岳偉，易榮，張海濤，許樹楷

（1. 榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114051；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080）

模塊化多電平換流器（MMC）是由西門子公司首先提出的采用多個(gè)子模塊串聯(lián)的一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]。避免了二電平、三電平拓?fù)渲虚_關(guān)器件直接串聯(lián)帶來的動(dòng)態(tài)均壓等問題，同時(shí)僅通過變化所使用的子模塊數(shù)量，就可以靈活地改變換流器的輸出電壓及功率等級(jí)，易于擴(kuò)展到任意電平，具有較小的諧波畸變[2-4]。能向無源網(wǎng)絡(luò)供電、能夠瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無功的獨(dú)立解耦控制、換流站間不需要通訊而且易于實(shí)現(xiàn)多端系統(tǒng)[5]，適用于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)、孤島供電、交流系統(tǒng)的異步互聯(lián)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、多端直流輸電以及城市配電網(wǎng)增容等領(lǐng)域[6]。

模塊化多電平換流器的啟動(dòng)是系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)，也是柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行過程中的重要環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)若控制不當(dāng)將產(chǎn)生嚴(yán)重的過壓和過流，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，影響交流系統(tǒng)正常運(yùn)行，危及設(shè)備和人身安全。

目前模塊化多電平換流器子模塊電容預(yù)充電有自勵(lì)和他勵(lì)2種方式：自勵(lì)是指由與換流器相連交流系統(tǒng)向子模塊電容充電；他勵(lì)是由輔助電源提供充電功率。前者要求模塊化多電平換流器交流側(cè)必須為正常運(yùn)行的有源電網(wǎng)，而后者需要額外的裝置，增加成本和工作量。針對(duì)換流器充電，文獻(xiàn)[7]提出了特定的交、直流限流電阻配置方案以及有源MMC-HVDC三相六橋臂各子模塊同時(shí)預(yù)充電方法。文獻(xiàn)[8]采用載波移相策略提出了一種適用于MMC可控階段的新型啟動(dòng)方法。文獻(xiàn)[9]采用輔助充電電源向各子模塊電容預(yù)充電的他勵(lì)方式來實(shí)現(xiàn)MMCHVDC的預(yù)充電，這種方式不但需要單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)合適的輔助直流充電電源，增加設(shè)備投資，而且由于直流電壓源的輸出電壓需要約等于子模塊電容電壓，在高壓大容量的應(yīng)用場(chǎng)合，這種輔助直流電源不易獲得，因此不能滿足實(shí)際工程需要。文獻(xiàn)[10]提出采用串接交流側(cè)限流電阻來對(duì)各子模塊進(jìn)行充電，但是該方法不能實(shí)現(xiàn)對(duì)MMC-HVDC同相上、下橋臂同時(shí)充電，充電時(shí)間緩慢，而且在換流器解鎖時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，引起各子模塊電壓波動(dòng)，需要設(shè)計(jì)附加的控制算法進(jìn)行抑制，從而增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。

本文提出一種模塊化多電平換流器的直流側(cè)充電方法，采用不控整流預(yù)充電和子模塊數(shù)遞減方法使子模塊電容電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定值?？稍诓辉黾宇~外投入的情況下實(shí)現(xiàn)模塊化多電平換流器的充電，控制方法簡(jiǎn)單，有效避免直流側(cè)不控整流預(yù)充電完成后，直接解鎖模塊化多電平換流器時(shí)的沖擊電壓和沖擊電流，提高柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。該方法已在南澳柔性直流輸電工程中成功應(yīng)用。

