MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)起動電阻器的選擇研究

張 智 劉麗楠

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MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)起動電阻器的選擇研究

張 智1劉麗楠2

（1. 北京榮信慧科科技有限公司，北京 100193；2. 中國北方車輛研究所，北京 100072）

隨著對直流輸電靈活控制的要求的增加，大量以模塊化多電平換流器（MMC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)換流器的柔性直流輸電工程投入建設(shè)及運(yùn)行。國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目南方電網(wǎng)南澳多端柔性直流輸電工程云南魯西背靠背柔性直流輸電工程，其換流器設(shè)備都是采用目前較為先進(jìn)的MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而作為換流器起動前的預(yù)充電過程也得到了廣泛的研究，而采用充電電阻的不控充電方式得到了大量柔直工程的青睞。本文研究了MMC換流器起動前的預(yù)充電過程，采用PSCAD仿真軟件，結(jié)合某國外柔直項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)參數(shù)，搭建了整體的系統(tǒng)模型，根據(jù)不控充電的方式搭建了充電電阻的模型，通過仿真結(jié)果給出了起動電阻的選擇建議，并闡述了通過仿真的手段對柔直項(xiàng)目充電起動電阻器的選擇的指導(dǎo)意義。

MMC；柔性直流輸電；起動電阻器；PSCAD

我國近年來，基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)（VSC-HVDC），也叫柔性直流輸電系統(tǒng)，得到了迅猛發(fā)展。從舟山的多端柔直項(xiàng)目到南澳多端柔直項(xiàng)目，再到云南魯西背靠背柔直項(xiàng)目、渝鄂柔直項(xiàng)目以及即將開展的張北柔直項(xiàng)目，不但規(guī)模越來越大，電壓等級越來越高，而且傳輸?shù)碾娏θ萘恳惨淮未蔚膭?chuàng)世界新高。

柔性直流輸電的換流器是采用高壓大功率全控型電力電子器件。這種具有可控通斷能力的器件，可以使換流器在四象限運(yùn)行[1]，對大型風(fēng)電場（尤其海上風(fēng)電）、新能源并網(wǎng)，向無源網(wǎng)絡(luò)供電[2]，以及不同區(qū)域的異步交流電網(wǎng)互聯(lián)有著顯著的優(yōu)勢。

早期投運(yùn)的VSC-HVDC工程多為兩電平和三電平拓?fù)洌@兩種拓?fù)湓陔妷焊咝枰壜?lián)很多級H橋時，在動態(tài)均壓、抗電磁干擾以及換流器的設(shè)計(jì)和布局上存在工程難點(diǎn)。

西門子公司為此設(shè)計(jì)了一種由多個子模塊串聯(lián)的模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）。這種結(jié)構(gòu)的換流器可以使全控型功率器件運(yùn)行在較低的開關(guān)頻率，大大降低了電磁干擾和損耗；同時采用排序充放電電容的均壓策略，可以輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)量龐大的級聯(lián)模塊的動態(tài)均壓；其模塊化結(jié)構(gòu)，也便于安裝及日后的維護(hù)。因此，我國近幾年的柔直工程換流器均采用MMC結(jié)構(gòu)。

正是由于MMC的特殊模塊化電力電子結(jié)構(gòu)以及級聯(lián)模塊的數(shù)量非常龐大，因此MMC型換流器的電路等效模型非常復(fù)雜，并且隨級數(shù)的增加會導(dǎo)致誤差增大。這樣使用傳統(tǒng)的RC充電回路計(jì)算時間常數(shù)及預(yù)充電電阻就變的不準(zhǔn)確。下文將介紹通過仿真建模手段解決上文的問題，對柔直工程充電電阻器的選擇提出行之有效的方法。

1 MMC型換流器基本結(jié)構(gòu)

圖1為MMC型換流器拓?fù)洹?個橋臂中每個橋臂均由圖1右側(cè)的半橋子模塊（submodule, SM）串聯(lián)構(gòu)成。每個子模塊有上下2個IGBT以及反并聯(lián)二極管D1、D2。直流母線電壓和子模塊電容電壓滿足下式，即

