模块化多电平柔性直流输电系统的直流侧启动方法研究

岳伟，易荣，张海涛，许树楷

（1. 荣信电力电子股份有限公司，辽宁 鞍山 114051；2. 南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080）

模块化多电平换流器（MMC）是由西门子公司首先提出的采用多个子模块串联的一种新型拓扑结构[1]。避免了二电平、三电平拓扑中开关器件直接串联带来的动态均压等问题，同时仅通过变化所使用的子模块数量，就可以灵活地改变换流器的输出电压及功率等级，易于扩展到任意电平，具有较小的谐波畸变[2-4]。能向无源网络供电、能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、换流站间不需要通讯而且易于实现多端系统[5]，适用于风电场并网、孤岛供电、交流系统的异步互联、分布式发电并网、多端直流输电以及城市配电网增容等领域[6]。

模块化多电平换流器的启动是系统正常运行的前提和基础，也是柔性直流输电系统运行过程中的重要环节。该环节若控制不当将产生严重的过压和过流，甚至导致系统振荡，影响交流系统正常运行，危及设备和人身安全。

目前模块化多电平换流器子模块电容预充电有自励和他励2种方式：自励是指由与换流器相连交流系统向子模块电容充电；他励是由辅助电源提供充电功率。前者要求模块化多电平换流器交流侧必须为正常运行的有源电网，而后者需要额外的装置，增加成本和工作量。针对换流器充电，文献[7]提出了特定的交、直流限流电阻配置方案以及有源MMC-HVDC三相六桥臂各子模块同时预充电方法。文献[8]采用载波移相策略提出了一种适用于MMC可控阶段的新型启动方法。文献[9]采用辅助充电电源向各子模块电容预充电的他励方式来实现MMCHVDC的预充电，这种方式不但需要单独设计一个合适的辅助直流充电电源，增加设备投资，而且由于直流电压源的输出电压需要约等于子模块电容电压，在高压大容量的应用场合，这种辅助直流电源不易获得，因此不能满足实际工程需要。文献[10]提出采用串接交流侧限流电阻来对各子模块进行充电，但是该方法不能实现对MMC-HVDC同相上、下桥臂同时充电，充电时间缓慢，而且在换流器解锁时，会产生较大的冲击电流，引起各子模块电压波动，需要设计附加的控制算法进行抑制，从而增加了控制系统的复杂度。

本文提出一种模块化多电平换流器的直流侧充电方法，采用不控整流预充电和子模块数递减方法使子模块电容电压达到预先设定值。可在不增加额外投入的情况下实现模块化多电平换流器的充电，控制方法简单，有效避免直流侧不控整流预充电完成后，直接解锁模块化多电平换流器时的冲击电压和冲击电流，提高柔性直流输电系统运行的安全性和稳定性。该方法已在南澳柔性直流输电工程中成功应用。

1 模块化多电平换流器工作原理

图1为模块化多电平换流器拓扑结构。图中uva、uvb、uvc分别为换流器输出交流电压；Idc、Udc分别为直流侧电流和电压；2L0、2R0分别为桥臂等效电抗和桥臂等效电阻。每个相单元由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由若干相同功率模块串联以产生高电压。每个子模块（Sub-module，SM）由2只带反并联二极管的绝缘栅双极晶体管（IGBT）和1个直流储能电容器（Uc）构成。通过控制子模块中VT1和VT2开关管的导通和关断，控制子模块电容器投入或退出主回路。通过分别控制上、下桥臂处于投入状态的子模块数按正弦规律变换，产生阶梯正弦交流电压波形，模块数越多，电平数越多，输出越接近正弦波；理想情况下，每个桥臂可用一个理想电压源等效；通过控制相单元内处于投运状态的子模块数保持不变，产生恒定的直流电压波形。

2 模块化多电平换流器直流侧启动控制策略

图1 模块化多电平换流器拓扑Fig. 1 Topology of MMC

当换流器交流侧为无源网络或为待启动的有源网络时，可通过直流线路从直流侧启动。系统结构如图2所示，其中图2（a）交流侧为待启动的有源网络，图2（b）交流侧为无源网络。待启动的换流站通过直流线路与其他换流站互联。换流站直流侧包括1组或2组隔离开关；交流侧为无源网络或待启动的有源网络，包括相互串联的交流断路器、隔离开关和换流变压器，当交流侧为有源网络时还包括2端并联旁路开关的充电电阻。

图2 两端柔性直流输电系统Fig. 2 Two terminals VSC-HVDC transmission system

图2中MMC1、MMC2为两端柔性直流输电系统中采用模块化多电平的换流器，由MMC2通过直流线路为MMC1充电。Qi、QSi1、QSi2（i=1，2）分别为MMC1、MMC2交流侧断路器和隔离开关；T1、T2分别为2个换流站的换流变压器，换流变压器连接有源网时交流侧串联充电电阻及与充电电阻相并联的旁路开关；QD1、QD2分别为2个换流站的直流侧隔离开关；Udc1、Udc2分别为2个换流站直流侧电压。

