MMC-HVDC系统的充电启动方案和现场试验

庄志发，冉学彬，龙正兴，关宇洋，姚传涛

(中国南方电网超高压输电公司天生桥局，贵州 兴义562400)

模块化多电平电压源型换流器(modular multilevel converter，MMC)采用模块化级联的方式组建，避免了对开关器件的直接串联，大大降低了制造及工程实现难度。由MMC构成的柔性直流输电系统(MMC-HVDC)具有波形质量高、故障处理能力强、损耗低等优点，在直流电网建设中具有较为广泛的应用前景[1-3]。

目前，新建柔性直流输电工程多采用MMC拓扑结构。由于所连交流电网运行状态的不同，如交流电网正常运行或故障全黑等情况，使得MMC-HVDC系统充电控制与实现过程成为不可回避的问题。文献[4-5]的研究重点均放在柔性直流输电控制系统的设计方面，没有具体分析MMC的充电实施过程；文献[6-8]详细介绍了MMC换流器的典型充电启动和停机过程，但未进行充电细节分析，且没有考虑无源系统和电网故障情况下的黑启动模式充电问题；文献[9]主要研究基于鲁西背靠背MMC-HVDC系统的南方电网大网架下的黑启动方案，详细分析了启动的操作步骤和按百色与平果方向两种路径黑启动的可行性，没有研究柔性直流系统内部换流器、功率模块的充电过程以及正常方式下的充电策略。

本文针对因所连交流电网运行状态不同(如正常运行、故障全黑)带来的MMC-HVDC系统充电启动问题，进行等效建模、理论分析和公式推导，指出MMC-HVDC系统在交流电网运行状态差异情况下充电策略不同和需分阶段进行充电控制的原因，提出满足MMC-HVDC系统有源和无源充电启动的2种充电控制方案，并通过现场试验对方案的有效性进行验证。

1 MMC-HVDC系统结构

两端或多端MMC-HVDC系统通过整流MMC和逆变MMC将各侧的交流电网联接起来，以较简单的MMC-HVDC系统为例，其构成类似于传统直流12脉动换流器双极对称接线的方式；只是因换流器件被模块化导致直流侧没有集中布置的电容器，故将接地点移至换流变压器的阀侧中性点处，以降低直流线路的对地绝缘水平[2]。两端MMC-HVDC系统基本结构如图1所示。

图1 两端MMC-HVDC系统基本结构Fig.1 Basic structure of two -terminal MMC-HVDC system

图1(a)中，K为旁路隔离开关，S为交流进线断路器，R为启动限流电阻的电阻值，Udc为直流额定电压。正、负极直流线路之间，MMC的每个桥臂由N个功率模块和1个桥臂电抗器(电抗值为L0)串联组成，同相的上下2个桥臂构成1个相单元，两端或多端MMC的三个相单元及相应的启动回路、联接变压器、直流线路等共同构成1个两端或多端MMC-HVDC输电系统。图1(b)为功率模块拓扑结构，其中T1、T2为绝缘栅双极型晶闸管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，D1、D2为反并联二极管，C0为直流电容的电容值，Uc为电容电压，ism为功率模块的输入电流，usm为功率模块两端电压。

2 MMC-HVDC系统充电控制

MMC-HVDC系统充电的主要目标是建立额定直流电压和交流输出电压。由MMC结构及功率模块工作原理[2]可知，额定直流电压的建立实质上是对MMC功率模块中直流电容器存储能量的过程，MMC上、下桥臂的功率模块电容电压之和构成MMC-HVDC系统的直流电压。

充电控制的目标是通过控制方式和辅助措施使功率模块直流电容的电压快速上升至接近额定工作电压，但又不产生过大的充电电流和过充电现象。MMC-HVDC系统运行模式主要分为常规运行模式和黑启动模式。常规模式用于正常的有功传输、无功支持等，黑启动模式用于为故障或无源的电网提供能量，使其逐步建立电压和额定频率。对于常规模式，因MMC能够连到有源交流电网，故可以直接通过交流电网的能量为MMC功率模块电容器进行充电；对于黑启动模式，由于黑启动侧电网一般因故障停运或本身就是新建的无源系统，通过交流电网无法提供能量为MMC功率模块电容器充电，只能借助对端MMC功率模块储存的直流电能进行充电。

鉴于上述原因，MMC-HVDC系统的充电方案可以有2种选择，即通过交流电源直接为MMC充电的交流充电方案和通过有源侧MMC已建立的直流电势为无源侧MMC充电的直流充电方案。

3 两端MMC-HVDC系统充电启动方案

当前工程中，MMC功率模块主要由IGBT器件、直流电容器、控制单元和高位取能电源构成。其中，控制单元由单元控制板、采样触发板、IGBT驱动板等组成，用于功率模块电容电压、取能电源、IGBT状态监测以及IGBT器件的触发控制等。

控制单元的工作电源取自于由功率模块直流电容器供电的高位取能电源装置，在功率模块直流电容器储能达到高位取能电源额定工作电压(一般约为400 V)前，控制单元处于失能状态。在这段时间内，MMC功率模块电容的充电由于缺乏监测、控制能力而无法进行控制。基于上述限制，对MMC的充电，不论交流或直流充电方式，均需经历不控充电和可控充电2个阶段才能完成。

