譚久俞，楊洋

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012)

模塊化多電平換流器交流側(cè)預(yù)充電控制策略分析

譚久俞，楊洋

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012)

模塊化多電平換流器(MMC)啟動過程前必須對子模塊中的電容器充電。為保證電容器的可靠充電，在分析MMC拓?fù)浼斑\(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上，針對交流側(cè)接有源系統(tǒng)的MMC，提出了包含不控充電過程和可控充電過程的兩階段充電方案。僅利用交流側(cè)有源系統(tǒng)就可使子模塊的電容電壓滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求。利用MATLAB/ Simulink下搭建的仿真系統(tǒng)驗證了所提方案的正確性。

模塊化多電平換流器;預(yù)充電過程;電容電壓;高壓直流輸電;

1 引言

近年來，隨著我國特高壓電網(wǎng)的不斷建設(shè)，可再生能源并網(wǎng)容量的提高，更多遠(yuǎn)距離大功率設(shè)備的接入，高壓直流輸電技術(shù)得到了長足的發(fā)展。作為高壓直流輸電的核心元件，電壓源換流器也是當(dāng)今電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點。電壓源換流器可以四象限運(yùn)行，有功功率和無功功率獨立控制，可以通過改變電流方向來時潮流翻轉(zhuǎn)，其應(yīng)用前景十分廣闊［1］。目前，工程中應(yīng)用的大多是兩電平或者三電平變流器，這兩種變流器受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制，輸出特性差，諧波含量大，開關(guān)損耗較大［2］，開關(guān)頻率高，受單個開關(guān)器件耐壓的限制，這些拓?fù)湫枰褂么罅块_關(guān)器件直接串聯(lián)的技術(shù)，對個器件開通和關(guān)斷的一致性、串聯(lián)器件的均壓特性等要求很高［3］。

由于兩電平或三電平換流器的種種缺陷，模塊化多電平換流器得到了越來越多的關(guān)注和研究。模塊化多電平換流器由參數(shù)完全相同的子模塊串聯(lián)而成，避免了二電平、三電平換流器的動態(tài)均壓問題，同時通過控制導(dǎo)通的子模塊數(shù)量，就可以靈活的改變輸出電壓和功率大小，具有很小的諧波畸變，不需要安裝額外的濾波器［4］，使其在柔性直流輸電領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢。作為MMC正常運(yùn)行的前提，預(yù)充電控制需要快速的將MMC中全部子模塊的電容充電至額定電壓，進(jìn)而建立額定的直流母線電壓。

本文在原有預(yù)充電方案的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，針對MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和子模塊中電容充電的特點，提出了一種無需額外電源且可同時對多個電容充電的兩階段預(yù)充電方案，實現(xiàn)了對子模塊電容的快速充電。最終通過仿真驗證該預(yù)充電方案簡單可行，可以將電容電壓充到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的電壓值。

2 MMC工作原理分析

三相MMC主電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由六個橋臂組成，每個橋臂都是由N個子模塊和橋臂電抗器L串聯(lián)組成，上、下橋臂構(gòu)成一個相單元，每個子模塊由兩個帶反并聯(lián)二極管的IGBT和一個電容器組成。圖中，Udc為直流側(cè)正極和負(fù)極之間的電壓，idc為直流側(cè)電流;ina、inb、inc分別為a、b、c相下橋臂的電流，ipa、ipb、ipc分別為a、b、c相上橋臂的電流;ia、ib、ic分別為MMC交流側(cè)a、b、c相電流;流過子模塊的電流為i，電容電壓為Uc。

圖1 MMC拓?fù)湟约白幽K結(jié)構(gòu)

MMC的基本原理就是通過各個子模塊中T1和T2的配合，使得子模塊端口能夠輸出不同的電壓，將每個橋臂所有子模塊串聯(lián)后，可根據(jù)子模塊電壓的不同組合，獲得不同的橋臂電壓，上、下橋臂電壓的差值就是MMC輸出的電壓。為了保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，每個相單元中上、下橋臂投入的子模塊數(shù)維持在n個，通過改變這n個子模塊在該相上、下橋臂間的分配方式來獲得期望的交流電壓輸出［5］。

表1 子模塊的工作狀態(tài)

3 MMC預(yù)充電過程

同傳統(tǒng)的兩電平變流器的啟動過程相比，MMC不僅要建立交流側(cè)出口電壓，更重要的是建立額定的直流側(cè)電壓，即子模塊預(yù)充電過程，這一過程的復(fù)雜性會隨著子模塊數(shù)的增多而加劇。一般來說，實際工程應(yīng)用中，子模塊控制器從儲能電容器上取能，充電前電容無儲能，子模塊控制器無法正常工作。為此，我們需要對子模塊電容進(jìn)行預(yù)充電，使其滿足MMC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求。當(dāng)MMC的交流側(cè)為有源系統(tǒng)時，可以用交流系統(tǒng)對子模塊電容進(jìn)行充電，此充電過程可分為不控充電過程和可控充電過程，可使電容電壓上升至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行值。

3.1 不控充電過程

MMC不控充電電過程如圖2所示，其中，Udc為直流側(cè)正極對負(fù)極電壓，R為限流電阻。MMC閉鎖時，交流側(cè)電流通過子模塊中反并聯(lián)二極管對電容進(jìn)行充電，為限制充電過程開始時的沖擊電流對電路的影響，可在交流側(cè)串入限流電阻，電阻的大小根據(jù)功率器件的耐流水平?jīng)Q定。在實際工程應(yīng)用中，由于充電過程非常復(fù)雜，難以用公式精確求出限流電阻和電流的關(guān)系，因此可簡化充電電路，忽略線路中電抗器作用，將充電回路等效為一階RC電路，得到充電回路中最大電流為:

