模塊化多電平變換器預(yù)充電控制策略

姚 駿，譚 義，趙 磊

(1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué))，重慶 沙坪壩 400044；2.國網(wǎng)四川省電力公司綿陽供電公司，四川 綿陽 621000)

模塊化多電平變換器預(yù)充電控制策略

姚 駿1，譚 義1，趙 磊2

(1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué))，重慶 沙坪壩 400044；2.國網(wǎng)四川省電力公司綿陽供電公司，四川 綿陽 621000)

模塊化多電平變換器(modular multilevel converter,MMC)的預(yù)充電過程可分為不可控預(yù)充電和可控預(yù)充電兩個階段。為分析不可控階段子模塊電容電壓的抬升過程，將MMC的不可控預(yù)充電過程和三相全橋不可控整流過程進(jìn)行了類比分析。進(jìn)一步針對可控預(yù)充電階段提出了一種簡單有效的解鎖控制策略，該策略能夠充分利用限流電阻的限流能力，將子模塊電容電壓快速提升至變換器穩(wěn)態(tài)運行需要的電容電壓，所提控制策略無需設(shè)計專門的預(yù)充電控制器，且能夠有效降低變換器由預(yù)充電過程轉(zhuǎn)為正常運行過程時子模塊電容電壓的波動，減小對電容器的沖擊，延長電容器的使用壽命。最后，在PSCAD/EMTDC軟件仿真平臺上搭建了雙端MMC詳細(xì)仿真模型，仿真結(jié)果驗證了所提控制策略的有效性。

模塊化多電平變換器(MMC);預(yù)充電;解鎖控制；電容電壓波動

0 引言

由于控制靈活、子模塊結(jié)構(gòu)易于拓展，為高電壓大容量的交直流電能轉(zhuǎn)換提供了理想的解決方案，方便應(yīng)用于新一代柔性直流輸電[1]、新能源發(fā)電并網(wǎng)[2]以及交流電網(wǎng)異步互聯(lián)[3]等領(lǐng)域，模塊化多電平變換器(modular multilevel converter, MMC)自其誕生以來就受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注，目前已有大量文獻(xiàn)針對MMC諸如子模塊電容均壓[4-5]、內(nèi)部環(huán)流抑制[6-7]等系統(tǒng)運行控制與保護(hù)的關(guān)鍵問題進(jìn)行了大量深入的研究。

目前，對MMC的研究重點主要集中在系統(tǒng)層級的控制器與控制方法設(shè)計方面[4-9]，在研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行時通常認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)具備一定的初始電壓[10]，對MMC的預(yù)充電啟動過程的研究則相對較少[10-14]。與傳統(tǒng)兩電平變換器不同，MMC包含大量懸浮的子模塊電容，初始時刻，所有子模塊電容均無初始電壓；在進(jìn)入穩(wěn)定運行工作狀態(tài)以前，需要采取相應(yīng)的控制策略先對子模塊電容進(jìn)行充電，將子模塊電容充電至穩(wěn)態(tài)運行電壓。MMC的預(yù)充電啟動過程是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的基礎(chǔ)，研究該過程具有十分重要的意義。

根據(jù)所利用的充電電源不同，MMC的預(yù)充電方式可以分為他勵方式和自勵方式兩大類[15]。他勵方式是指利用額外的輔助充電電源對變換器子模塊電容進(jìn)行充電。自勵方式是指利用與變換器交流電網(wǎng)對子模塊電容進(jìn)行充電，以完成變換器的啟動過程。他勵預(yù)充電方式控制方法簡單，但是由于在實際工程應(yīng)用中子模塊的額定電壓可能會高達(dá)數(shù)千伏以上，要實現(xiàn)如此高電壓的直流電源并為變換器數(shù)十上百個子模塊電容完成充電，經(jīng)濟(jì)成本較高。因此更加經(jīng)濟(jì)可行的方案是利用系統(tǒng)固有網(wǎng)絡(luò)，再輔以專門的預(yù)充電控制策略，即通過自勵方式啟動。