3.1 利用有源电网进行充电的交流充电方案

该方案包含2个阶段：第1阶段是交流不控充电阶段，功率模块电容电压由0充电到不控充电的最大值Uc1；第2阶段为可控充电阶段，系统释放和控制IGBT器件的触发脉冲，在控制器作用下，功率模块电容电压由Uc1上升至额定工作值。充电时序如图2所示。

图2 交流充电时序Fig.2 AC charging time-sequence chart

3.1.1 交流不控充电阶段

在交流不控充电阶段，封锁所有功率模块IGBT的触发信号，MMC通过功率模块中反并联的二极管构成1个三相不控整流电路对功率模块电容进行充电，其等效电路如图3所示。在交流不控充电时，上、下桥臂各有一相处于充电状态，分别为交流相电压低的一相的上桥臂和相电压最高一相的下桥臂。另外，在交流断路器合闸充电的瞬间，相当于在交流系统瞬时接入大量电容，会产生巨大的电流突变，为了限制启动初期过大的充电电流，防止损坏换流阀，启动初期在交流断路器和换流阀之间需串入限流电阻[2-3,6]，当充电到一定程度后再将限流电阻旁路，使电容电压能够继续上升至取能电源工作电压。该阶段完成柔性直流单元从备用到闭锁的顺控指令。

图3 交流不控充电等效电路Fig.3 Equivalent circuit of AC uncontrolled charging

p=Uc/UcN.

(1)

式中：p为功率模块电容充电率；UcN为功率模块额定运行电压。

UcN=Udc/(N-M).

(2)

Uc=us/N.

(3)

式中：us为换流器输入交流电压；M为桥臂的冗余功率模块数。

在交流不控充电阶段，功率模块电容充电率

p=(us/Udc)×(N-M)/N.

(4)

由式(4)可以看出，交流不控充电阶段功率模块电容电压并不能达到额定值。

以鲁西背靠背MMC-HVDC系统云南侧MMC交流不控充电为例，柔性直流额定电压为700 kV，桥臂功率模块总数为335个，冗余25个，MMC输入交流电压有效值为375 kV。则在交流不控充电阶段，当桥臂电容电压充电到最大值时的电容充电率

(335-25)/335=0.7.

(5)

在交流不控充电阶段，功率模块电容电压最大只能达到额定电压的0.7倍。为了达到额定电压，还需要对功率模块继续充电。

3.1.2 交流可控充电阶段

该阶段柔性直流换流器解锁，直流控制系统给阀控系统下发调制信号，对功率模块中的IGBT进行有策略的开通和关断，使功率模块有序地工作在投入与切除模式，从而使功率模块电容电压达到额定值，建立额定的直流电压。

3.2 利用有源侧MMC对无源侧MMC进行充电的直流充电方案

在为无源交流系统供电或一侧交流电网故障恢复时，可通过有源侧MMC对无源侧MMC进行直流充电[8]。充电过程包括3个阶段：直流不控充电阶段、直流可控充电阶段和解锁运行阶段。充电时序如图4所示。以鲁西背靠背MMC-HVDC系统对云南电网黑启动为例进行分析。

图4 黑启动充电时序Fig.4 Black-start charging time-sequence chart

3.2.1 直流不控充电阶段

在云南电网黑启动模式下，云南侧换流器交流进线断路器断开，MMC进行直流充电。该阶段，封锁云南侧MMC所有功率模块IGBT器件的触发脉冲，使三个相单元的上、下桥臂所有功率模块电容器通过反并联二极管进行直流不控充电，如图5所示。

无源侧MMC直流充电的前提是有源侧MMC输出直流电压的建立。有源侧直流电压的建立过程，实质上就是有源侧MMC进行交流充电的过程。对于云南电网黑启动，在广西侧MMC进行交流不控充电时，广西侧MMC的每个相单元中总有一个桥臂处于短路状态，另一个桥臂处于充电状态，而且随着充电交流电流方向的不断变化，处于短路和充电状态的桥臂交替变换，功率模块电容电压不断升高，直流电压也随之建立和不断提升。建立和不断提升的直流电压开始对云南侧MMC每一相上、下桥臂同时进行充电[10-11]，充电回路如图5所示。

图5 云南电网黑启动时的直流不控充电Fig.5 DC uncontrolled charging under the black-start mode of Yunnan power grid

云南侧MMC每相的所有功率模块直流电容电压之和即为直流侧电压，考虑到广西侧MMC交流不控充电时每一相的上桥臂或下桥臂中只有一个桥臂处于充电状态，另一个桥臂处于功率模块下侧二极管导通状态等效于桥臂短路状态，故直流侧电压近似等于广西侧的桥臂电压。因此，在直流不控充电阶段，功率模块的电容电压最多只能充到交流不控充电时的一半。为此，需要进行下一阶段的直流可控充电来继续提升功率模块电容电压。

