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摘要：论述了一种有效的模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter，简称MMC）换流器的预充电启动及零冲击并网策略。相对于传统的柔性直流输电系统直接并网方式，采用本论文描述的控制逻辑策略可大幅减小并网电流的冲击。经动模仿真结果表明：此并网控制逻辑是有效的。
关键词：MMC；柔直；并网；冲击电流
1 引言
随着风电、光伏等分布式能源的广泛应用和智能电网的发展，柔性直流输电技术发展迅速。从传统的两电平电压源换流器拓扑到中性点钳位(NPC)的三电平拓扑，再到模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称MMC)在世界范围内都得到了广泛的研究和试验。尤其是最近，MMC技术在VSC-HVDC领域有着更大的吸引力。这种结构能够通过增加子模块数来灵活的适应电压和功率等级。而且MMC能降低开关频率，较大降低系统损耗，电压畸变小，从而不需要滤波器，使得MMC技术的优势非常明显。
2 MMC柔直系统简介
MMC拓扑结构由六个桥臂构成，其中每个桥臂由N个相互连接且结构相同的子模块与一个电抗器L串联构成，上下两个桥臂构成一个相单元。六个桥臂具有对称性，即各子模块的参数和各桥臂电抗值都是相同的。其结构如图1所示。
目前基于MMC单元串联结构的变流器技术已经成功应用于柔性直流输电装置。柔性直流输电是一种基于VSC的直流输电技术。图3所示为两电平拓朴结构的柔性直流输电线路，其送端和受端换流器均采用VSC（电压源型），2个换流器具有相同的结构。换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。
一般工程应用中MMC启动过程为两个换流器各自接入电网启动并网，然后再直接合直流断路器。但合断路器时两端直流侧直压并不一致，直接合直流断路器对换流站的模块冲击非常大。
图3 柔性直流输电系统控制原理图
3、启动控制策略分析
在整个启动过程中，始终对桥臂的单元直压进行排序；
闭锁换流站2所有单元模块，各个模块直压基本稳定。接入网侧电网，此时本身单元模块直压已抬升至额定电压，接入电网时与网侧同幅值，对模块、换流站1以及网侧冲击非常小，再解锁换流站2，解锁时与网侧同相位，对网侧冲击基本为0。至此整个启动过程完成。
4、实验数据
我们搭建了一套柔性直流输电MMC控制系统并做了RT-LAB动模试验，换流站单个桥臂10个单元，单元额定电压为2000V，直流母线总直压为20000V，网侧电压为10kv。在试验过程中充分验证了此论文描述的启动方法，对已并网端网侧及直流母线就没有较大冲击并能够迅速收敛，解锁时与系统同幅值同相位，基本能做到零冲击。
下图为换流站1已并网，换流站2没有采用本方法而直接通过直流母线电压解锁开脉冲充电，其充电过程时环流站1的网侧电压、电流及直流母线电压波形。从图中可以看出对换流站1的网侧及直流母线直压冲击非常大。直流母线电压拉低至0.707Pu。
图4：左上为换流站1网侧电压，左下为网侧电流，右上为直流母线总直压
下图为换流站1已并网，换流站2采用本论文方法逐次打通至5个模块进行充电，其充电过程时换流站1的网侧电压、电流及直流母线电压波形。图中5个冲击代表单个桥臂逐次打通模块的过程，可以看出对换流站1网侧电流冲击很小并能快速收敛，直流母线电压最大降幅为0.91Pu并能快速收敛。说明本控制策略能有效的解决换流站2的启动过程对换流站1及直流母线直压的冲击问题。
图5：左上为换流站1网侧电流，左下为网侧电压，右上为直流母线总直压
下图为换流站2采用此方法逐次打通模块充电完成后闭锁模块，接入电网再解锁运行的过程。图中左右两边分别是换流站1换流站2网侧电压电流波形，换流站2并网时与网侧同幅值同相位，并网冲击电流基本为0。说明此控制策略能有效的解决换流站2并网时对网侧冲击问题。
图6：左上为换流站1网侧电压，左下为网侧电流，右上为换流站1网侧电压，右下为网侧电流
4 结论
此控制策略通过动模试验验证，整个逻辑清晰，易于数字系统实现，可大大减小启动过程中对已运行端的冲击，并且并网时可做到同幅值同相位，并网冲击电流为零，对MMC单元模块零冲击，延长电力电子元器件寿命。
参考文献
[1]赵成勇.柔性直流输电建模和仿真技术.北京：中国电力出版社，2014.
ZHAO Chenyong. Modeling and simulation techniques of VSC-HVDC system. Beijing: China Power Press, 2014
作者简介：蓝竞豪（1980-），男，广东梅州，中级电气工程师，主要研究方向：MMC拓扑及控制策略。
论文作者:蓝竞豪
论文发表刊物:《电力技术》2016年第5期
论文发表时间:2016/10/15
标签：电压论文; 母线论文; 电流论文; 模块论文; 柔性论文; 电平论文; 单元论文; 《电力技术》2016年第5期论文;