模塊化多電平換流器快速預(yù)充電控制

朱榮俊,宋吉江,蔡富東

（1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)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(dòng)時(shí)，需對(duì)電容進(jìn)行預(yù)充電。文獻(xiàn)[1]在可控階段通過(guò)逐個(gè)解鎖子模塊的方式進(jìn)行充電，但沒(méi)有考慮充電時(shí)壓差較大電容易被擊穿的情況。文獻(xiàn)[2]主要是以充電電流的設(shè)定值作為切除子模塊的判斷依據(jù)，充電時(shí)間有所縮短，但子模塊投切的次數(shù)較多，稍顯復(fù)雜。文獻(xiàn)[3]通過(guò)設(shè)定的斜率來(lái)提升電容電壓。在不可控充電時(shí)，以上文獻(xiàn)都是利用固定的限流電阻進(jìn)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(dòng)時(shí)充電的速率，在不可控階段，將限流電阻分級(jí)控制。在可控預(yù)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(shí)電容兩端的電壓。所提控制方法簡(jiǎn)便可行，有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 不可控充電控制

不可控充電時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合的瞬間，充電電流較大，通常采用限流電阻進(jìn)行限制，此時(shí)只能根據(jù)電流的方向選擇導(dǎo)通的橋臂。每組橋臂導(dǎo)通與否，根據(jù)線(xiàn)電壓的大小確定，忽略換流時(shí)的重疊角，在充電初期，電容電壓不相等時(shí)，會(huì)有三個(gè)橋臂同時(shí)充電的情況。當(dāng)不可控充電完成時(shí)，直流側(cè)電容電壓達(dá)到交流側(cè)的線(xiàn)電壓幅值U11，有源測(cè)的電容電壓為U11/N，無(wú)源側(cè)電容電壓為U11/2N[1]。

常規(guī)的做法是在不可控充電開(kāi)始時(shí)接入限流電阻，一種是在不可控充電完成時(shí)切除[3]，另一種是在可控充電完成時(shí)切除[1]，限流電阻都是固定值。本文采用將限流電阻進(jìn)行分級(jí)控制，即將固定的限流電阻變成兩個(gè)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(dòng)電壓，通過(guò)門(mén)極的通斷來(lái)控制子模塊投入切除，然而N個(gè)電容之和仍未到達(dá)額定的直流高壓，此時(shí)解鎖，會(huì)造成大的電壓跌落，為了減小電壓差，子模塊需要再次進(jìn)行充電。本文提出一種改進(jìn)的的子模塊可控充電策略，無(wú)需設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的充電器，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。即采用子模塊分組解鎖的方式進(jìn)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(tǒng)的穩(wěn)定性和充電速度。

具體的分組充電策略為，把單個(gè)橋臂的10個(gè)子模塊電容依次標(biāo)號(hào)，相鄰兩個(gè)為1組，共分成5組，充電時(shí)依次投入分組電容，具體投入時(shí)刻需根據(jù)橋臂電流方向確定，如果橋臂電流為正時(shí)依次投入分組電容進(jìn)行充電，為負(fù)值時(shí)切除，如果分組電容電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值，進(jìn)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(yù)充電控制仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證電阻分級(jí)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(tǒng)仿真模型，S1為有源端，MMC2側(cè)為無(wú)源端，K1、K3分別為兩個(gè)系統(tǒng)的接入開(kāi)關(guān)，K2為限流電阻切除開(kāi)關(guān)，其中R分成二級(jí)R1（30Ω）、R2（10Ω），分別對(duì)應(yīng)的切除開(kāi)關(guān)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(yù)充電時(shí)MMC1側(cè)采用近端充電，MMC2側(cè)采用遠(yuǎn)端充電，在仿真時(shí)K3處于斷開(kāi)狀態(tài)。常規(guī)的橋臂子模塊充電，限流電阻為固定值，在整個(gè)的不可控和可控充電過(guò)程中，不進(jìn)行切除，直到充電完成才進(jìn)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(shí)，子模塊電容逐個(gè)進(jìn)行充電，電容兩端壓差較大，易存在擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。圖2為改進(jìn)的橋臂子模塊充電曲線(xiàn)，不可控階段限流電阻進(jìn)行分級(jí)控制，在0.28S時(shí)切除R1后，子模塊的電壓抬升明顯，到1.5s時(shí)，不可控充電完成，MMC1的電容電壓達(dá)到3.5kV，MMC2電容電壓達(dá)到1.75kV，與傳統(tǒng)控制方法比較，充電速度明顯提升。可控階段電容進(jìn)行分組充電控制，把子模塊電容分為5組，每組2個(gè)同時(shí)進(jìn)行可控充電，在經(jīng)過(guò)約0.5s后5組電容分別充到其額定值4.0kV，可控充電時(shí)間約縮短一半。

4 結(jié)論

系統(tǒng)分析了MMC啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)預(yù)充電過(guò)程，在不可控階段，提出分級(jí)切除限流電阻的策略，并給出了具體的分級(jí)電阻的阻值，仿真驗(yàn)證了分級(jí)切除限流電阻的策略，能快速提高不可控充電時(shí)的子模塊電容電壓。在可控充電階段，改進(jìn)了子模塊電容分組進(jìn)行充電的策略，選取合適的電容分組數(shù)，進(jìn)行電容分組解鎖充電。仿真結(jié)果表明該策略提高了預(yù)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(yù)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(cè)快速自勵(lì)充電策略[J].電網(wǎng)技術(shù),2016,40(09):2789-2974.

[3]閻發(fā)友,湯廣福,孔明.基于模塊化多電平換流器的直流電網(wǎng)預(yù)充電控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(20):5147-5154.