式中，c為子模塊電容電壓，SM為每個橋臂串聯(lián)的子模塊級數(shù)，dc為直流母線電壓。

2 MMC型換流器的工作原理

換流器的每個橋臂由一個電抗器和個子模塊串聯(lián)而成。每個子模塊可以根據(jù)觸發(fā)脈沖來實(shí)現(xiàn)子模塊的輸出電壓。每個子模塊有投入、切除和閉鎖3種狀態(tài)[4]。MMC換流器正常工作需要兩個必要條件[5]：①每相的上下橋臂的投入子模塊數(shù)量和都相等，可以保證直流母線電壓得以維持；②在滿足第一個條件時，調(diào)節(jié)每相的上橋臂和下橋臂的投入子模塊數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)對三相交流電壓的輸出的匹配。

圖1 MMC基本結(jié)構(gòu)

任何一個時刻，直流側(cè)電壓dc都由若干個子模塊電容電壓的總和以及電抗器的電壓組成，即

式中，ai為a相第個子模塊輸出電壓；為橋臂電抗器的電抗值；pa和na分別為換流器a相上、下橋臂的電流。

3 MMC柔性直流輸電工作原理

MMC-HVDC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型如圖2所示。MMC1為送端換流器，換流器結(jié)構(gòu)如圖1左側(cè)，換流器從交流電網(wǎng)吸收有功和無功功率；MMC2為受端換流器，換流器向交流電網(wǎng)發(fā)出有功和無功功率。MMC型換流器具有輸出的電壓諧波含量少的特點(diǎn)，因此接入交流系統(tǒng)側(cè)可以不配置濾波器。

以送端為例，換流器吸收的有功和無功功率分別為下式[6,9]

圖2 MMC-HVDC電路圖

式中，s1為換流站交流側(cè)母線線電壓；c1為換流器交流側(cè)線電壓基波分量；1為橋臂電抗器的等效電抗；為上述兩個電壓的相角差；為換流變壓器的變比。

由式（3）可知，對于相角差的控制調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對傳輸?shù)挠泄β史较蚝痛笮〉目刂?。?dāng)＞0時，MMC換流器運(yùn)行在逆變模式，發(fā)出有功；當(dāng)＜0時，MMC換流器運(yùn)行在整流模式，吸收有功。

對于基波幅值c1的控制調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對傳輸?shù)臒o功功率方向和大小的控制。當(dāng)s1-c1cos＞0時，MMC換流器吸收無功；當(dāng)s1c1cos＜0時，MMC換流器發(fā)出無功。

4 MMC換流器起動前預(yù)充電過程

通常，MMC換流器子模塊電容的預(yù)充電方式有兩種，即他勵和自勵。自勵方式是指直接利用交流側(cè)電網(wǎng)向換流器子模塊電容器進(jìn)行充電；他勵方式是指需要另外配置一套獨(dú)立的輔助電源，來為流器子模塊電容器進(jìn)行充電。

他勵方式不僅需要增加額外的充電功率，還需要給每個功率單元配備電容充電控制設(shè)備，實(shí)際的工程中換流閥的數(shù)目是相當(dāng)龐大的，少則幾百，多則幾千個，這不但增加了換流設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本，還帶來了故障隱患，因此目前在工程中大部分采用自勵充電的方式。

在實(shí)際工程中，采用自勵方式給換流器子模塊電容預(yù)充電，分為兩個步驟：①換流器處于閉鎖狀態(tài)，電網(wǎng)側(cè)的交流電通過子模塊中的反并聯(lián)二極管，向電容器進(jìn)行不控整流充電，但是此階段電容器電壓不會升到額定工作電壓，會比額定工作電壓低；②換流器進(jìn)行解鎖，電容電壓平衡控制策略會將每個子模塊電容的電壓控制到額定工作電壓[7]。

上述的第①步驟中，當(dāng)交流線路合閘時，可以等效為對大電容進(jìn)行充電，合閘瞬間是短路效果。不僅對交流電網(wǎng)有沖擊，沖擊電流也會對子模塊造成影響。因此會在電網(wǎng)和換流器之間串聯(lián)一個限流電阻，并配有一個旁路開關(guān)，如圖3所示。

