MMC-HVDC启动控制策略研究综述

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(贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

模块化多电平换流器(MMC)是电压源型换流器的一种优良拓扑，MMC-HVDC除了具备传统的直流输电系统的一系列优点外，还具备开关损耗小、输出波形质量高、系统损耗低、不平衡运行能力强、故障保护和恢复能力好、易于扩展、冗余易配置等优点[1-3]。另外，MMC由于装置占地少且制造成本小可以建立无人值守站，对环境影响小，故更加节能环保。基于以上优点MMC-HVDC在可再生能源的发电并网、孤岛和城市供电以及交流系统间的互联等应用领域，具有广阔的发展前景[4-6]。

从目前国内外研究来看，人们对MMC-HVDC的研究重点放在换流器的调制策略，桥臂环流抑制，模块电容稳压控制等方面，并且一般情况下假设直流侧子模块电压已达到额定值，而对单站和双站换流器启动预充电控制策略研究较少[7-8]。文献[9]提出了双闭环预充电控制结构，该控制能较好的控制充电电流，且由于其控制结构简单可适用不同系统容量等级的输电系统。文献[10]中提出了利用低压电源且适用于不同的子模块拓扑结构预充电的方案，该方案无需限流电阻但是采用逐一子模块预充电方案，并不适用于MMC-HVDC系统中。文献[11]中适用将传统输电系统与MMC-HVDC相结合，提出了混合子模块系统的预充电策略。文献[12]中提出了针对桥臂混合子模块的预充电策略，另外详细分析了混合子模块中不同子模块使用比例对预充电过程的影响。

MMC启动是直流输电系统正常运行前必须经历的环节[13]。国内外研究者皆通过设计合适的控制方案和解锁策略使得输电系统的公共直流母线电压迅速提高到正常模式时的额定电压，同时又尽量防止过电流和过电压冲击，此外由于桥臂混合子模块换流站具有直流故障穿越的优势，因此混合子模块换流站预充电启动是目前研究的热点。本文在分析了预充电限流电阻的选取原则后，对现有换流站他励和自励预充电方案以及应用于交流和直流侧预充电控制策略进行了较为系统的分类和总结，为相关从业者提供参考。

1 MMC-HVDC运行原理

MMC-HVDC简化结构图如图1所示。其中us1、us2、is1和is2为交流系统的电压和电流，R1和R2为限流电阻，Sk1和Sk2为限流电阻旁路开关，z1和z2为交流线路等效阻抗，Sd为直流侧断路器，z0为直流侧等效电阻和电感。MMC1和MMC2分别是本地和远方换流站。

图1 MMC-HVDC系统简图

2 MMC拓扑结构及数学模型

2.1 MMC拓扑结构

MMC拓扑结构如图2所示，o点表示零电位参考点，一个换流器有6个桥臂，其中任一桥臂由电感L和N个子模块串联组成，每相由上、下桥臂组合而成且桥臂电气参数均相同。桥臂串联电感可以减缓当发生故障时桥臂故障电流上升速度，同时可以抑制由于每个桥臂电压瞬时值不同引起的相间环流[14]。MMC采用全控器件控制通断，因此既可工作在整流状态又可工作在逆变状态[15]。

图2 MMC拓扑图

子模块作为MMC的基本单元，其拓扑结构可分为半桥型(HBSM)、全桥型(FBSM)和双箝位型(CDSM)三种结构，分别对应图3中(a)、(b)、(c)，其中HBSM在实际的直流输电工程中应用最为广 泛，HBSM由一个电容C和两个IGBT(T1和T2)组成，系统运行时控制子模块中T1和T2的开通与关断将其状态分为投入、切除、闭锁，使得子模块输出电压在零和电容电压之间转换，通过将不同子模块的输出量进行叠加便是理想的系统输出波形。MMC-HVDC中直流侧母线电压需子模块电容电压来维持，改变桥臂子模块数量即可实现对系统电压等级和容量的改变[14]。

图3 子模块拓扑

2.2 MMC数学模型

换流器的等值电路图如图4。MMC任一相单元的输出都是对子模块输出电压进行代数叠加得到的，故任一桥臂都可使用等效直流电压源进行代替，R为桥臂电抗器L的等效电阻。电流，电压选定方向已在图4中标出。