模块化多电平换流器直流侧充电策略分为2个阶段：不控整流预充电阶段和子模块数递减解锁充电阶段。

2.1 不控整流预充电

不控整流预充电是待启动的换流站指通过直流线路从直流侧进行不控整流预充电，其充电回路如图3所示。图中Udc1为MMC1的直流侧电压；Udc2为MMC2的直流侧电压。

图3 不控整流预充电时电流通路Fig. 3 Circuit of uncontrollable pre-charge

在不控整流预充电阶段，应遵循以下操作步骤：

1）断开模块化多电平换流器交流侧隔离开关及断路器。对应图2应依次断开MMC1交流侧QS11、QS12、Q1，使模块化多电平换流器与交流电网断开。

2）系统中除需直流充电的换流站以外的其他换流站组成的系统正常运行。即MMC2正常启动，采用定直流电压方式运行。

3）闭合模块化多电平换流器直流侧隔离开关，该站通过直流线路进行不控整流预充电。对应图2应依次闭合MMC2直流侧隔离开关QD2、MMC1直流侧隔离开关QD1，由MMC2通过直流线路对MMC1子模块电容进行不控整流预充电。

2.2 子模块数递减解锁

图2中MMC1不控整流预充电完成后，需要解锁才能实现与MMC2的并列运行。以预先设定值为直流不控整流充电时的子模块电容电压的2倍为例。设MMC1桥臂子模块数为n，解锁前MMC1每相有2n个子模块与直流侧电压并联，每个子模块电容电压应满足：

解锁后每相有n个子模块与直流侧电压并联，每个子模块预先设定电容电压应满足：

解锁后子模块电容电压是解锁前子模块电容电压的2倍，若直接解锁，会产生很大的冲击电流和冲击电压。所以，不控整流充电完成后，以投入子模块数递减方式解锁模块化多电平换流器，即在换流器解锁后，通过一定的控制使得与直流侧电压并联的子模块数由2n逐渐减小到n，以减小由于换流器直接解锁时投入子模块数量突变而带来的冲击，保证柔性直流输电系统安全稳定运行。

在上述两个阶段充电完成后，换流站并入系统运行。

图4 不采用直流侧启动方法的仿真Fig.4 Simulation of start-up not by using DC side method

3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC平台上搭建了n=10的模块化多电平换流站等效模型验证本文所提策略的有效性。当MMC1交流侧为无源电网或待启动的有源电网时，交流侧均不提供充电功率，均可等效为换流器与交流侧断开情况。MMC2以不控整流电路代替，Udc1=Udc2=15 kV。不采用上述启动策略时，仿真波形如图4所示，分别为子模块电容电压直流侧电压、直流侧电压、直流侧电流。解锁前后投入子模块数突变，且电容电压骤升，给直流电压和直流电流带来很大冲击。

MMC1不控整流预充电完成后，采用投入子模块数线性递减方式解锁。仿真时长设为8 s，t=0时MMC2启动，MMC1直流侧隔离开关闭合；t=1 s 时解锁MMC1，使其从MMC2继续充电，解锁后投入子模块数减小指令如图5所示；t=6.5 s时充电完成，MMC1与MMC2并列运行。

图6为采用本文充电策略的子模块电容电压以及直流侧电压、电流波形。

图5 投入子模块数递减指令Fig. 5 Command of running sub-module number

由图6可知，由于解锁后采用投入子模块数递减的控制方法，使子模块电容电压逐渐升高，避免直接解锁时巨大的冲击电流和冲击电压，保证柔性直流输电系统的安全稳定运行。

4 结语

当换流器交流侧为无源网络或待启动的有源网络时，可通过直流线路从直流侧进行不控整流预充电，充电完成后按子模块数递减方法解锁换流器。该方法无需增加辅助电源，且控制简单，可有效避免直流侧不控整流预充电完成后，直接解锁模块化多电平换流器时的冲击电压和冲击电流，提高柔性直流输电系统运行的安全性和稳定性。该方法已成功应用于南澳柔性直流输电工程，具有一定的实际意义和工程应用价值。

图6 采用直流侧启动方法的仿真Fig. 6 Simulation of start-up by using DC side method

[1] 李广凯，江政昕，赵昕，等. 电压源换流器高压直流输电的特点与前景[J]. 南方电网技术，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，苏建徽，王新颖. 模块化多电平换流器的预充电控制[J]. 高压电器，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，李广凯，等.模块化多电平换流器型高压直流输电综述[J]. 电网与清洁能源，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] 刘隽，贺之渊，何维国，等.基于模块化多电平变流器的柔性直流输电技术[J]. 电力与能源，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] 周月宾，江道灼，郭捷梁，等. 模块化多电平换流器型直流输电系统的启停控制[J]. 电网技术，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，胡敬伟，王辉，等. 一种MMC型VSC—HVDC系统预充电的控制策略[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，贺之渊，等. 模块化多电平式柔性直流输电换流器的预充电控制策略[J]. 电网技术，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] 任涛，张杰，唐剑钊，等. MMC-HVDC 模块电容器预充电策略及仿真分析[J]. 电力系统及其自动化学报，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）.