模块化多电平换流器交流侧预充电控制策略分析

谭久俞，杨洋

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

模块化多电平换流器交流侧预充电控制策略分析

谭久俞，杨洋

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

模块化多电平换流器(MMC)启动过程前必须对子模块中的电容器充电。为保证电容器的可靠充电，在分析MMC拓扑及运行机理的基础上，针对交流侧接有源系统的MMC，提出了包含不控充电过程和可控充电过程的两阶段充电方案。仅利用交流侧有源系统就可使子模块的电容电压满足稳态运行的要求。利用MATLAB/ Simulink下搭建的仿真系统验证了所提方案的正确性。

模块化多电平换流器;预充电过程;电容电压;高压直流输电;

1 引言

近年来，随着我国特高压电网的不断建设，可再生能源并网容量的提高，更多远距离大功率设备的接入，高压直流输电技术得到了长足的发展。作为高压直流输电的核心元件，电压源换流器也是当今电力电子技术应用领域的研究热点。电压源换流器可以四象限运行，有功功率和无功功率独立控制，可以通过改变电流方向来时潮流翻转，其应用前景十分广阔［1］。目前，工程中应用的大多是两电平或者三电平变流器，这两种变流器受拓扑结构限制，输出特性差，谐波含量大，开关损耗较大［2］，开关频率高，受单个开关器件耐压的限制，这些拓扑需要使用大量开关器件直接串联的技术，对个器件开通和关断的一致性、串联器件的均压特性等要求很高［3］。

由于两电平或三电平换流器的种种缺陷，模块化多电平换流器得到了越来越多的关注和研究。模块化多电平换流器由参数完全相同的子模块串联而成，避免了二电平、三电平换流器的动态均压问题，同时通过控制导通的子模块数量，就可以灵活的改变输出电压和功率大小，具有很小的谐波畸变，不需要安装额外的滤波器［4］，使其在柔性直流输电领域具有巨大的优势。作为MMC正常运行的前提，预充电控制需要快速的将MMC中全部子模块的电容充电至额定电压，进而建立额定的直流母线电压。

本文在原有预充电方案的基础上加以改进，针对MMC拓扑结构和子模块中电容充电的特点，提出了一种无需额外电源且可同时对多个电容充电的两阶段预充电方案，实现了对子模块电容的快速充电。最终通过仿真验证该预充电方案简单可行，可以将电容电压充到稳态运行时的电压值。

2 MMC工作原理分析

三相MMC主电路拓补结构如图1所示，它由六个桥臂组成，每个桥臂都是由N个子模块和桥臂电抗器L串联组成，上、下桥臂构成一个相单元，每个子模块由两个带反并联二极管的IGBT和一个电容器组成。图中，Udc为直流侧正极和负极之间的电压，idc为直流侧电流;ina、inb、inc分别为a、b、c相下桥臂的电流，ipa、ipb、ipc分别为a、b、c相上桥臂的电流;ia、ib、ic分别为MMC交流侧a、b、c相电流;流过子模块的电流为i，电容电压为Uc。

图1 MMC拓扑以及子模块结构

MMC的基本原理就是通过各个子模块中T1和T2的配合，使得子模块端口能够输出不同的电压，将每个桥臂所有子模块串联后，可根据子模块电压的不同组合，获得不同的桥臂电压，上、下桥臂电压的差值就是MMC输出的电压。为了保证直流侧电压的稳定，每个相单元中上、下桥臂投入的子模块数维持在n个，通过改变这n个子模块在该相上、下桥臂间的分配方式来获得期望的交流电压输出［5］。

表1 子模块的工作状态

3 MMC预充电过程

同传统的两电平变流器的启动过程相比，MMC不仅要建立交流侧出口电压，更重要的是建立额定的直流侧电压，即子模块预充电过程，这一过程的复杂性会随着子模块数的增多而加剧。一般来说，实际工程应用中，子模块控制器从储能电容器上取能，充电前电容无储能，子模块控制器无法正常工作。为此，我们需要对子模块电容进行预充电，使其满足MMC稳态运行的要求。当MMC的交流侧为有源系统时，可以用交流系统对子模块电容进行充电，此充电过程可分为不控充电过程和可控充电过程，可使电容电压上升至稳态运行值。

3.1 不控充电过程

MMC不控充电电过程如图2所示，其中，Udc为直流侧正极对负极电压，R为限流电阻。MMC闭锁时，交流侧电流通过子模块中反并联二极管对电容进行充电，为限制充电过程开始时的冲击电流对电路的影响，可在交流侧串入限流电阻，电阻的大小根据功率器件的耐流水平决定。在实际工程应用中，由于充电过程非常复杂，难以用公式精确求出限流电阻和电流的关系，因此可简化充电电路，忽略线路中电抗器作用，将充电回路等效为一阶RC电路，得到充电回路中最大电流为:

式(1)中，Up为相电压峰值。实际中，可根据式(1)综合考虑MMC装置、电抗器、变压器等的额定电流值来决定限流电阻的大小。

图2 不控充电过程

由于二极管具有箝位作用，子模块电容电压的建立是一个累积的过程，充电电流随着电容电压的上升会逐渐减小。对有源侧MMC而言，MMC各桥臂上的电压为交流线电压，电容充电的状态可以视为一阶RC电路的零状态响应［6］，所以有:

式中，m为每个桥臂上子模块的个数;up为线电压幅值;uc(t)为电容电压;τ为时间常数，τ=2RC/m。由(1)式可知，不控充电结束后电容电压最大值为ucmax=up/m。MMC装置正常运行时，直流侧电压为udC=nuSM，相电压峰值为ua=Mudc/2，M为调制比，M≤1，考虑有冗余模块设计时，m＞n，所以有

综上所述，MMC不控充电过程结束后，不考虑损耗，子模块电容电压与直流侧电压达不到稳态运行的要求。为提高电容电压，需要解锁换流器，在控制器的作用下对电容进行进一步充电。

3.2 可控充电过程

不控充电过程结束以后，解锁MMC换流器，使子模块处于半闭锁状态，当流过子模块的电流为正值时，子模块可能被投入，也可能被切除，解锁T2的触发脉冲，闭锁T1的触发脉冲，将桥臂上的几个子模块切除，剩余的子模块电容将继续被充电，直到桥臂上剩余的子模块的电容电压之和等于交流线电压的幅值［7］。在桥臂上使用电容均压控制策略，使子模块电容电压保持均衡。

4 MMC预充电控制策略

根据以上分析，对于连接有源交流系统的MMC，预充电控制可以分为不控充电过程和可控充电过程，其中不控充电过程控制策略为:断开直流线路，利用有源侧交流系统向MMC进行不控充电，待MMC中子模块电容电压满足子模块控制器的取能要求后，充电过程结束;可控充电过程控制策略:为满足实际操作中快速充电的需求，缩短启动时间，可在不控充电过程结束后，对MMC实施交流电压控制，待电容电压升至指定电压值后，再采用直流电压控制，使电压快速而平稳的升到电容电压的额定值［8－10］。在可控充电过程中，当一个子模块电容电压达到额定值后将其切除，从未投入的子模块中找到电压最低的，将其投入，如此反复，最终将上下桥臂中所有子模块电容电压充至稳态运行时的电压值。

实际工程应用中，一般在子模块电容电压满足子模块控制电源所需的最低电压之后，将交流侧的限流电阻切除，MMC切换到稳态运行时的控制器作用，继续对电容进行充电，这时直接采用定直流电压控制会产生冲击电流［11］。为限制冲击电流，采用带斜率控制器的直流电压控制［12］，将切换时的指令电压值视为实际电压值，然后使指令电压按给定的斜率上升至额定值。

图3 子模块预充电流程

图4 带斜率的直流电压控制

5 仿真验证

在MATLAB/Simulink中搭建向有源网络供电的柔性直流输电系统模型，参数见表2，按照上文制定的预充电策略，仿真时间节点设定如下，0.25限流电阻退出，0.26启动直流电压斜坡控制，图4～图5为仿真结果。

从仿真结果来看，控制效果明显，带斜率控制器的直流电压控制可以很好地使直流电压按照设定的斜率上升到额定值，降低切换时产生的冲击电流。经过不控和可控充电过程后，MMC的各个桥臂子模块电容电压均能迅速的达到稳态运行时的电压值，电压变化情况与前述的分析基本相同，电容电压的预充电控制策略达到了预期的效果。

表2 直流输电系统的参数

图5 MMC直流侧电压

图6 子模块电容电压

6 结语

对模块化多电平换流器进行预充电控制是直流输电系统启动过程中的中心环节，也是换流器正常运行的前提。本文通过对模块化多电平换流器预充电过程的分析，设计了包含MMC不控充电过程和可控充电过程的预充电控制策略，经过仿真系统验证，表明该控制策略满足MMC预充电的要求，在对子模块电容进行可靠充电的同时，还可以很好地抑制子模块状态切换时电路中的冲击电流。按照文中的控制策略，可以有效解决有源侧子模块电容电压充电问题，无需增加额外的辅助电源，降低了成本，有一定的工程实用价值。

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Analysis of Multi-level Modular Converter AC Side Charging Control Strategy

TAN Jiu-yu，YANG Yang
(1.School of Electrical Engineering，Northeast Denali University，Jilin 132012)

Before the startup process of modular multilevel converter(MMC)the capacitor of sub-module must to be charged.In order to ensure the reliable of capacitor charging，considering the characteristic of MMC and the AC side is connected with the active system，a two-stage pre-charging scheme include the not control charging process and the controlled charging process was presented in this study.Through the AC side active system can make the capacitor voltage of sub-modules charged up to the value for the steady state operation.Simulation with the software MATLAB/Simulink verifies the effectiveness of the proposed pre－charging scheme.

modular multilevel;precharge process;capacitor volatage;HVDC power transmission

TM721

B

1004－289X(2016)04－0073－04

2015－05－04

谭久俞(1991－)，男，蒙古族，硕士研究生，研究方向为模块化多电平换流器;

杨洋(1991－)，男，汉族，硕士研究生，研究方向为电动汽车快速充电。