图4 MMC等值电路图

因此，对任一相单元由Kirchhoff laws可得

(1)

(1)式为MMC换流器数学模型方程，设

(2)

称e为*相的虚拟电势。

由(1)式可知通过控制虚拟电势e来控制交流侧的电压，电流和桥臂输出电压，从而可以将传统换流器中的双闭环控制方案引入到MMC的控制过程中[16]。

3 MMC-HVDC系统启动控制过程

MMC稳态运行中的直接电流控制环节能否正常的建立取决于在MMC启动时直流侧电容电压的初值大小，直流侧电容电压达到额定值是直接电流控制的基础，因此在MMC进入正常运行之前，对直流侧电容使用合适的充电方法和控制策略进行充电使其具有一定的电压初值显得尤为重要，这也是采用电容均压控制和桥臂环流抑制环节的前提和基础。此外，通常在MMC启动之初，子模块电容电压几乎为零，电路相当处于短路状态，故在预充电开始瞬间必定伴随着过电流情况，严重时会破坏换流装置和功率开关器件，因此在系统启动时应对直流侧预充电策略进行设计并加入相应的限流装置。

3.1 子模块预充电

如图5中(a)、(b)、(c)分别对应着HBSM、FBSM和CDSM预充电电路。目前对MMC-HVDC启动控制研究中绝大多数是以HBSM为基础展开的，对于FBSM和CDSM研究甚少且相比于HBSM而言FBSM和CDSM控制更加灵活并且具有切除直流侧短路故障的能力，因此研究前景十分广阔。HBSM充电回路中当电流方向为正时，电容将被充电，当电流方向为负时子模块电容被旁路，而相对于FBSM，桥臂电流为正和为负时，电容均处于充电状态，因此FBSM充电效率要高于HBSM。

图5 子模块预充电拓扑

CDSM的拓扑结构较为复杂，每个子模块中有两个储能元件，在桥臂电流方向不同时，子模块中投入的储能元件的串并联关系不尽相同，在a、b相充电回路中，其等效充电回路如图5(d)所示。其中Zeq=2(L0+L)+2(R0+R)。

3.2 限流电阻的选择

以HBSM为例进行分析，MMC处于不控充电状态下等值电路如图6所示。在预充电开始时，在电路中串入限流电阻以控制充电电流，一般情况下限流电阻安装有2种位置选择：(1)安装在联接变压器的网侧;(2)安装在联接变压器的阀侧。不同在于，当交流系统同时与多端系统相连，在(1)处安装电阻会对其他端系统产生影响。除此之外，若限流电阻的阻值选择过大，虽然其限流作用十分明显但是会使直流侧电压上升缓慢，若阻值选择过小，则起不到限流的作用，由于MMC-HVDC系统的非线性，难以计算出具体的解析表达式来表示限流电阻的大小[17]。文献[17]中通过对不可控充电过程桥臂电流的分析，提出改进后的限流电阻的表达式，对启动电流限制作用明显。文献[18]中通过软件仿真，不断修正后得出限流电阻的大小。文献[19]中利用拉普拉斯变换给出了VSC-HVDC启动电阻的通用计算方法。文献[20]中提出了多端系统在无源黑启动时的限流电阻的近似的计算方法，但该计算方法仅适用于无源端预充电启动过程。文献[21]和文献[22]给出了限流电阻的选取原则，限流效果明显。一般情况下，对于限流电阻阻值的选择可以通过将不可控充电电路进行零状态等效后采用式(3)～式(5)的计算得到。

图6 预充电等值电路

(3)

(4)

式(3)和式(4)中X为

(5)

式中Ist——充电时最大电流幅值;

Um——交流系统相电压幅值;

R0——线路等效电阻;

R——限流电阻;

