412001）

基于模塊化多電平換流器的直流輸電系統(tǒng)（MMC-HVDC）起動時需要對換流器中的模塊電容器采取合適的預(yù)充電策略以限制其過充電流和過充電壓，并將電容器電壓較快地充電到額定值。在研究模塊化多電平換流器拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了MMC中子模塊電容器的充電特點，根據(jù)IGBT的工作狀態(tài)，提出了IGBT不可控和IGBT可控的兩個階段對子模塊電容進行預(yù)充電的策略，并進行了仿真驗證，結(jié)果表明所提出的充電方法是正確的，對實際工程具有一定的指導(dǎo)意義。

直流輸電；模塊化多電平換流器；子模塊電容器；充電策略；仿真分析

基于電壓源換流器的直流輸電VSC-HVDC（voltage sourced converter-high voltage directcurrent transmission）技術(shù)，即柔性直流輸電技術(shù)，是新一代更為靈活、環(huán)保的直流輸電技術(shù)，解決了常規(guī)直流輸電的諸多固有瓶頸，是智能電網(wǎng)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一[1，2]。根據(jù)其技術(shù)特點，適合應(yīng)用于新能源并網(wǎng)發(fā)電、城市輸配電增容和異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域[3，4]。

模塊化多電平換流器拓撲，與二電平拓撲不同，換流器的橋臂不是由多個開關(guān)器件直接串聯(lián)構(gòu)成，而是采用子模塊級聯(lián)的方式，從而避開了大量開關(guān)器件的直接串聯(lián)的難題，對器件的開關(guān)一致性要求不高[5～7]，可以達到很大的電平數(shù)，輸出特性好。

文獻[8]介紹了基于傳統(tǒng)兩電平VSC-HVDC的系統(tǒng)起動控制方式，并提出了采用串聯(lián)限流電阻與基于直接電流控制的矢量控制器相結(jié)合的復(fù)合起動策略。目前國內(nèi)外在基于模塊化多電平換流器的直流輸電工程化應(yīng)用還處于示范試驗階段，針對子模塊電容充電方式介紹的文獻資料鮮有報道。

而基于模塊化多電平換流器MMC（modular multilevel converter）的直流輸電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)兩電平換流器，因此有必要對基于MMC的直流輸電系統(tǒng)的子模塊電容器充電方式進行研究。本文在MMC拓撲原理研究的基礎(chǔ)上，通過對子模塊電容器充電特點的分析，提出了分2個階段進行充電的充電策略，并建立仿真模型進行仿真驗證。

1 模塊化多電平換流器拓撲的基本原理

MMC基本的拓撲結(jié)構(gòu)[9～11]如圖1所示，O點代表零電位參考點。換流器有6個橋臂，每個橋臂由1個電抗器和n個子模塊（submodule）串聯(lián)而成，每相的上、下兩個橋臂合在一起統(tǒng)稱為相單元（phaseunit）。MMC的基本電路單元為子模塊，由2個絕緣柵雙極晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）開關(guān)器件和1個直流儲能電容器構(gòu)成。出于模塊化設(shè)計、制造和裝配的目的，各子模塊的額定值相同。換流器的三相橋臂均通過一定數(shù)量、相同結(jié)構(gòu)的子模塊和1個閥電抗器串聯(lián)組成。

圖1 MMC基本拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic topology structureofMMC

模塊化多電平換流器通過改變所使用的子模塊的數(shù)量，可以靈活地變化系統(tǒng)的功率和電壓等級，隨著電平數(shù)的增加，開關(guān)頻率和諧波可大大減小，在很多情況下無需交流濾波器，其不足之處在于各子模塊電容電壓間的平衡和高電平時所帶來的控制難度增加。由于各個相單元中投入的子模塊數(shù)是一個定值，所以可以通過將各相單元中投入的子模塊在該相單元上、下橋臂之間進行分配而實現(xiàn)對a、b、c三點輸出交流電壓的調(diào)節(jié)。各子模塊按正弦規(guī)律依次投入，構(gòu)成的橋臂電壓可以用一個受控基波電壓源Upj，Unj（j=a，b，c）等效[10]。圖1中點ap與an、bp與bn、cp與cn等電位，則每相上下橋臂的電抗相當于并聯(lián)。因此，可以將等電位點虛擬短接，從而可以將閥電抗器移到換流器交流輸出線上。根據(jù)上面的分析，得到的MMC等值電路如圖2所示。