1 模塊化多電平換流器工作原理

圖1為模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中uva、uvb、uvc分別為換流器輸出交流電壓；Idc、Udc分別為直流側(cè)電流和電壓；2L0、2R0分別為橋臂等效電抗和橋臂等效電阻。每個(gè)相單元由上、下兩個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由若干相同功率模塊串聯(lián)以產(chǎn)生高電壓。每個(gè)子模塊（Sub-module，SM）由2只帶反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和1個(gè)直流儲(chǔ)能電容器（Uc）構(gòu)成。通過控制子模塊中VT1和VT2開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制子模塊電容器投入或退出主回路。通過分別控制上、下橋臂處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)按正弦規(guī)律變換，產(chǎn)生階梯正弦交流電壓波形，模塊數(shù)越多，電平數(shù)越多，輸出越接近正弦波；理想情況下，每個(gè)橋臂可用一個(gè)理想電壓源等效；通過控制相單元內(nèi)處于投運(yùn)狀態(tài)的子模塊數(shù)保持不變，產(chǎn)生恒定的直流電壓波形。

2 模塊化多電平換流器直流側(cè)啟動(dòng)控制策略

圖1 模塊化多電平換流器拓?fù)銯ig. 1 Topology of MMC

當(dāng)換流器交流側(cè)為無源網(wǎng)絡(luò)或?yàn)榇龁?dòng)的有源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可通過直流線路從直流側(cè)啟動(dòng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中圖2（a）交流側(cè)為待啟動(dòng)的有源網(wǎng)絡(luò)，圖2（b）交流側(cè)為無源網(wǎng)絡(luò)。待啟動(dòng)的換流站通過直流線路與其他換流站互聯(lián)。換流站直流側(cè)包括1組或2組隔離開關(guān)；交流側(cè)為無源網(wǎng)絡(luò)或待啟動(dòng)的有源網(wǎng)絡(luò)，包括相互串聯(lián)的交流斷路器、隔離開關(guān)和換流變壓器，當(dāng)交流側(cè)為有源網(wǎng)絡(luò)時(shí)還包括2端并聯(lián)旁路開關(guān)的充電電阻。

圖2 兩端柔性直流輸電系統(tǒng)Fig. 2 Two terminals VSC-HVDC transmission system

圖2中MMC1、MMC2為兩端柔性直流輸電系統(tǒng)中采用模塊化多電平的換流器，由MMC2通過直流線路為MMC1充電。Qi、QSi1、QSi2（i=1，2）分別為MMC1、MMC2交流側(cè)斷路器和隔離開關(guān)；T1、T2分別為2個(gè)換流站的換流變壓器，換流變壓器連接有源網(wǎng)時(shí)交流側(cè)串聯(lián)充電電阻及與充電電阻相并聯(lián)的旁路開關(guān)；QD1、QD2分別為2個(gè)換流站的直流側(cè)隔離開關(guān)；Udc1、Udc2分別為2個(gè)換流站直流側(cè)電壓。

模塊化多電平換流器直流側(cè)充電策略分為2個(gè)階段：不控整流預(yù)充電階段和子模塊數(shù)遞減解鎖充電階段。

2.1 不控整流預(yù)充電

不控整流預(yù)充電是待啟動(dòng)的換流站指通過直流線路從直流側(cè)進(jìn)行不控整流預(yù)充電，其充電回路如圖3所示。圖中Udc1為MMC1的直流側(cè)電壓；Udc2為MMC2的直流側(cè)電壓。

圖3 不控整流預(yù)充電時(shí)電流通路Fig. 3 Circuit of uncontrollable pre-charge

在不控整流預(yù)充電階段，應(yīng)遵循以下操作步驟：

1）斷開模塊化多電平換流器交流側(cè)隔離開關(guān)及斷路器。對(duì)應(yīng)圖2應(yīng)依次斷開MMC1交流側(cè)QS11、QS12、Q1，使模塊化多電平換流器與交流電網(wǎng)斷開。

2）系統(tǒng)中除需直流充電的換流站以外的其他換流站組成的系統(tǒng)正常運(yùn)行。即MMC2正常啟動(dòng)，采用定直流電壓方式運(yùn)行。