ω——交流侧系统角频率。

限流电阻阻值的选择需考虑换流变压器参数，功率开关管过流能力，限流幅值等因数后确定。

3.3 预充电策略

MMC常见的启动方式分为他励启动和自励启动。文献[24-27]中提出他励的方式逐个向子模块电容电压充电，辅助电源可以高于子模块额定电压的方式进行充电以提高充电效率。他励启动需要额外的直流辅助电源，采用逐一充电的方案，这种充电方案瞬态处理能量等级低，控制过程简单，但是由于子模块内部自身电压损耗，最先充电的子模块电压随着时间的推移缓慢下降，预充电完成时，各个模块电容存在压差，另外需使用系统外的充电电源，增加系统成本，因此该方案更适用于在低压领域或子模块数较少的实验室条件中，显然在MMC-HVDC系统中这种方法既不经济也不实用[23]。

自励启动即通过交流系统对换流器直流侧子模块充电。如图7是交流系统为本地换流站和远方换流站的充电简图。从时间尺度上看，MMC自励启动预充电分为两个阶段：不可控充电阶段和可控充电阶段；在MMC启动时，子模块电压值不足以为IGBT触发提供能量，故此时的IGBT无法实现通断控制且子模块处于闭锁状态，因此交流系统只能通过与IGBT反并联的二极管为直流侧电容充电，类似于整流电路。此阶段称为不可控充电阶段[29]。

图7 预充电简图

对于HBSM模块而言，在a，b相充电回路中，设不可控充电结束后直流侧电容电压为Uc，则有

(6)

(7)

在不考虑冗余的情况下子模块额定电压为

(8)

设电容电压不控充电率η为

(9)

(10)

将(10)代入(11)得

(11)

即不可控充电阶段充电率可以达到71%～74%。

在FBSM充电回路中，不论桥臂电流的正负均会对电容充电，因此在不可控充电结束后FBSM的充电率仅为HBSM的0.5倍。

在CDSM充电回路中，Ceq为桥臂等效电容，当ism为正时

(12)

当ism为负时

(13)

在不可控阶段充电结束后子模块电容电压Uc为

(14)

故CDSM不可控阶段充电率为HBSM的0.75倍。

对于远方换流站，相当于有源侧在不可控充电阶段为本地和远方换流器同时充电，而远方换流站处于闭锁状态，且每相投入充电的子模块数为本地换流站的两倍，故在不可控充电结束后，远方换流站的子模块电压为本地换流站子模块电压的一半[29]。因此，在解锁远方换流站时，产生的电流电压冲击会比本地换流站解锁时更大。

从空间维度上看，MMC自励启动预充电分为两种：交流侧预充电和直流侧预充电。其中第一种是MMC-HVDC中换流站利用交流电网对本地MMC任一桥臂中的子模块电容进行充电；第二种是只利用有源换流站向本地和远方的换流站电容进行充电。前者对各站的通信要求较低，独立性较强，而后者在无源网络供电，黑启动等场合是必须的。文献[7]和文献[13]中针对在自励充电中不可控整流阶段结束后，为避免解锁换流站产生较大的浪涌电流，采用换流站解锁后子模块数递减的方案进行可控充电直至直流侧电压到达额定值。文献[8]中系统的研究了MMC有源站和无源站的启动方案，考虑到换流站解锁瞬间存在电流冲击，提出了由直流电压瞬时值代替额定电压值的改进的最近电平逼近控制方式，以减少解锁时刻的电磁冲击。文献[14]中将换流器自励充电方案应用于光伏并网中，较详细的介绍了光伏并网启动过程，但在系统本地换流站和远地换流站解锁瞬间仍存在较大浪涌电流的冲击，文中并没有提出解决方案。文献[30]中将CDSM预充电电路进行等效，提出了三种适合于双箝位型MMC预充电策略，充电效果很好。文献[17]在分析了不可控充电阶段可能存在3桥臂均处于充电状态情况，在考虑冗余子模块的情况下采用了模块电压协同直流电压的控制方案用以解决换流站解锁时因直流电压和电容电压不能达到额定值而产生的难以相互匹配的问题。文献[18]分别讨论双端有源直流输电系统和一端无源系统充电控制策略，但是由于采用逐一模块充电的思想，因此在实际的输电工程中并不适用。文献[22]中提出了根据系统短路比选择输电系统启动方式的方案，明确了实际工程中换流站启动方式的选取原则。文献[31]中以两端系统为例，系统的介绍了应用于换流站黑启动的控制策略。文献[32]和文献[33]中提出了改进后的自励充电方式，但其中仍然采用逐个充电的方法，充电效率无法保证。文献[34]中采用同步充电的思想并根据不同的场合提出两种不同的充电方案，但是文中没有考虑到将该充电方案应用于整个MMC-HVDC中并且在其充电方案中需使用软件限幅模块增加了控制系统的复杂性。文献[29]中以四端MMC换流站为例，指出为避免当出现多于一个无源站时，直流电压和子模块电压会出现振荡的情况，提出了不同换流站顺序解锁方案和改进后的最近电平逼近的控制方案，另外使用无源站闭环能量平衡控制方案，解决了多端系统启动控制问题。文献[23,35]中在自励充电的方案下提出了动态子模块电压额定值整定、同相桥臂和不同相桥臂子模块电压均衡控制算法，优点是在保证电容电压的充电效率的同时又能确保尽量减少过压过流对功率器件的冲击，但是这种充电策略只是针对有源系统提出的，文中并没有提及无源系统的充电策略。文献[36]中针对阀侧接地与不接地两种拓扑结构的有源不可控充电过程进行分析，然后为避免换流器解锁后的电流冲击采用了调制波预跟踪和主动充电方案，但是文中并没有提及此种策略对其他换流站的影响。文献[37]提出了将子模块充电过程分为闭锁和半闭锁两个阶段，但是在子模块半闭锁充电过程中，控制过程较为复杂。