本文將MMC變換器的預(yù)充電啟動過程分為不可控預(yù)充電啟動過程和可控預(yù)充電過程進(jìn)行詳細(xì)研究。在不可控預(yù)充電階段，所有子模塊IGBT均處于封鎖狀態(tài)，此過程中，子模塊的工作狀態(tài)不受系統(tǒng)控制器控制，變換器的電壓電流響應(yīng)由電路本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)唯一決定。因此，對MMC預(yù)充電過程的控制主要是針對啟動過程的第二階段，也就是可控預(yù)充電過程而言的。文獻(xiàn)[10,11]將斜率控制引入到MMC的可控預(yù)充電控制中，文獻(xiàn)[12]則重點分析了變換器不同接地方式對啟動過程的影響。上述文獻(xiàn)對可控預(yù)充電過程的控制均是在旁路充電限流電阻的前提下進(jìn)行的，限流電阻作為限制MMC啟動充電電流的關(guān)鍵部件，是MMC啟動過程中必不可少的，在可控預(yù)充電階段旁路限流電阻則限制了其限流能力。為此，本文提出了一種簡單有效的可控解鎖控制策略，該策略在可控預(yù)充電階段保持限流電阻投入到系統(tǒng)充電回路中，充分利用了限流電阻對充電電流的限制能力，將子模塊電容電壓快速提升至穩(wěn)態(tài)運行值，并且能夠有效降低變換器從預(yù)充電過程轉(zhuǎn)為正常運行時的電容電壓波動。所設(shè)計的解鎖方案無需設(shè)計專門的預(yù)充電控制器，實現(xiàn)方法簡單，易于擴(kuò)展以適應(yīng)不同電平數(shù)的變換器。

1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與基本運行特性

圖1所示為三相MMC拓?fù)鋱D，變換器的每個橋臂由若干個相同結(jié)構(gòu)的子模塊和一個橋臂電感Larm串聯(lián)而成。圖中Udc表示直流母線電壓，upi、uni分別表示i相單元上下橋臂對外的整體輸出電壓。

圖1 三相MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of 3 phase MMC

子模塊采用圖2所示的半橋型結(jié)構(gòu)；通過對T1、T2這2個IGBT進(jìn)行通斷控制，可以讓子模塊輸出不同電壓，如式(1)所示。

(1)

圖2 模塊化多電平變換器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Topology of submodule of MMC

式中：uSM為子模塊輸出電壓；uc表示子模塊電容電壓。

通過控制橋臂內(nèi)各個子模塊的輸出電壓，就可以改變橋臂對外輸出的整體電壓upi和uni。通過選擇合適數(shù)量的子模塊投入到相單元中，即可保持直流母線電壓穩(wěn)定；而在此前提下改變相單元上下橋臂投入的子模塊數(shù)，即可改變變換器交流側(cè)輸出電壓，實現(xiàn)目標(biāo)交流電壓輸出。

2 MMC啟動過程

上述MMC穩(wěn)態(tài)運行過程是建立在所有子模塊已經(jīng)具備穩(wěn)定電容電壓的基礎(chǔ)之上的。系統(tǒng)啟動運行時，所有子模塊電容電壓均為0；因此，需要先對子模塊電容進(jìn)行充電，即需要對MMC進(jìn)行啟動控制。根據(jù)控制器能否對子模塊工作狀態(tài)進(jìn)行主動控制，MMC的啟動過程可以具體分為不可控充電過程和可控充電過程。

2.1 不可控充電過程

啟動初始時刻，子模塊控制保護(hù)單元并無工作電壓，IGBT脈沖均處于封鎖狀態(tài)，系統(tǒng)開始不可控充電過程。此階段的響應(yīng)過程是系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定的，此時，子模塊的工作狀態(tài)由流經(jīng)子模塊的橋臂電流方向唯一決定，如圖3所示，圖中帶箭頭虛線表示橋臂電流流通路徑。

圖3 不可控充電階段子模塊的工作模式Fig.3 Working modes of submodule with automatic charging

由圖3所示的子模塊2種工作模式可知，在不可控充電階段，子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了交流系統(tǒng)提供的充電電源會對子模塊電容進(jìn)行充電，且不存在使子模塊電容放電的情況。子模塊的這種工作特性決定了變換器可以通過不可控預(yù)充電階段預(yù)先建立一定的電容電壓，以方便子模塊的控制保護(hù)單元啟動，從而進(jìn)行后續(xù)的可控充電并完成變換器的啟動過程。