不控充電時，斷路器2斷開，斷路器1閉合，經(jīng)過充電電阻對MMC換流器子模塊電容器進(jìn)行充電。待子模塊電容電壓能量滿足取能要求后，斷路器2閉合，斷路器1斷開，電阻被旁路，電阻充電過程結(jié)束。

圖3 MMC-HVDC充電電阻電路圖

實(shí)際工程中，充電電阻作為柔直輸電系統(tǒng)的一個組成部分，是不參與正常輸電工作的，僅僅參與MMC起動之前的預(yù)充電過程[10]。

本文著重對充電電阻參數(shù)選擇進(jìn)行研究，電阻阻值過小，起不到保護(hù)換流閥的作用，甚至可能會損壞電阻本身；電阻阻值過大，會加大整個充電過程的時間。因此如何選擇合適的電阻阻值，既能起到保護(hù)換流閥作用，又能不浪費(fèi)充電時間，還能兼顧節(jié)約成本就顯得至關(guān)重要了。

近年來，任何大型柔直項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與分析，無論是設(shè)計(jì)公司還是換流閥生產(chǎn)公司，都會廣泛采用仿真手段，通過仿真建模來分析各種靜態(tài)和動態(tài)的問題。本文以下將采用仿真分析的方法，對充電電阻的選擇給出合適的參考。

5 仿真分析研究

采用PSCAD仿真軟件進(jìn)行仿真建模，使用的工程原始數(shù)據(jù)為國外某柔直項(xiàng)目，系統(tǒng)接線形式為對稱單極，如圖4所示。工程的主回路參數(shù)見表1。

圖4 對稱單極柔直系統(tǒng)接線示意圖

5.1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)的PSCAD仿真模型搭建如圖5所示。

5.2 MMC換流器模型

MMC換流器模型如圖6所示，每個換流閥包括3個相模塊部分（見圖7—圖9），每個相模塊包括上下橋臂兩部分，每個橋臂包含一個橋臂電抗器和61級功率單元。

5.3 起動電阻充電過程仿真

仿真過程：1s時交流側(cè)斷路器閉合送電，充電電阻并聯(lián)的斷路器始終斷開，觀察不同阻值時充電電阻的特性。

表1 柔直工程主回路參數(shù)

圖5 PSCAD系統(tǒng)建模

圖6 換流閥模型

圖7 相模塊模型

圖9 起動電阻模型

1）邊界電阻值仿真波形

從表1柔直工程主回路參數(shù)中可以得知，換流閥的最大有功功率為85MW，最大無功功率為39.6Mvar，因而可知閥交流側(cè)持續(xù)最大電流峰值為1129A。當(dāng)充電電阻選取39W時，可從圖10看出沖擊電流峰值為1129A。

2）典型電阻值1000W仿真波形（如圖11所示）

3）典型電阻值3000W仿真波形（如圖12所示）

4）典型電阻值5000W仿真波形（如圖13所示）

5.4 總結(jié)

總結(jié)仿真結(jié)果見表2。

表2 充電電阻器不同阻值時的特性參考參數(shù)

6 結(jié)論

從表2可以得出以下結(jié)論：

1）充電時不同阻值的電阻器端對地的最高電壓相同。

2）阻值越小時充電時間越少。

3）阻值越小時沖擊的能量越大。

4）不同阻值時的吸收能量基本相同。

上面得出的結(jié)論其實(shí)是顯而易見的，本文的研究目的不是為了僅僅得出上述的簡單結(jié)論，而是想通過介紹這種方法，來展現(xiàn)如何為柔直工程起動電阻器的選擇提供參數(shù)依據(jù)。

目前對于換流閥制造公司，對換流閥充電還有一些非通用的限制條件，比如我公司設(shè)計(jì)的換流閥的功率單元，其驅(qū)動電能就是取自充電電能。如果充電過快，就會對驅(qū)動電路造成沖擊，導(dǎo)致對IGBT觸發(fā)脈沖錯位，從而使得換流閥無法進(jìn)入待起動狀態(tài)。因此規(guī)定當(dāng)充電時，功率單元驅(qū)動電路的工作電壓從零上升到額定值得時間不小于0.5s，整體充電時間控制在10s左右?；谶@個限制條件并結(jié)合表2，本工程充電電阻可選擇3000W，650kJ。

