基于模块化多电平换流器启动过程分析

文/胡付有 章功辽

第三代电力电子器件——电压源型换流器的诞生引出了柔性直流输电技术，相较于常规直流输电，无换相失败问题，能独立控制有功、无功输送等优点。

在我国大容量柔性直流输电技术得到飞速发展，国家电网公司的张北直流（半桥拓扑）以及南方电网的昆柳龙直流（混合桥拓扑）的电压等级、输送容量以及控制系统均为世界领先水平。

基于MMC 功率模块的柔性直流，由于IGBT 是从电容上取能，在电容充电完成后，IGBT 才能获取驱动能量，才能实现MMC 功率模块的可控充电，本文对半桥、全桥混合换流器从交流侧充电进行计算分析，再利用PSCAD 进行仿真验证，得到理论推导的正确性。

1 MMC不控充电结构与原理

1.1 半桥拓扑

如图1所示，半桥子模块上电处于闭锁时，VT1、VT2 关断，电流从X1 端子流入时，从VD1、电容C 以及X2 流出，当电流从X2 端子流入时，经过VD2、X1 流出。即在正弦波周期内，有半个周波给C 充电，半个周波被旁路掉，称为半桥子模块不控充电。

1.2 全桥拓扑

如图2所示，全桥子模块上电处于闭锁时，VT1、VT2、VT3、VT4 关断，电流从X1端子流入时，经过VD1、C、VD4、X2 端子流出；当电流从X2 端子流入时，流经VD3、C、VD2、X1 端子流出。即一个正弦周波内，两个周波均向子模块电容充电，称为全桥子模块不控充电。

2 启动过程分析

根据上述全桥、半桥闭锁时子模块的充电特性，探讨充电稳态后是否能达到解锁要求，以及半桥、全桥混合换流阀启动中各子模块电压电流之间的规律，从而找到最优启动方案。

2.1 交流侧充电、直流侧开路时混合桥启动过程分析

当直流侧开路时，交流侧充电时等效电路图如图3所示。

由图3可知，在不控充电达到稳态后，单个全桥子模块电压Ucf1、以及单个半桥子模块电压Uch1满足如下关系：

由于全桥和半桥子模块电容量大小相等，充电时流经的电流一致，故全桥子模块与半桥子模块电压有如下关系：

其中，N 为桥臂子模块数量，x 为全桥占比，当N 为20、x 为70%时，单个桥臂所有全桥子模块与所有半桥子模块电压为：

即当直流侧开路时，混合桥拓扑结构不控充电达到稳态以后，单个全桥子模块电压为：半桥子模块电压是全桥子模块电压的一半。

代入模型参数计算得：Ucf=14.05kV、Uch=3.01kV。

2.2 交流侧充电、直流侧短接时混合桥启动过程分析

还是以上述前提条件为例，A 相最高、B相最低为例，在交流侧充电、直流侧短接时混合桥不控充电等效电路图如图4所示。

由图4可知，在直流侧短接以后，全桥子模块在线电压下充电，半桥子模块在直流侧短接时相当被旁路，假设桥臂子模块数量为N，全桥占比为x，下面我们来分析直流侧短接情况下，子模块电容电压的变化规律：代入模型参数可得：Ucf=1.11kV，Upa= 15.54kV，Uch=0kV。

3 仿真验证

本文中采用的模型桥臂子模块20 个，HMMC 表示半桥子模块，FMMC 表示全桥子模块。交流侧线电压为22kV，子模块电容值为1200uf，仿真步长250us，混合桥中全桥占比为x，启动电阻为500 欧姆。上述分析中的各个情况下的仿真如下。

图1：半桥子模块拓扑图

图2：全桥子模块示意图

图3：交流侧充电、直流侧开路时混合桥启动拓扑图

图4：交流侧充电、直流侧短接时混合桥启动拓扑图

图5：交流侧充电、直流侧开路时混合桥启动过程仿真模型图

图6

图7

图8：交流侧充电、直流侧短接时混合桥启动过程仿真模型图

图9

图10

3.1 交流侧充电、直流侧开路时混合桥启动仿真验证

交流侧充电、直流侧开路时混合桥启动过程仿真模型图如图5所示。

A相中全桥子模块（绿色），半桥子模块（蓝色）电压波形如图6所示。

线路电压Udc 的波形如图7所示。

由波形图可得，Ucf=14kV、Uch=3kV，由

计算分析可知，Ucf=14.05kV、Uch=3.01 kV，仿真波形与计算分析一致。

3.2 交流侧充电、直流侧短接时混合桥启动仿真验证

交流侧充电、直流侧短接时混合桥启动过程仿真模型图如图8所示。

其A 相上桥臂波形如图9所示。

半桥子模块电压波形如图10所示。

上述结果与理论计算值Ucf=1.11kV，Upa=15.54kV，Uch=0kV 一致。

4 结语

本文详细分析了混合桥MMC 换流器启动过程，从理论分析和仿真波形可以得出不控充电的中，子模块电压、直流线路电压、交流电压、桥臂电压等之间的基本规律，在实际工程建设中，还在充电过程中引入了充电电阻以及可控充电，对设备冲击最小。