模块化多电平换流器快速预充电控制

朱荣俊,宋吉江,蔡富东

（1.山东理工大学 电气与电子工程学院,山东 淄博 255049;2.山东信通电子股份有限公司, 山东 淄博 255088)

0 引言

MMC换流器启动时，需对电容进行预充电。文献[1]在可控阶段通过逐个解锁子模块的方式进行充电，但没有考虑充电时压差较大电容易被击穿的情况。文献[2]主要是以充电电流的设定值作为切除子模块的判断依据，充电时间有所缩短，但子模块投切的次数较多，稍显复杂。文献[3]通过设定的斜率来提升电容电压。在不可控充电时，以上文献都是利用固定的限流电阻进行充电，充电的后期，电容电压上升缓慢。

为了提高换流器子模块电容启动时充电的速率，在不可控阶段，将限流电阻分级控制。在可控预充电阶段，为了消除子模块电容充电易击穿的情况，提出了一种电容分组充电策略，降低解锁充电时电容两端的电压。所提控制方法简便可行，有一定的实用价值。

1 不可控充电控制

不可控充电时，开关闭合的瞬间，充电电流较大，通常采用限流电阻进行限制，此时只能根据电流的方向选择导通的桥臂。每组桥臂导通与否，根据线电压的大小确定，忽略换流时的重叠角，在充电初期，电容电压不相等时，会有三个桥臂同时充电的情况。当不可控充电完成时，直流侧电容电压达到交流侧的线电压幅值U11，有源测的电容电压为U11/N，无源侧电容电压为U11/2N[1]。

常规的做法是在不可控充电开始时接入限流电阻，一种是在不可控充电完成时切除[3]，另一种是在可控充电完成时切除[1]，限流电阻都是固定值。本文采用将限流电阻进行分级控制，即将固定的限流电阻变成两个可投切的电阻。

2 可控充电控制

不可控充电完成后，子模块具有了初始启动电压，通过门极的通断来控制子模块投入切除，然而N个电容之和仍未到达额定的直流高压，此时解锁，会造成大的电压跌落，为了减小电压差，子模块需要再次进行充电。本文提出一种改进的的子模块可控充电策略，无需设计专门的充电器，设计简单。即采用子模块分组解锁的方式进行充电，降低分组电容两端的电压差，降低电容击穿的概率，提高系统的稳定性和充电速度。

具体的分组充电策略为，把单个桥臂的10个子模块电容依次标号，相邻两个为1组，共分成5组，充电时依次投入分组电容，具体投入时刻需根据桥臂电流方向确定，如果桥臂电流为正时依次投入分组电容进行充电，为负值时切除，如果分组电容电压达到预设值，进行下一组的充电，一直到所有的子模块电容组充电完成。

3 MMC预充电控制仿真验证

为验证电阻分级切除和电容分组充电策略的有效性，搭建了图1所示的两端11电平的MMC-HVDC系统仿真模型，S1为有源端，MMC2侧为无源端，K1、K3分别为两个系统的接入开关，K2为限流电阻切除开关，其中R分成二级R1（30Ω）、R2（10Ω），分别对应的切除开关为K21、K22。相电压幅值为20kV，阀电抗器4mH，桥臂电容3000uF，子模块额定电压4kV。

预充电时MMC1侧采用近端充电，MMC2侧采用远端充电，在仿真时K3处于断开状态。常规的桥臂子模块充电，限流电阻为固定值，在整个的不可控和可控充电过程中，不进行切除，直到充电完成才进行切除[1]。不控充电的后期，子模块的充电速率变得缓慢，可控充电时，子模块电容逐个进行充电，电容两端压差较大，易存在击穿的风险。图2为改进的桥臂子模块充电曲线，不可控阶段限流电阻进行分级控制，在0.28S时切除R1后，子模块的电压抬升明显，到1.5s时，不可控充电完成，MMC1的电容电压达到3.5kV，MMC2电容电压达到1.75kV，与传统控制方法比较，充电速度明显提升。可控阶段电容进行分组充电控制，把子模块电容分为5组，每组2个同时进行可控充电，在经过约0.5s后5组电容分别充到其额定值4.0kV，可控充电时间约缩短一半。

4 结论

系统分析了MMC启动时的动态预充电过程，在不可控阶段，提出分级切除限流电阻的策略，并给出了具体的分级电阻的阻值，仿真验证了分级切除限流电阻的策略，能快速提高不可控充电时的子模块电容电压。在可控充电阶段，改进了子模块电容分组进行充电的策略，选取合适的电容分组数，进行电容分组解锁充电。仿真结果表明该策略提高了预充电的可靠性和充电速度。

[1]姚俊,谭义,赵磊.模块化多电平变换器预充电控制策略[J].分布式能源,2016,01(01):33-39.

[2]熊明,靳斌,李兴等.模块化多电平换流器交流侧快速自励充电策略[J].电网技术,2016,40(09):2789-2974.

[3]阎发友,汤广福,孔明.基于模块化多电平换流器的直流电网预充电控制策略[J].中国电机工程学报,2015,35(20):5147-5154.