3）閉合模塊化多電平換流器直流側(cè)隔離開關(guān)，該站通過直流線路進(jìn)行不控整流預(yù)充電。對(duì)應(yīng)圖2應(yīng)依次閉合MMC2直流側(cè)隔離開關(guān)QD2、MMC1直流側(cè)隔離開關(guān)QD1，由MMC2通過直流線路對(duì)MMC1子模塊電容進(jìn)行不控整流預(yù)充電。

2.2 子模塊數(shù)遞減解鎖

圖2中MMC1不控整流預(yù)充電完成后，需要解鎖才能實(shí)現(xiàn)與MMC2的并列運(yùn)行。以預(yù)先設(shè)定值為直流不控整流充電時(shí)的子模塊電容電壓的2倍為例。設(shè)MMC1橋臂子模塊數(shù)為n，解鎖前MMC1每相有2n個(gè)子模塊與直流側(cè)電壓并聯(lián)，每個(gè)子模塊電容電壓應(yīng)滿足：

解鎖后每相有n個(gè)子模塊與直流側(cè)電壓并聯(lián)，每個(gè)子模塊預(yù)先設(shè)定電容電壓應(yīng)滿足：

解鎖后子模塊電容電壓是解鎖前子模塊電容電壓的2倍，若直接解鎖，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流和沖擊電壓。所以，不控整流充電完成后，以投入子模塊數(shù)遞減方式解鎖模塊化多電平換流器，即在換流器解鎖后，通過一定的控制使得與直流側(cè)電壓并聯(lián)的子模塊數(shù)由2n逐漸減小到n，以減小由于換流器直接解鎖時(shí)投入子模塊數(shù)量突變而帶來的沖擊，保證柔性直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在上述兩個(gè)階段充電完成后，換流站并入系統(tǒng)運(yùn)行。

圖4 不采用直流側(cè)啟動(dòng)方法的仿真Fig.4 Simulation of start-up not by using DC side method

3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC平臺(tái)上搭建了n=10的模塊化多電平換流站等效模型驗(yàn)證本文所提策略的有效性。當(dāng)MMC1交流側(cè)為無源電網(wǎng)或待啟動(dòng)的有源電網(wǎng)時(shí)，交流側(cè)均不提供充電功率，均可等效為換流器與交流側(cè)斷開情況。MMC2以不控整流電路代替，Udc1=Udc2=15 kV。不采用上述啟動(dòng)策略時(shí)，仿真波形如圖4所示，分別為子模塊電容電壓直流側(cè)電壓、直流側(cè)電壓、直流側(cè)電流。解鎖前后投入子模塊數(shù)突變，且電容電壓驟升，給直流電壓和直流電流帶來很大沖擊。

MMC1不控整流預(yù)充電完成后，采用投入子模塊數(shù)線性遞減方式解鎖。仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)為8 s，t=0時(shí)MMC2啟動(dòng)，MMC1直流側(cè)隔離開關(guān)閉合；t=1 s 時(shí)解鎖MMC1，使其從MMC2繼續(xù)充電，解鎖后投入子模塊數(shù)減小指令如圖5所示；t=6.5 s時(shí)充電完成，MMC1與MMC2并列運(yùn)行。

圖6為采用本文充電策略的子模塊電容電壓以及直流側(cè)電壓、電流波形。

圖5 投入子模塊數(shù)遞減指令Fig. 5 Command of running sub-module number

由圖6可知，由于解鎖后采用投入子模塊數(shù)遞減的控制方法，使子模塊電容電壓逐漸升高，避免直接解鎖時(shí)巨大的沖擊電流和沖擊電壓，保證柔性直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