圖2中，m=（a，b，c）；vm為圖1中等電位點的電壓；等效電抗器L的值為圖1中單個橋臂串聯(lián)電抗器值的一半。

圖2 MMC等值電路Fig.2 Equivalence circuitofMMC

2 MMC-HVDC系統(tǒng)限流電阻的配置方式

為了使MMC-HVDC系統(tǒng)的直流電壓快速上升到接近正常工作時的電壓，但又不能產(chǎn)生過大的充電電流和電壓過充現(xiàn)象，實際工程中一般是啟動時在充電回路中串接限流電阻，充電結(jié)束時退出限流電阻以減少損耗。

在已投運的柔性直流輸電工程中，限流電阻的安裝位置一般有3種選擇[8]：①換流變壓器網(wǎng)側(cè)；②換流變壓器閥側(cè)；③直流側(cè)。對于二電平VSC，限流電阻可以串接在直流側(cè)；但對于MMC拓撲，由于要限制子模塊電容器的充電電流，所以必須在交流側(cè)串接限流電阻。考慮到實際輸電工程中換流變壓器大都為三繞組變壓器以便對輔助設(shè)備進行供電，因此，本文選擇將限流電阻接在換流變壓器閥側(cè)，如圖3所示。

圖3 限流電阻配置示意Fig.3 Sketchmap of current lim iting resistor

3 子模塊電容器充電過程分析

圖3中，首先合上開關(guān)S2并斷開S1，接入串聯(lián)限流電阻，用于限制充電電流，開始對子模塊電容進行充電。實際工程中，子模塊的IGBT的驅(qū)動電源一般都是模塊自取能，當系統(tǒng)電壓還未建立時，IGBT是不能控制的。此時，只能利用交流系統(tǒng)電壓通過IGBT的反并聯(lián)二極管同時對三相橋臂子模塊電容器進行充電。然而由于工程中橋臂串聯(lián)的子模塊數(shù)較多，這種充電方式下子模塊電容器所能達到的最大充電電壓僅為閥側(cè)交流電壓峰值的1/n（n為每個橋臂中串聯(lián)的子模塊數(shù)），其充電示意如圖4所示。例如：某MMC-HVDC示范工程中閥側(cè)交流電壓為Urams=31 kV，直流線路電壓Udc= 60 kV，每個橋臂中串聯(lián)的子模塊數(shù)n=48，單個子模塊額定工作電壓為1.25 kV?？捎嬎愠鯥GBT不控制時子模塊所能充到的最大電壓為

圖4 子模塊充電示意Fig.4 Sketchmop of Sub-module charging

顯然，僅靠這種方式充電往往不能達到子模塊電容器的額定工作電壓。由于IGBT的驅(qū)動電壓一般為600～800 V，因此，可以考慮分2個階段對子模塊電容器進行充電：①IGBT不能控制時接通限流電阻自然充電；②當達到IGBT驅(qū)動電壓后則通過適當?shù)目刂撇呗钥刂艻GBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，在同一個時刻只對一個子模塊電容器充電，當該子模塊充到額定電壓后將其旁路，并開始對下一個子模塊進行充電。具體充電流程如圖5所示。

通過控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷逐個對子模塊電容器進行充電，從而建立系統(tǒng)額定直流電壓，完成系統(tǒng)起動的預(yù)充電過程。

圖5 子模塊充電流程Fig.5 Flow chartof sub-module charging

4 仿真分析

為了準確驗證前述充電方法的正確性和可行性，采用仿真軟件PSCAD/EMTDC建立了如圖6所示的背靠背MMC-HVDC系統(tǒng)仿真模型。

系統(tǒng)主要電氣參數(shù)如表1所示，兩交流系統(tǒng)對稱，MMC單個橋臂子模塊數(shù)均為4個，模塊電容值為6 000μF，子模塊額定工作電壓為1 250V。

圖6 MMC-HVDC系統(tǒng)仿真模型Fig.6 SimulationmodelofMMC-HVDC

表1 MMC-HVDC系統(tǒng)電氣參數(shù)Tab.1 M ain electricalparametersof theMMC-HVDC

4.1 IGBT不可控時子模塊的充電仿真

根據(jù)第3節(jié)的分析，由于子模塊中IGBT的驅(qū)動電源采用自取能，充電開始前沒有建立驅(qū)動電壓，只能通過IGBT反并聯(lián)的二極管進行充電，如圖7所示。