4 MMC-HVDC启动控制过程

4.1 双端有源MMC-HVDC启动控制策略

断开直流侧断路器开关，与有源网络连接的换流站进入不可控预充电阶段并投入限流电阻，当充电电流趋于零时，闭合限流电阻旁路开关，切除限流电阻，换流站不可控充电阶段结束。此时子模块电压尚未达到额定值，需解锁换流站，分别采用定无功功率和定直流电压控制策略并设定无功功率控制指令值为零，以减少电流冲击。解锁后直流母线电压未达到额定值，若此时电压外环参考值直接给定为额定值会引起系统较大冲击，因此电压外环结构中可引入直流电压斜坡控制和改进后的基于电容电压排序策略。当两端换流站直流母线电压均达到额定电压后，闭合直流线路断路器，将两端直流线路相互连接。在两端换流站连接之前，应分别检测直流侧电压，确定两端的电压差足够小，避免对系统造成冲击。当直流侧断路器接通后，两端的换流器有功类和无功类控制指令开始缓慢回升，直至额定值，系统进入正常的工作模式中。

4.2 向无源系统供电换流站启动控制策略

无源系统启动控制策略同样适用于电网黑启动。在启动有源侧的换流站时闭合直流侧断路器向无源侧的换流站充电，并投入限流电阻。当充电电流趋于零时，不可控充电阶段结束，此时远地换流站子模块电压是本地换流站子模块电压的一半，解锁无源侧换流站，进入可控充电阶段。由于在无源站解锁瞬间，相投入子模块数量下降，使得直流电压产生较大跌落，会产生冲击电流，因此限流电阻仍串入电路中，有源侧换流站启动按照上节介绍的步骤启动，当直流侧电压基本稳定后，闭合限流电阻的旁路开关，切除限流电阻。之后两端换流器无功类和有功类控制指令缓慢回升，直至额定值，无源侧接入负载。启动过程结束，MMC-HVDC系统进入正常工作模式。

5 总结与展望

随着MMC-HVDC应用的日益广泛，其容量日益扩大，换流站子模块的规模将日益庞大，因此外加辅助直流电源的启动方案已不适用于实际的MMC-HVDC中；通过交流系统为本地和远地的换流站提供启动能量将是未来研究的重点，如何通过适当的控制方案建立起直流侧电压以实现系统快速平稳的启动是研究的核心内容。其中启动过程中本地和远地换流器解锁后的控制策略是研究工作的难点，同时由于MMC-HVDC相比于传统输电系统的一系列优点，光伏电网，风电网并网启动以及多端电网的启动控制研究是未来研究的趋势。另外，MMC-HVDC的启动控制过程与系统正常运行的控制过程不尽相同，因此将启动控制与正常模式下的控制方案进行更优的协调，还待进一步研究。