基于模塊化多電平換流器啟動過程分析

文/胡付有 章功遼

第三代電力電子器件——電壓源型換流器的誕生引出了柔性直流輸電技術，相較于常規直流輸電，無換相失敗問題，能獨立控制有功、無功輸送等優點。

在我國大容量柔性直流輸電技術得到飛速發展，國家電網公司的張北直流（半橋拓撲）以及南方電網的昆柳龍直流（混合橋拓撲）的電壓等級、輸送容量以及控制系統均為世界領先水平。

基于MMC 功率模塊的柔性直流，由于IGBT 是從電容上取能，在電容充電完成后，IGBT 才能獲取驅動能量，才能實現MMC 功率模塊的可控充電，本文對半橋、全橋混合換流器從交流側充電進行計算分析，再利用PSCAD 進行仿真驗證，得到理論推導的正確性。

1 MMC不控充電結構與原理

1.1 半橋拓撲

如圖1所示，半橋子模塊上電處于閉鎖時，VT1、VT2 關斷，電流從X1 端子流入時，從VD1、電容C 以及X2 流出，當電流從X2 端子流入時，經過VD2、X1 流出。即在正弦波周期內，有半個周波給C 充電，半個周波被旁路掉，稱為半橋子模塊不控充電。

1.2 全橋拓撲

如圖2所示，全橋子模塊上電處于閉鎖時，VT1、VT2、VT3、VT4 關斷，電流從X1端子流入時，經過VD1、C、VD4、X2 端子流出；當電流從X2 端子流入時，流經VD3、C、VD2、X1 端子流出。即一個正弦周波內，兩個周波均向子模塊電容充電，稱為全橋子模塊不控充電。

2 啟動過程分析

根據上述全橋、半橋閉鎖時子模塊的充電特性，探討充電穩態后是否能達到解鎖要求，以及半橋、全橋混合換流閥啟動中各子模塊電壓電流之間的規律，從而找到最優啟動方案。

2.1 交流側充電、直流側開路時混合橋啟動過程分析

當直流側開路時，交流側充電時等效電路圖如圖3所示。

由圖3可知，在不控充電達到穩態后，單個全橋子模塊電壓Ucf1、以及單個半橋子模塊電壓Uch1滿足如下關系：

由于全橋和半橋子模塊電容量大小相等，充電時流經的電流一致，故全橋子模塊與半橋子模塊電壓有如下關系：

其中，N 為橋臂子模塊數量，x 為全橋占比，當N 為20、x 為70%時，單個橋臂所有全橋子模塊與所有半橋子模塊電壓為：

即當直流側開路時，混合橋拓撲結構不控充電達到穩態以后，單個全橋子模塊電壓為：半橋子模塊電壓是全橋子模塊電壓的一半。

代入模型參數計算得：Ucf=14.05kV、Uch=3.01kV。

2.2 交流側充電、直流側短接時混合橋啟動過程分析

還是以上述前提條件為例，A 相最高、B相最低為例，在交流側充電、直流側短接時混合橋不控充電等效電路圖如圖4所示。

由圖4可知，在直流側短接以后，全橋子模塊在線電壓下充電，半橋子模塊在直流側短接時相當被旁路，假設橋臂子模塊數量為N，全橋占比為x，下面我們來分析直流側短接情況下，子模塊電容電壓的變化規律：代入模型參數可得：Ucf=1.11kV，Upa= 15.54kV，Uch=0kV。

3 仿真驗證

本文中采用的模型橋臂子模塊20 個，HMMC 表示半橋子模塊，FMMC 表示全橋子模塊。交流側線電壓為22kV，子模塊電容值為1200uf，仿真步長250us，混合橋中全橋占比為x，啟動電阻為500 歐姆。上述分析中的各個情況下的仿真如下。

圖1：半橋子模塊拓撲圖

圖2：全橋子模塊示意圖

圖3：交流側充電、直流側開路時混合橋啟動拓撲圖

圖4：交流側充電、直流側短接時混合橋啟動拓撲圖

圖5：交流側充電、直流側開路時混合橋啟動過程仿真模型圖

圖6

圖7

圖8：交流側充電、直流側短接時混合橋啟動過程仿真模型圖

圖9

圖10

3.1 交流側充電、直流側開路時混合橋啟動仿真驗證

交流側充電、直流側開路時混合橋啟動過程仿真模型圖如圖5所示。

A相中全橋子模塊（綠色），半橋子模塊（藍色）電壓波形如圖6所示。

線路電壓Udc 的波形如圖7所示。

由波形圖可得，Ucf=14kV、Uch=3kV，由

計算分析可知，Ucf=14.05kV、Uch=3.01 kV，仿真波形與計算分析一致。

3.2 交流側充電、直流側短接時混合橋啟動仿真驗證

交流側充電、直流側短接時混合橋啟動過程仿真模型圖如圖8所示。

其A 相上橋臂波形如圖9所示。

半橋子模塊電壓波形如圖10所示。

上述結果與理論計算值Ucf=1.11kV，Upa=15.54kV，Uch=0kV 一致。

4 結語

本文詳細分析了混合橋MMC 換流器啟動過程，從理論分析和仿真波形可以得出不控充電的中，子模塊電壓、直流線路電壓、交流電壓、橋臂電壓等之間的基本規律，在實際工程建設中，還在充電過程中引入了充電電阻以及可控充電，對設備沖擊最小。