模塊化多電平換流器快速預充電控制

朱榮俊,宋吉江,蔡富東

（1.山東理工大學 電氣與電子工程學院,山東 淄博 255049;2.山東信通電子股份有限公司, 山東 淄博 255088)

0 引言

MMC換流器啟動時，需對電容進行預充電。文獻[1]在可控階段通過逐個解鎖子模塊的方式進行充電，但沒有考慮充電時壓差較大電容易被擊穿的情況。文獻[2]主要是以充電電流的設定值作為切除子模塊的判斷依據，充電時間有所縮短，但子模塊投切的次數較多，稍顯復雜。文獻[3]通過設定的斜率來提升電容電壓。在不可控充電時，以上文獻都是利用固定的限流電阻進行充電，充電的后期，電容電壓上升緩慢。

為了提高換流器子模塊電容啟動時充電的速率，在不可控階段，將限流電阻分級控制。在可控預充電階段，為了消除子模塊電容充電易擊穿的情況，提出了一種電容分組充電策略，降低解鎖充電時電容兩端的電壓。所提控制方法簡便可行，有一定的實用價值。

1 不可控充電控制

不可控充電時，開關閉合的瞬間，充電電流較大，通常采用限流電阻進行限制，此時只能根據電流的方向選擇導通的橋臂。每組橋臂導通與否，根據線電壓的大小確定，忽略換流時的重疊角，在充電初期，電容電壓不相等時，會有三個橋臂同時充電的情況。當不可控充電完成時，直流側電容電壓達到交流側的線電壓幅值U11，有源測的電容電壓為U11/N，無源側電容電壓為U11/2N[1]。

常規的做法是在不可控充電開始時接入限流電阻，一種是在不可控充電完成時切除[3]，另一種是在可控充電完成時切除[1]，限流電阻都是固定值。本文采用將限流電阻進行分級控制，即將固定的限流電阻變成兩個可投切的電阻。

2 可控充電控制

不可控充電完成后，子模塊具有了初始啟動電壓，通過門極的通斷來控制子模塊投入切除，然而N個電容之和仍未到達額定的直流高壓，此時解鎖，會造成大的電壓跌落，為了減小電壓差，子模塊需要再次進行充電。本文提出一種改進的的子模塊可控充電策略，無需設計專門的充電器，設計簡單。即采用子模塊分組解鎖的方式進行充電，降低分組電容兩端的電壓差，降低電容擊穿的概率，提高系統的穩定性和充電速度。

具體的分組充電策略為，把單個橋臂的10個子模塊電容依次標號，相鄰兩個為1組，共分成5組，充電時依次投入分組電容，具體投入時刻需根據橋臂電流方向確定，如果橋臂電流為正時依次投入分組電容進行充電，為負值時切除，如果分組電容電壓達到預設值，進行下一組的充電，一直到所有的子模塊電容組充電完成。

3 MMC預充電控制仿真驗證

為驗證電阻分級切除和電容分組充電策略的有效性，搭建了圖1所示的兩端11電平的MMC-HVDC系統仿真模型，S1為有源端，MMC2側為無源端，K1、K3分別為兩個系統的接入開關，K2為限流電阻切除開關，其中R分成二級R1（30Ω）、R2（10Ω），分別對應的切除開關為K21、K22。相電壓幅值為20kV，閥電抗器4mH，橋臂電容3000uF，子模塊額定電壓4kV。

預充電時MMC1側采用近端充電，MMC2側采用遠端充電，在仿真時K3處于斷開狀態。常規的橋臂子模塊充電，限流電阻為固定值，在整個的不可控和可控充電過程中，不進行切除，直到充電完成才進行切除[1]。不控充電的后期，子模塊的充電速率變得緩慢，可控充電時，子模塊電容逐個進行充電，電容兩端壓差較大，易存在擊穿的風險。圖2為改進的橋臂子模塊充電曲線，不可控階段限流電阻進行分級控制，在0.28S時切除R1后，子模塊的電壓抬升明顯，到1.5s時，不可控充電完成，MMC1的電容電壓達到3.5kV，MMC2電容電壓達到1.75kV，與傳統控制方法比較，充電速度明顯提升。可控階段電容進行分組充電控制，把子模塊電容分為5組，每組2個同時進行可控充電，在經過約0.5s后5組電容分別充到其額定值4.0kV，可控充電時間約縮短一半。

4 結論

系統分析了MMC啟動時的動態預充電過程，在不可控階段，提出分級切除限流電阻的策略，并給出了具體的分級電阻的阻值，仿真驗證了分級切除限流電阻的策略，能快速提高不可控充電時的子模塊電容電壓。在可控充電階段，改進了子模塊電容分組進行充電的策略，選取合適的電容分組數，進行電容分組解鎖充電。仿真結果表明該策略提高了預充電的可靠性和充電速度。

[1]姚俊,譚義,趙磊.模塊化多電平變換器預充電控制策略[J].分布式能源,2016,01(01):33-39.

[2]熊明,靳斌,李興等.模塊化多電平換流器交流側快速自勵充電策略[J].電網技術,2016,40(09):2789-2974.

[3]閻發友,湯廣福,孔明.基于模塊化多電平換流器的直流電網預充電控制策略[J].中國電機工程學報,2015,35(20):5147-5154.