圖4所示為不可控充電過程中充電電流流通路徑，為不失一般性，考慮背靠背雙端系統(tǒng)。

圖4 不可控預(yù)充電電流路徑Fig.4 Automatic pre-charging current path

圖中MMC1連接強(qiáng)交流網(wǎng)絡(luò)，并利用交流側(cè)電網(wǎng)電壓完成預(yù)充電；MMC2通過直流母線與MMC1相連，并利用直流母線電壓對子模塊電容進(jìn)行充電。由于三相橋臂對稱，圖中只畫出MMC2的一相單元以示說明。對圖4所示的背靠背系統(tǒng)，無論換流器MMC2交流側(cè)連接有源網(wǎng)絡(luò)還是無源網(wǎng)絡(luò)，都可以采用上述方法完成系統(tǒng)的啟動過程。

圖4中Rlim表示為限流電阻，帶箭頭虛線表示交流a相電壓高于b相電壓時,兩端換流器內(nèi)部充電電流的流通路徑。隨著交流系統(tǒng)交流電壓不斷交變，交流側(cè)電流在變換器6個橋臂中不斷地?fù)Q相，橋臂電流的換相過程類似于三相不可控整流過程。與不可控整流不同的是，換流器啟動過程中的“負(fù)載”電容不再固定在直流側(cè)，而是根據(jù)橋臂之間的電流換相過程而選擇性地接入換流器的各個橋臂上。而具體接入換流器的哪一個橋臂，需要視橋臂電流性質(zhì)而定：具體到某一時刻，當(dāng)橋臂電流大于零時， 二極管D1導(dǎo)通，該橋臂上的“負(fù)載”電容被投入充電，如圖3(a)所示。隨著橋臂電流方向不斷改變，根據(jù)圖3所示子模塊的2種工作模式，當(dāng)橋臂電流為充電電流時，子模塊電容被充電，否則子模塊電容電壓保持不變，直至所有充電回路上子模塊電容串聯(lián)電壓等于交流系統(tǒng)提供的充電電壓，不可控充電過程完成。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的分析，經(jīng)過不可控充電過程，MMC1、MMC2中子模塊電容能被充至的最高電壓分別為：

式中：ULL表示變換器交流側(cè)線電壓幅值；N表示變換器每個橋臂包含的子模塊數(shù)。

如圖4所示，為了避免預(yù)充電過程中出現(xiàn)過大的充電電流，需要在充電回路上加裝限流電阻。根據(jù)文獻(xiàn)[15]的分析，預(yù)充電過程中的最大充電電流出現(xiàn)不可控充電開始的瞬間，此時，所有子模塊電容均未被充電，直流母線電壓為0，直流母線近似為短路，變換器的充電回路可等效為圖5。

圖5 預(yù)充電開始時刻的系統(tǒng)等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit of system when pre-charging starts

根據(jù)以上等效電路圖，可以求得預(yù)充電過程中的電流最大值：

(4)

式中：Uph表示變換器交流側(cè)相電壓有效值，Req和Leq代表的等效阻抗均很小，橋臂電感Larm的取值為毫亨數(shù)量級，其等效阻抗相對于限流電阻Rlim都比較小，故Icharge_max的計算結(jié)果主要取決于限流電阻的取值。為保證系統(tǒng)的安全啟動，Icharge_max不能超過換流器橋臂所能承受的最大電流，該最大電流的取值是由變換器的開關(guān)器件IGBT、二極管以及電容等元器件的通流能力決定的。

2.2 可控充電過程

由上一節(jié)分析可知，經(jīng)過不可控充電過程預(yù)充電，MMC子模塊電容能夠建立一定電壓，但是不能充電至變換器穩(wěn)態(tài)運行所需的工作電壓，因此，需要進(jìn)一步抬升子模塊電容電壓，即利用子模塊的控制保護(hù)單元對子模塊工作狀態(tài)進(jìn)行主動控制實現(xiàn)可控充電。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對可控充電過程的控制主要是采用旁路限流電阻、引入斜率控制等專門的預(yù)充電控制器以進(jìn)一步提升子模塊電容電壓。此類方法一方面沒能充分利用限流電阻的限流能力，另一方面因為引入了專門的控制器，增加了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜程度。為此，本文設(shè)計了一種簡單有效的可控充電解鎖控制策略，利用限流電阻的限流能力，對變換器各個橋臂內(nèi)的子模塊進(jìn)行逐個解鎖充電。該策略只需要每個子模塊根據(jù)所在橋臂電流方向選擇投入或切除操作，并由最后1個子模塊返回橋臂充電完成的標(biāo)志信號，直到所有橋臂的子模塊電容均被充電至穩(wěn)態(tài)運行電壓，啟動過程完成。所提可控充電解鎖流程如圖6所示。