表2的參數(shù)也可以通過計(jì)算給出，但在上文提到，MMC換流閥的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，每相串聯(lián)的功率模塊數(shù)目龐大，尤其是當(dāng)要給出不同阻值時的各個參數(shù)時，計(jì)算復(fù)雜而且計(jì)算量很大。而采用仿真的手段就比較直觀而且簡單，目前任何柔直工程都會建立仿真模型進(jìn)行各種靜態(tài)和動態(tài)的研究，起動電阻的選擇可以順便進(jìn)行研究，建模時甚至無需搭建換流閥的控制部分，只需將換流閥整體閉鎖即可，簡單有效。

綜上所述，通過仿真手段對柔直項(xiàng)目充電電阻器的選擇有著重要的指導(dǎo)意義。

[1] 李庚銀, 呂鵬飛, 李廣凱, 等. 輕型高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2003, 27(4): 77-81.

[2] 陳海榮, 徐政. 向無源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC-HVDC系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2006, 26(23): 42-48.

[3] Dorn J, Huang H, Retzmann D. A new multilevel voltage sourced converter topology for HVDC appli- cations[C]//CI-GRE Session. Paris, France: CIGRE, 2008.

[4] GEMMELL B, DORN J, RETZM ANN D, et al. Prospects of mul-tilevel VSC technologies for power transmission//Proceedings of IEEE PES Transmission and Exposition, April 21-24, 2008, Chicago, IL, USA: 16p.

[5] PEREZ M, RODRIGUEZ J, PONT J, et al. Power distribution in hybrid multilevel convectors with nearest level modulation[J]//Proceedings of IEEE International Symposium on Industrial Electronics, June 4-7, 2007, Vigo, Spain: 736-741.

[6] 王姍姍, 周孝信, 湯廣福, 等. 交流電網(wǎng)強(qiáng)度對模塊化多電平換流器HVDC運(yùn)行特性的影響[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2011, 35(2): 17-24.

[7] 陳海榮, 張靜, 潘武略. 電壓源換流器型直流輸電系統(tǒng)的啟動控制[J]. 高電壓技術(shù), 2009, 35(5): 1164- 1169.

[8] 張靜, 徐政, 陳海榮. VSC-HVDC系統(tǒng)啟動控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(9): 159-165.

[9] 楊小磊. 多端柔性直流輸電系統(tǒng)接入某海島電網(wǎng)的研究[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(5): 12-16, 21.

[10] 顧偉峰, 趙新龍, 楊志千. 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)變流器預(yù)充電電路設(shè)計(jì)方法優(yōu)化[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(6): 90-92.

Study on selection of starting resistor for MMC flexible HVDC transmission system

Zhang Zhi1Liu Li’nan2

(1. Beijing Rongxin HUICO Technology Co., Ltd, Beijing 100193; 2. China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072)

With the increasing demand for flexible control of DC transmission, a large number of flexible HVDC transmission projects with MMC (modular multilevel converter) topology converter are put into construction and operation. Such as the national "863" project of China Southern Power Grid Nan'ao flexible HVDC project, and Yunnan Luxi back-to-back flexible HVDC project, the converter equipment are based on the topological structure of MMC is more advanced at present. And pre-charging of the converter has been widely studied, charging resistance of the uncontrolled charging method has been a large number of flexible engineering favor. In this paper, the basic structure and working principle of the modular multilevel converter DC transmission are introduced. The principle of MMC-HVDC is introduced, and the pre charging process of MMC converter is introduced. Finally, by PSCAD simulation, combined with the design parameters of a foreign flexible project. The selection of starting resistance is obtained by the simulation results the guiding significance of the selection of the charging starting resistor for the flexible HVDC project is described.

MMC; flexible HVDC; starting resistor; PSCAD

2018-03-23

張 智（1978-），男，吉林省吉林市人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊?、電力電子及無功補(bǔ)償技術(shù)。