由圖7可以看出，在IGBT不控制而僅通過二極管充電的情況下，MMC上下橋臂子模塊在交流電壓的正/負半波間交替充電，每個電容的最大充電電壓約為880 V，是變壓器二次側(cè)基波電壓Uv（有效值為2.5 kV）幅值的1/4，顯然不能達到電容器的額定工作電壓，但已達到驅(qū)動電源的開通電壓，可以通過控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷加入其他輔助充電控制。

圖7 IGBT不可控階段的充電電壓波形Fig.7 IGBT uncontrollable stage charging voltagewaveform

4.2 子模塊逐一充電仿真

為了使模塊電容器充電到額定工作電壓，在建立了驅(qū)動電壓后通過控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷對子模塊電容進行逐個充電，從而完成整個MMC的充電過程，如圖8～圖10所示。

圖8 子模塊充電電壓波形Fig.8 Sub-module charging voltagewaveform

圖9 閥側(cè)充電電流波形Fig.9 Valve side charging currentwaveform

由圖8可以看出，在完成第一階段的充電后子模塊電容電壓達到800 V，開通驅(qū)動電源控制IGBT，同時對上/下橋臂子模塊進行逐一充電，直到額定電壓，完成子模塊的充電。

從圖9和圖10可以看出，整個充電過程中沒有產(chǎn)生明顯的電流和電壓過充現(xiàn)象。在IGBT不可控充電階段由于需要對4個電容器同時充電，隨著電容電壓快速充電至800 V，充電電流迅速減小，同時閥側(cè)電壓逐漸升高；而在IGBT可控階段，每次只分別同時對上/下橋臂的一個電容器充電，達到額定電壓后將其旁路，并開始對上/下橋臂的下一個電容器進行充電，因此，IGBT可控的充電過程明顯分成4個階段。當最后一個電容器充電完成后將不再將其旁路，而是投入上橋臂所有子模塊并同時將下橋臂所有子模塊旁路，以支撐直流側(cè)電壓，等待控制系統(tǒng)指令，起動系統(tǒng)并開始功率傳輸。

圖10 閥側(cè)電壓波形Fig.10 Valve side voltagewaveform

5 結(jié)論

本文研究了MMC子模塊電容器的充電策略。根據(jù)MMC拓撲特點提出了分2個階段對模塊電容進行充電的控制方法，所得結(jié)論如下。

（1）IGBT不可控階段，通過續(xù)流二極管對橋臂中的所有電容器同時進行充電，建立起子模塊的控制電源電壓。

（2）通過相應(yīng)的控制邏輯逐一對子模塊電容器進行充電，使其達到額定工作電壓，完成預(yù)充電過程。仿真結(jié)果表明所提出的充電方法簡單可行，能夠滿足實際工程的需要。

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MMC-HVDCCharging Strategy Reasearch and Simulation Analysis

REN Tao，ZHANG Jie，TANG Jian-zhao，MA Ya-qing，JINGHua-bing，XiaoQuan-hua
（Zhuzhou NationalEngineering Research ofCenterofConvertersCo.Ltd.，Zhuzhou 412001，China）

TheMMC-HVDCbased on themodularmultilevelconvertermusthave an appropriate pre-chargingmethod to limit theover currentand voltagewhen itstarts，and charge themodule capacitor to the rate voltage fastenough.This paper analyses themodular capacitor's charging characteristic based on the research of the topology ofmodularmultilevel converter，and according to the characteristics of IGBT a strategy having two steps of charging is presented to charge themodular capacitor，which contains IGBTuncontrollable step and IGBT controllable step.Results of simulation show that thisstrategy is correctand useful in the practicalproject.

direct current transmission；modulemultilevel converter；module capacitor；charging strategy；simulation analysis

TM721

A

1003-8930（2013）05-0144-05

任濤（1985—），男，本科工程師，從事直流輸電與柔性交流輸電的研究工作。Email：rentao@teg.cn

2011-09-08；

2011-12-14

張杰（1980—），男，博士，高級工程師，從事直流輸電與柔性交流輸電的研究工作。Email：zhangjie1@teg.cn

唐劍釗（1980—），男，本科，工程師，從事城市軌道交通供電系統(tǒng)、直流輸電與柔性交流輸電的研究工作。Email：tangjianzhao@teg.cn