由上述解鎖過程可知，由于每個橋臂每個時刻最多只投入了1個子模塊進(jìn)行預(yù)充電，所以在此階段也會出現(xiàn)較大的充電電流。但由于此時系統(tǒng)中所有子模塊電容已經(jīng)具備一定直流電壓，故這一階段的電流最大值并不會超過式(4)所示的最大充電電流，因此，采用上述解鎖控制策略,不會影響限流電阻的配置。

圖6 可控預(yù)充電解鎖流程Fig.6 Unlock process of controlled pre-charging

由流程圖可知，為適應(yīng)不同電平數(shù)的變換器的解鎖控制，只需要改變參數(shù)N即可，十分便于擴(kuò)展至不同的電平數(shù)，且所提策略無需設(shè)計專門的控制器即可將所有子模塊電容充電至穩(wěn)態(tài)運行所需的電壓，大大簡化了MMC的啟動控制。

圖7 MMC預(yù)充電仿真模型拓?fù)鋱DFig.7 Topology of MMC pre-charging simulation model

3 仿真驗證

為驗證本文所提解鎖控制策略的有效性，采用所提策略對圖7所示的雙端MMC 系統(tǒng)的啟動過程在PSCAD/EMTC軟件平臺上進(jìn)行了仿真驗證，仿真參數(shù)設(shè)置如下：變換器交流側(cè)相電壓幅值Uph_M=20 kV，子模塊數(shù)N=10，限流電阻Rlim=20 Ω，橋臂電感Larm=4 mH，子模塊電容C=6 000 μF，子模塊電容參考電壓Ucref=4 kV，仿真過程中變換器MMC2交流側(cè)與交流系統(tǒng)2斷開連接，仿真結(jié)果如圖8—10所示。

圖8 MMC預(yù)充電啟動過程仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of pre-charging process of MMC

圖9 不可控預(yù)充電與不可控整流對比仿真結(jié)果Fig.9 Comparison of uncontrolled charging process and uncontrolled rectifying process

圖8(a)為預(yù)充電時MMC1和MMC2中a相單元上橋臂子模塊電容電壓波形，其余橋臂的電容電壓波形與此類似，在此不再一一列舉。圖8(b)為預(yù)充電過程中變換器交流側(cè)充電電流波形。圖中虛線前后分別表示不可控預(yù)充電和可控預(yù)充電兩個啟動階段。由圖8(a)可知，在不可控預(yù)充電階段，子模塊電容電壓波形從零逐漸上升為穩(wěn)態(tài)值，近似于一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)，且充電電流的最大值出現(xiàn)在預(yù)充電過程開始的瞬間，如圖8(b)所示，與前文理論分析相一致。在本文設(shè)置的仿真算例中，啟動初始時刻的最大充電電流約為1 kA，根據(jù)設(shè)置的仿真參數(shù)，仿真結(jié)果與式(4)所示的理論計算結(jié)果相符。

待所有子模塊電容電壓均被充電至不可控預(yù)充電過程的穩(wěn)態(tài)值后，系統(tǒng)進(jìn)入可控預(yù)充電階段。由圖中虛線以后的仿真波形可以看出，在可控預(yù)充電階段，橋臂中子模塊電容電壓被逐個抬升至其穩(wěn)態(tài)參考值4 kV，之后即被旁路，電容電壓保持不變。

在可控預(yù)充電階段，交流側(cè)也出現(xiàn)了較大的充電電流，但此時的充電電流最大值并未超過不可控充電過程開始時刻的電流峰值，如圖8(b)中點劃線所示，與前文理論分析結(jié)果相符。

為進(jìn)一步詳細(xì)分析不可控充電過程中子模塊電容電壓抬升過程，將MMC變換器的不可控充電過程和三相不可控整流過程進(jìn)行了仿真對比分析，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖10 預(yù)充電轉(zhuǎn)正常運行對比仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results between the pre-charging Procedure and normal operation