3.2.2 直流可控充电阶段

该阶段由阀控系统控制实现，阀控下发调制波，对功率模块进行投退控制，实现功率模块电容的可控充电，直至黑启动侧MMC桥臂电容电压之和等于非黑启动侧交流不控充电的电压值[12-23]。

至此，柔性直流单元备用到闭锁顺控指令执行完毕。随后，阀控系统接收单元控制系统发出的调制波和解锁命令，进入解锁运行阶段。

3.2.3 解锁运行阶段

阀控系统收到解锁命令后，非黑启动侧换流器采用直流电压控制，黑启动侧采用电压与频率(voltage and frequency，VF)控制，继续为功率模块电容进行充电，提升直流电压，最终使得两侧MMC功率模块电容电压均达到额定值。定直流电压控制结构和VF控制结构分别如图6、图7所示。图6中，Udc,base为直流电压基准值，Udc,ref为总直流电压参考值，Id,ref为d轴电流参考值，Kp为比例系数，Ki为积分系数。图7中，Urms为交流电压实际有效值，Uref为VF控制交流电压参考值，Ubase为交流电压基准值，Ud,isl为d轴电压输出值，Uq,isl为q轴电压输出值，θisl为输出电压相位。

M表示此部分作为分子，D表示此部分作为分母。

图6 定直流电压控制结构
Fig.6 Constant DC voltage control structure

图7 VF控制结构Fig.7 Voltage and frequency control structure

4 现场试验

针对第3节提出的两端MMC-HVDC系统充电启动方案，分别进行现场试验，并对录波进行分析，以验证该方案的可行性。

4.1 交流充电现场试验验证

2016年8月10日进行了鲁西背靠背MMC-HVDC系统正常模式解锁性能试验。调试组分别通过云南侧和广西侧500 kV交流场同时对柔性直流单元两侧MMC进行充电，测量柔性直流单元进线阀侧电压互感器的电压值，并跟踪MMC功率模块直流电容电压值进行验证。

图8为鲁西背靠背MMC-HVDC系统云南侧MMC充电不同阶段的波形(因两侧充电过程基本相同，故仅以云南侧充电波形进行分析)。在16：51：56柔性直流单元进线交流断路器合闸，开始对MMC进行交流不控充电，直流电压随上、下桥臂功率模块电容电压的升高逐步提升，至16：52：15，经过约19 s，交流不控充电完成(功率模块电容电压平均值约为1.667 kV，为额定值的0.74倍)。在17：03：35下达解锁命令，MMC脉冲封锁解除，开始进行交流可控充电，经过约4 s，MMC可控充电完成，直流电压达到额定值350 kV，启动成功。

图8 鲁西背靠背MMC-HVDC系统交流充电波形Fig.8 AC charging waveforms of Luxi back-to-back MMC-HVDC system

4.2 直流充电(黑启动模式)现场试验验证

2016年8月16日，调试组分别进行了鲁西背靠背MMC-HVDC系统云南侧和广西侧黑启动试验。

图9为鲁西背靠背MMC-HVDC系统云南侧黑启动时两侧的充电及控制量变位波形。图9(a)为云南侧黑启动时广西侧MMC交流不控充电的波形，在17：34：24合上广西侧交流进线断路器开始对广西侧MMC进行交流不控充电，至17：34：44，经过约20 s，交流不控充电完成，模块电容平均电压达到1.113 kV(约为额定值的0.7倍)；此外，由于限流电阻的作用，启动初期未产生过冲电流。图9(b)为云南侧黑启动时广西侧MMC交流可控充电波形，在18：01：40下达解锁命令，柔性直流单元解锁，广西侧MMC开始进行交流可控充电，经过约5 s，交流可控充电完成，模块电容平均电压达到额定值(1 600 V)。图9(c)为云南侧MMC直流不控充电和可控充电阶段的波形，在17：34：24直流不控充电开始，经过约40 s，完成直流可控充电。图9(d)为解锁运行时云南侧MMC充电波形和云南侧交流母线建压波形，柔性直流单元解锁后约6 s，云南侧MMC直流充电完成，功率模块电容电压和直流母线电压均达到额定值，而后在广西侧定直流电压控制和云南侧VF控制下，云南侧交流母线电压逐步建立，经过约58 s达到额定值。

5 结束语

本文针对MMC-HVDC系统受交流电网运行状态影响带来的充电启动问题进行了研究，通过分析MMC-HVDC系统结构和功率模块充电控制原理，指出MMC-HVDC系统具有交流和直流2种充电方案，以及需要不控充电和可控充电2个充电阶段的原因。在此基础上，提出适用于有源或无源电网的MMC-HVDC系统充电启动方案，即通过控制功率模块IGBT的触发脉冲和利用有源端MMC为无源端充电等方法，实现MMC-HVDC系统的启动和无源电网的黑启动。

图9 鲁西背靠背MMC-HVDC系统直流充电波形Fig.9 DC charging waveforms of Luxi back-to-back MMC-HVDC system

通过现场试验对两种充电方案进行了验证，所得结果表明本文所提方案可以保证MMC电压稳定建立，单个功率模块电容电压均衡分布，不会产生过冲电流和电压，且充电时间也能满足要求。