模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)的直流側(cè)啟動方法研究

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)帶來的動態(tài)均壓等問題，同時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，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、能夠瞬時實現(xiàn)有功和無功的獨立解耦控制、換流站間不需要通訊而且易于實現(xiàn)多端系統(tǒng)[5]，適用于風(fēng)電場并網(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)充電有自勵和他勵2種方式：自勵是指由與換流器相連交流系統(tǒng)向子模塊電容充電；他勵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)充電的他勵方式來實現(xiàn)MMCHVDC的預(yù)充電，這種方式不但需要單獨設(shè)計一個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)用場合，這種輔助直流電源不易獲得，因此不能滿足實際工程需要。文獻(xiàn)[10]提出采用串接交流側(cè)限流電阻來對各子模塊進(jìn)行充電，但是該方法不能實現(xiàn)對MMC-HVDC同相上、下橋臂同時充電，充電時間緩慢，而且在換流器解鎖時，會產(chǎn)生較大的沖擊電流，引起各子模塊電壓波動，需要設(shè)計附加的控制算法進(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~外投入的情況下實現(xiàn)模塊化多電平換流器的充電，控制方法簡單，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。每個相單元由上、下兩個橋臂組成，每個橋臂由若干相同功率模塊串聯(lián)以產(chǎn)生高電壓。每個子模塊（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個直流儲能電容器（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，每個橋臂可用一個理想電壓源等效；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)或為待啟動的有源網(wǎng)絡(luò)時，可通過直流線路從直流側(cè)啟動。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中圖2（a）交流側(cè)為待啟動的有源網(wǎng)絡(luò)，圖2（b）交流側(cè)為無源網(wǎng)絡(luò)。待啟動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個換流站的換流變壓器，換流變壓器連接有源網(wǎng)時交流側(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個換流站的直流側(cè)隔離開關(guān)；Udc1、Udc2分別為2個換流站直流側(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，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個子模塊與直流側(cè)電壓并聯(lián)，每個子模塊電容電壓應(yīng)滿足：

解鎖后每相有n個子模塊與直流側(cè)電壓并聯(lián)，每個子模塊預(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平臺上搭建了n=10的模塊化多電平換流站等效模型驗證本文所提策略的有效性。當(dāng)MMC1交流側(cè)為無源電網(wǎng)或待啟動的有源電網(wǎng)時，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。不采用上述啟動策略時，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。仿真時長設(shè)為8 s，t=0時MMC2啟動，MMC1直流側(cè)隔離開關(guān)閉合；t=1 s 時解鎖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)或待啟動的有源網(wǎng)絡(luò)時，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，具有一定的實際意義和工程應(yīng)用價值。

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

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