摘要：模块化多电平变流器(modularmultilevelconverter，MMC)启动过程需要对电容进行充电，目前主要采用不控充电，但该充电方法并不能将电容电压充到稳态运行时的电压值。为解决该问题。本文分析模块化多电平变流器预充电优化策略。
关键词：模块化；多电平变流器；预充电；优化策略
一、MMC拓扑结构与不控预充电
1.1变流器拓扑结构
MMC拓扑如图1所示，每相包含上、下两个桥臂，通过桥臂电感Ｌ连接，从电感中间输出，每个桥臂由N个半桥子模块串联而成，每个子模块均由两个IGBT单元和一个电容CＳＭ构成。每个子模块有3种工作状态：①投入状态：V1导通，V2关断，此时CSM串入桥臂中，子模块输出电压为uC。当子模块电流iSM为正时，电容充电,iSM为负时，电容放电。②切除状态：V1关断，V2导通，此时CSM从桥臂中切除，子模块输出电压为零。③闭锁状态：V1关断，V2关断，此时CSM的状态取决于iSM方向，若iSM为正，CSM将通过V1的反并联二极管投入充电，否则CSM被切除且uC保持不变。
1.2直流侧不控预充电
图2示出直流侧不控预充电过程。
此过程所有子模块均处于闭锁状态，直流母线电压通过V1的反并联二极管同时对上、下桥臂内所有子模块电容进行充电，且三相同时进行。不控充电结束时，上、下桥臂子模块电容电压之和等于直流母线电压，可得：
①
式中：
为不控充电结束时子模块电容电压；
为直流母线电压；N为桥臂串联子模块数。
MMC正常运行时，每相投入N个子模块，额定电压
,因此，不控充电结束时子模块电容电压是额定值的50%。
由于变流器等效阻抗很小，合闸充电时，会产生很大的充电电流。为防止充电电流过大，不控充电需串入限流电阻。根据直流侧不控预充电过程，充电电路可等效为二阶RLC串联回路。由于限流电阻远大于电感，最大充电电流会出现在启动瞬间，以a相为例，桥臂最大充电电流可简化为：
②
式中：
为等效电阻。
，
为限流电阻。
如果给定
，即可反推出：
③
1.3交流侧不控预充电
图3示出交流侧不控预充电过程。
此过程所有子模块均处于闭锁状态，网侧线电压通过反并联二极管同时对桥臂内所有子模块电容进行充电。对三相上桥臂而言，相电压最高的一相通过V2的反并联二极管被切除，较低的两相通过V1的反并联二极管投入充电：对下桥臂而言，相电压较高的两相通过V1的反并联二极管投入充电，最低的一相通过V2的反并联二极管被切除。不控充电结束时，各桥臂子模块电容电压和与网侧线电压峰值相等，可得：
④
式中：
为相电压幅值。
MMC正常运行时，有如下关系：
⑤
式中：M(O≤M≤1)为调制度。
将(5)代入(4)可得：
⑥
通常M取值为0.8左右。可知交流侧不控充电结束时。子模块电容电压只能充电至额定值的70%。为防止预充电电流过大，交流侧不控充电时同样需投入限流电阻。根据交流侧不控预充电过程，其等效电路也可简化为二阶RLC串联回路，一般最大充电电流会出现在网侧电压的前半个周波内。以a，b相为例，
可简化为：
⑦
式中：Xeq为等效电抗，
；
为等效电感，
；
为等效电容，
；Uab为线电压峰值。如果给定
，可反推出：
⑧
RS越大，限制过电流的效果越好，但同时电容电压上升速度越慢，延缓了预充电时间。因此,选择限流电阻,需根据设备允许的最大电流和预充电速度等因素综合考虑。
二、预充电控制策略
2.1直流侧充电控制策略
通过投切控制桥臂子模块，可进一步提升子模块电容电压，但实际上电容参数存在差异，每个桥臂分开控制会导致上、下桥臂充电不均衡。严重时会使整个桥臂充不上电。对此，提出联合控制的优化方法，将各相上、下桥臂作为整体，再对子模块进行联合排序和有序投切。直流侧控制充电流程图如图4所示。图中USMave为上、下桥臂2N个子模块电容电压平均值，所切除子模块数量为n，则电容电压指令值为：
⑨
首先需要采样子模块电容电压,将电容电压进行排序和平均值运算，平均值和指令值作比较，以此确定所需切除子模块数。电压指令值依据直流母线电压进行设定,且在充电过程中可以根据子模块电容电压的大小自动调整。
2.2交流侧充电控制策略
交流侧控制充电亦需投入限流电阻，通过电压指令的变化对桥臂内子模块进行有序投切。相较不控充电，交流侧控制充电所用时间较长，是不控充电时间的两倍以上。对此。提出电压指令修正量。直接叠加在电压指令值上,其作用是可定向改变子模块的投切门槛，以达到定向改变充电时间的目的，且不会引起过大的充电电流。控制流程如图5所示。图5中USMave为桥臂N个子模块电容电压平均值，电容电压指令值为：
⑩
式中：K为电压指令修正量，通常K=0.1×UCrate。
电容电压限幅值为：
⑪
与直流侧充电相比，交流侧控制充电还需采集网侧电压。作为桥臂子模块投切的判断依据和计算调制度。交流侧充电存在特殊性，不仅需要根据电压指令确定所切除的子模块数,还需要结合电压限幅值确定充电结束状态，最终可将子模块电容电压预充电至额定值,充电结束后所有子模块均闭锁。
结语
此处主要介绍了MMC的预充电控制策略，在控制充电阶段充分利用限流电阻的限流能力，针对已有控制策略中存在的上、下桥臂充电不均衡和充电时间长的问题，提出一种简单高效的优化方法。搭建实验平台，通过实验结果验证了所提控制策略的正确性和可行性。
参考文献
[1]江道灼，郑欢.直流配电网研究现状与展望[J].电力系统自动化，2012，36(8)：98-104.
[2]郑欢，江道灼，杜翼.交流配电网与直流配电网的经济性比较[J].电网技术，2013，37(12)：3368-3674.
[3]宋强，赵彪，刘文华，曾嵘.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报，2013，33(25)：9-19.
作者简介
王新科(1986.02.07），性别：男;籍贯：威海文登;民族：汉；学历：大专;职称：助理工程师;职务：风电设备运维人员；研究方向：风电运维。
论文作者:王新科
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/16
标签：电压论文; 模块论文; 电容论文; 流电论文; 变流器论文; 电流论文; 指令论文; 《电力设备》2019年第6期论文;