式(1)中，Up為相電壓峰值。實際中，可根據(jù)式(1)綜合考慮MMC裝置、電抗器、變壓器等的額定電流值來決定限流電阻的大小。

圖2 不控充電過程

由于二極管具有箝位作用，子模塊電容電壓的建立是一個累積的過程，充電電流隨著電容電壓的上升會逐漸減小。對有源側(cè)MMC而言，MMC各橋臂上的電壓為交流線電壓，電容充電的狀態(tài)可以視為一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)［6］，所以有:

式中，m為每個橋臂上子模塊的個數(shù);up為線電壓幅值;uc(t)為電容電壓;τ為時間常數(shù)，τ=2RC/m。由(1)式可知，不控充電結(jié)束后電容電壓最大值為ucmax=up/m。MMC裝置正常運(yùn)行時，直流側(cè)電壓為udC=nuSM，相電壓峰值為ua=Mudc/2，M為調(diào)制比，M≤1，考慮有冗余模塊設(shè)計時，m＞n，所以有

綜上所述，MMC不控充電過程結(jié)束后，不考慮損耗，子模塊電容電壓與直流側(cè)電壓達(dá)不到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求。為提高電容電壓，需要解鎖換流器，在控制器的作用下對電容進(jìn)行進(jìn)一步充電。

3.2 可控充電過程

不控充電過程結(jié)束以后，解鎖MMC換流器，使子模塊處于半閉鎖狀態(tài)，當(dāng)流過子模塊的電流為正值時，子模塊可能被投入，也可能被切除，解鎖T2的觸發(fā)脈沖，閉鎖T1的觸發(fā)脈沖，將橋臂上的幾個子模塊切除，剩余的子模塊電容將繼續(xù)被充電，直到橋臂上剩余的子模塊的電容電壓之和等于交流線電壓的幅值［7］。在橋臂上使用電容均壓控制策略，使子模塊電容電壓保持均衡。

4 MMC預(yù)充電控制策略

根據(jù)以上分析，對于連接有源交流系統(tǒng)的MMC，預(yù)充電控制可以分為不控充電過程和可控充電過程，其中不控充電過程控制策略為:斷開直流線路，利用有源側(cè)交流系統(tǒng)向MMC進(jìn)行不控充電，待MMC中子模塊電容電壓滿足子模塊控制器的取能要求后，充電過程結(jié)束;可控充電過程控制策略:為滿足實際操作中快速充電的需求，縮短啟動時間，可在不控充電過程結(jié)束后，對MMC實施交流電壓控制，待電容電壓升至指定電壓值后，再采用直流電壓控制，使電壓快速而平穩(wěn)的升到電容電壓的額定值［8－10］。在可控充電過程中，當(dāng)一個子模塊電容電壓達(dá)到額定值后將其切除，從未投入的子模塊中找到電壓最低的，將其投入，如此反復(fù)，最終將上下橋臂中所有子模塊電容電壓充至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的電壓值。

實際工程應(yīng)用中，一般在子模塊電容電壓滿足子模塊控制電源所需的最低電壓之后，將交流側(cè)的限流電阻切除，MMC切換到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的控制器作用，繼續(xù)對電容進(jìn)行充電，這時直接采用定直流電壓控制會產(chǎn)生沖擊電流［11］。為限制沖擊電流，采用帶斜率控制器的直流電壓控制［12］，將切換時的指令電壓值視為實際電壓值，然后使指令電壓按給定的斜率上升至額定值。

圖3 子模塊預(yù)充電流程

圖4 帶斜率的直流電壓控制

5 仿真驗證

在MATLAB/Simulink中搭建向有源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)模型，參數(shù)見表2，按照上文制定的預(yù)充電策略，仿真時間節(jié)點設(shè)定如下，0.25限流電阻退出，0.26啟動直流電壓斜坡控制，圖4～圖5為仿真結(jié)果。

從仿真結(jié)果來看，控制效果明顯，帶斜率控制器的直流電壓控制可以很好地使直流電壓按照設(shè)定的斜率上升到額定值，降低切換時產(chǎn)生的沖擊電流。經(jīng)過不控和可控充電過程后，MMC的各個橋臂子模塊電容電壓均能迅速的達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的電壓值，電壓變化情況與前述的分析基本相同，電容電壓的預(yù)充電控制策略達(dá)到了預(yù)期的效果。

表2 直流輸電系統(tǒng)的參數(shù)

圖5 MMC直流側(cè)電壓

圖6 子模塊電容電壓

6 結(jié)語

對模塊化多電平換流器進(jìn)行預(yù)充電控制是直流輸電系統(tǒng)啟動過程中的中心環(huán)節(jié)，也是換流器正常運(yùn)行的前提。本文通過對模塊化多電平換流器預(yù)充電過程的分析，設(shè)計了包含MMC不控充電過程和可控充電過程的預(yù)充電控制策略，經(jīng)過仿真系統(tǒng)驗證，表明該控制策略滿足MMC預(yù)充電的要求，在對子模塊電容進(jìn)行可靠充電的同時，還可以很好地抑制子模塊狀態(tài)切換時電路中的沖擊電流。按照文中的控制策略，可以有效解決有源側(cè)子模塊電容電壓充電問題，無需增加額外的輔助電源，降低了成本，有一定的工程實用價值。

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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

譚久俞(1991－)，男，蒙古族，碩士研究生，研究方向為模塊化多電平換流器;

楊洋(1991－)，男，漢族，碩士研究生，研究方向為電動汽車快速充電。