當(dāng)換流器交流側(cè)為無源網(wǎng)絡(luò)或待啟動(dòng)的有源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可通過直流線路從直流側(cè)進(jìn)行不控整流預(yù)充電，充電完成后按子模塊數(shù)遞減方法解鎖換流器。該方法無需增加輔助電源，且控制簡(jiǎn)單，可有效避免直流側(cè)不控整流預(yù)充電完成后，直接解鎖模塊化多電平換流器時(shí)的沖擊電壓和沖擊電流，提高柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。該方法已成功應(yīng)用于南澳柔性直流輸電工程，具有一定的實(shí)際意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

圖6 采用直流側(cè)啟動(dòng)方法的仿真Fig. 6 Simulation of start-up by using DC side method

[1] 李廣凱，江政昕，趙昕，等. 電壓源換流器高壓直流輸電的特點(diǎn)與前景[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5（5）: 13-17.LI Guangkai，JIANG Zhengxin，ZHAO Xin，et al. The characteristics and prospect of VSC-HVDC power transmission[J]. South Power System Technology，2011，5（5）:13-17（in Chinese）.

[2] 周建，蘇建徽，王新穎. 模塊化多電平換流器的預(yù)充電控制[J]. 高壓電器，2014，50（4）: 103-107.ZHOU Jian，SU Jianhui，WANG Xinying. Pre-charging control of modular multilevel converter[J]. High Voltage Apparatus，2014，50（4）: 103-107（in Chinese）.

[3] LESNICAR A，MARQUARDT R. An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range[C]// Power Tech Conference Proceedings，2003 IEEE Bologna. IEEE，2003（3）：3-6.

[4] ALLEBROD S，HAMERSKI R，MARQUARDT R. New transformerless，scalable modular multilevel converters for HVDC-transmission[C]//Power Electronics Specialists Conference，2008. PESC 2008. IEEE. IEEE，2008: 174-179.

[5] 滕松，宋新立，李廣凱，等.模塊化多電平換流器型高壓直流輸電綜述[J]. 電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（2）: 43-49.TENG Song，SONG Xinli，LI Guangkai，et al. A survey on HVDC transmission with modular multilevel converters[J].Power System and Clean Energy，2012，28（2）: 43-49（in Chinese）.

[6] 劉雋，賀之淵，何維國(guó)，等.基于模塊化多電平變流器的柔性直流輸電技術(shù)[J]. 電力與能源，2011，1（1）: 33-38.LIU Jun，HE Zhiyuan，HE Weiguo，et al. The introduction of technology of HVDC based on modular multilevel converter[J]. Power&Energy，2011，1（1）:33-38（in Chinese）.

[7] 周月賓，江道灼，郭捷梁，等. 模塊化多電平換流器型直流輸電系統(tǒng)的啟停控制[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（3）:204-209.ZHOU Yuebin，JIANG Daozhuo，GUO Jieliang et al. Start/stop control of modular multilevel converter based HVDC transmission system[J]. Power System Technology，2012，36（3）: 204-209（in Chinese）.

[8] 姜燕，胡敬偉，王輝，等. 一種MMC型VSC—HVDC系統(tǒng)預(yù)充電的控制策略[J]. 控制工程，2014，21（1）: 41-45.JIANG Yan，HU Jingwei，WANG Hui，et al. A precharging control strategy for modular multilevel converter based VSC-HVDC system[J].Control Engineering of China，2014，21（1）: 41-45（in Chinese）.

[9] 孔明，邱宇峰，賀之淵，等. 模塊化多電平式柔性直流輸電換流器的預(yù)充電控制策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（11）: 67-73.KONG Ming，QIU Yufeng，HE Zhiyuan，et al. Precharging control strategies of modular multilevel converter for VSC-HVDC[J]. Power System Technology，2011，35（11）: 67-73（in Chinese）.

[10] 任濤，張杰，唐劍釗，等. MMC-HVDC 模塊電容器預(yù)充電策略及仿真分析[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013，25（5）: 144-148.REN Tao，ZHANG Jie，TANG Jianzhao，et al.MMC-HVDC charging strategy research and simulation analysis[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2013，25（5）: 144-148（in Chinese）.