圖中藍(lán)色曲線為不可控預(yù)充電過程中變換器MMC1的a相單元中上下橋臂子模塊電容電壓，綠色曲線表示相同工況下三相全橋不可控整流器的橋臂電流波形。對比仿真波形可知，MMC1中橋臂子模塊電容電壓均是在相應(yīng)橋臂流過充電電流的時間段被抬升，而在其他時刻電容電壓則保持不變，驗證了前文的理論分析結(jié)論。

為驗證本文解鎖控制方案的平滑性，將本文所述方案與在不可控充電后直接引入雙閉環(huán)的控制方法[16]進(jìn)行了對比仿真研究，仿真結(jié)果如圖10所示。圖10中子圖(a)(b)和(c)(d)所示分別為直接引入雙閉環(huán)控制和本文第2節(jié)所述解鎖控制策略的仿真結(jié)果。對比2種控制策略的仿真結(jié)果可知，若直接采用雙閉環(huán)控制，在變換器由預(yù)充電轉(zhuǎn)正常運行時，子模塊電容電壓會出現(xiàn)較大波動，過大的電壓波動會增加對子模塊電容的沖擊，縮短電容器使用壽命；而在本文所述的解鎖策略控制下，由于子模塊電容電壓已經(jīng)預(yù)先被充電至穩(wěn)態(tài)運行電壓，變換器由預(yù)充電轉(zhuǎn)至正常運行時子模塊電容電壓波動幅值顯著降低，工作狀態(tài)的切換過程更為平滑，電壓波動對電容器造成的沖擊明顯減小，有利于延長子模塊電容器的使用壽命。

4 結(jié)論

本文將MMC的啟動過程劃分為不可控充電過程和可控充電過程進(jìn)行了深入研究。通過將不可控充電過程和三相不可控整流過程進(jìn)行了對比，詳細(xì)分析了不可控充電過程中MMC子模塊電容電壓的抬升過程。針對可控充電過程，提出了一種解鎖控制方案，該策略能夠在不可控充電的基礎(chǔ)之上將所有子模塊電容電壓快速抬升至變換器穩(wěn)態(tài)運行所需電壓水平，減小變換器切換工作狀態(tài)時的電容電壓波動，降低對子模塊電容器的沖擊，有利于延長子模塊電容器的使用壽命。所提解鎖控制策略實現(xiàn)方法簡單，便于擴(kuò)展到不同的電平數(shù)，具備一定的工程應(yīng)用價值。

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Pre-Charging Control Strategy for Modular Multilevel Converter

YAO Jun1, TAN Yi1, ZHAO Lei2

(1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology(Chongqing University), Shapingba 400044, Chongqing, China;2. Mianyang Power Supply Company, State Grid Corporation of China, Mianyang 621000, Sichuan Province, China)

The pre-charging process of modular multilevel converter (MMC) could be divided into uncontrolled pre-charging process and controlled pre-charging process. By comparing the uncontrolled pre-charging process with the uncontrolled rectifying process of 3-phase full bridge, the increase process of sub-module capacitor voltage was fully analyzed. Furthermore, a simple and effective unlock control strategy was proposed for the controlled charging process. The proposed strategy could quickly charge all the sub-module capacitors to the voltage required for the steady state operation of MMC. With the proposed unlock strategy, no indicated pre-charging controller was required, and the voltage fluctuation of sub-module capacitor could be significantly reduced when the converter switching to the normal operation after pre-charging. The decrease of the voltage fluctuation could effectively reduce the voltage impact of the capacitors and thus extend the lifespan of the sub-module capacitors. Finally, a detailed simulation model of a double terminal MMC was built on PSCAD/EMTDC to verify the effectiveness of the developed control strategy.

modular multilevel converter(MMC); pre-charging; unlock control; capacitor voltage fluctuation

姚駿

TM46

A

2096-2185(2016)01-0033-07

教育部中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費重點項目(106112015CDJZR155516)

2016-05-10

姚駿(1979—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為電機(jī)及其控制、電力電子與電力傳動、風(fēng)電技術(shù)以及新能源電能變換技術(shù)，topyj@163.com;

譚義(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力電子變流技術(shù)， cqutanyi@foxmail.com;

趙磊(1991—)，男，碩士，主要研究方向為電力電子變流技術(shù)，184962239@qq.com。

Project supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (106112015CDJZR155516)