莊志發(fā)，冉學(xué)彬，龍正興，關(guān)宇洋，姚傳濤

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義562400)

模塊化多電平電壓源型換流器(modular multilevel converter，MMC)采用模塊化級聯(lián)的方式組建，避免了對開關(guān)器件的直接串聯(lián)，大大降低了制造及工程實現(xiàn)難度。由MMC構(gòu)成的柔性直流輸電系統(tǒng)(MMC-HVDC)具有波形質(zhì)量高、故障處理能力強、損耗低等優(yōu)點，在直流電網(wǎng)建設(shè)中具有較為廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。

目前，新建柔性直流輸電工程多采用MMC拓撲結(jié)構(gòu)。由于所連交流電網(wǎng)運行狀態(tài)的不同，如交流電網(wǎng)正常運行或故障全黑等情況，使得MMC-HVDC系統(tǒng)充電控制與實現(xiàn)過程成為不可回避的問題。文獻[4-5]的研究重點均放在柔性直流輸電控制系統(tǒng)的設(shè)計方面，沒有具體分析MMC的充電實施過程；文獻[6-8]詳細介紹了MMC換流器的典型充電啟動和停機過程，但未進行充電細節(jié)分析，且沒有考慮無源系統(tǒng)和電網(wǎng)故障情況下的黑啟動模式充電問題；文獻[9]主要研究基于魯西背靠背MMC-HVDC系統(tǒng)的南方電網(wǎng)大網(wǎng)架下的黑啟動方案，詳細分析了啟動的操作步驟和按百色與平果方向兩種路徑黑啟動的可行性，沒有研究柔性直流系統(tǒng)內(nèi)部換流器、功率模塊的充電過程以及正常方式下的充電策略。

本文針對因所連交流電網(wǎng)運行狀態(tài)不同(如正常運行、故障全黑)帶來的MMC-HVDC系統(tǒng)充電啟動問題，進行等效建模、理論分析和公式推導(dǎo)，指出MMC-HVDC系統(tǒng)在交流電網(wǎng)運行狀態(tài)差異情況下充電策略不同和需分階段進行充電控制的原因，提出滿足MMC-HVDC系統(tǒng)有源和無源充電啟動的2種充電控制方案，并通過現(xiàn)場試驗對方案的有效性進行驗證。

1 MMC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兩端或多端MMC-HVDC系統(tǒng)通過整流MMC和逆變MMC將各側(cè)的交流電網(wǎng)聯(lián)接起來，以較簡單的MMC-HVDC系統(tǒng)為例，其構(gòu)成類似于傳統(tǒng)直流12脈動換流器雙極對稱接線的方式；只是因換流器件被模塊化導(dǎo)致直流側(cè)沒有集中布置的電容器，故將接地點移至換流變壓器的閥側(cè)中性點處，以降低直流線路的對地絕緣水平[2]。兩端MMC-HVDC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 兩端MMC-HVDC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of two -terminal MMC-HVDC system

圖1(a)中，K為旁路隔離開關(guān)，S為交流進線斷路器，R為啟動限流電阻的電阻值，Udc為直流額定電壓。正、負極直流線路之間，MMC的每個橋臂由N個功率模塊和1個橋臂電抗器(電抗值為L0)串聯(lián)組成，同相的上下2個橋臂構(gòu)成1個相單元，兩端或多端MMC的三個相單元及相應(yīng)的啟動回路、聯(lián)接變壓器、直流線路等共同構(gòu)成1個兩端或多端MMC-HVDC輸電系統(tǒng)。圖1(b)為功率模塊拓撲結(jié)構(gòu)，其中T1、T2為絕緣柵雙極型晶閘管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，D1、D2為反并聯(lián)二極管，C0為直流電容的電容值，Uc為電容電壓，ism為功率模塊的輸入電流，usm為功率模塊兩端電壓。

2 MMC-HVDC系統(tǒng)充電控制

MMC-HVDC系統(tǒng)充電的主要目標(biāo)是建立額定直流電壓和交流輸出電壓。由MMC結(jié)構(gòu)及功率模塊工作原理[2]可知，額定直流電壓的建立實質(zhì)上是對MMC功率模塊中直流電容器存儲能量的過程，MMC上、下橋臂的功率模塊電容電壓之和構(gòu)成MMC-HVDC系統(tǒng)的直流電壓。

充電控制的目標(biāo)是通過控制方式和輔助措施使功率模塊直流電容的電壓快速上升至接近額定工作電壓，但又不產(chǎn)生過大的充電電流和過充電現(xiàn)象。MMC-HVDC系統(tǒng)運行模式主要分為常規(guī)運行模式和黑啟動模式。常規(guī)模式用于正常的有功傳輸、無功支持等，黑啟動模式用于為故障或無源的電網(wǎng)提供能量，使其逐步建立電壓和額定頻率。對于常規(guī)模式，因MMC能夠連到有源交流電網(wǎng)，故可以直接通過交流電網(wǎng)的能量為MMC功率模塊電容器進行充電；對于黑啟動模式，由于黑啟動側(cè)電網(wǎng)一般因故障停運或本身就是新建的無源系統(tǒng)，通過交流電網(wǎng)無法提供能量為MMC功率模塊電容器充電，只能借助對端MMC功率模塊儲存的直流電能進行充電。

鑒于上述原因，MMC-HVDC系統(tǒng)的充電方案可以有2種選擇，即通過交流電源直接為MMC充電的交流充電方案和通過有源側(cè)MMC已建立的直流電勢為無源側(cè)MMC充電的直流充電方案。

3 兩端MMC-HVDC系統(tǒng)充電啟動方案

當(dāng)前工程中，MMC功率模塊主要由IGBT器件、直流電容器、控制單元和高位取能電源構(gòu)成。其中，控制單元由單元控制板、采樣觸發(fā)板、IGBT驅(qū)動板等組成，用于功率模塊電容電壓、取能電源、IGBT狀態(tài)監(jiān)測以及IGBT器件的觸發(fā)控制等。

控制單元的工作電源取自于由功率模塊直流電容器供電的高位取能電源裝置，在功率模塊直流電容器儲能達到高位取能電源額定工作電壓(一般約為400 V)前，控制單元處于失能狀態(tài)。在這段時間內(nèi)，MMC功率模塊電容的充電由于缺乏監(jiān)測、控制能力而無法進行控制?；谏鲜鱿拗?，對MMC的充電，不論交流或直流充電方式，均需經(jīng)歷不控充電和可控充電2個階段才能完成。

3.1 利用有源電網(wǎng)進行充電的交流充電方案

該方案包含2個階段：第1階段是交流不控充電階段，功率模塊電容電壓由0充電到不控充電的最大值Uc1；第2階段為可控充電階段，系統(tǒng)釋放和控制IGBT器件的觸發(fā)脈沖，在控制器作用下，功率模塊電容電壓由Uc1上升至額定工作值。充電時序如圖2所示。

圖2 交流充電時序Fig.2 AC charging time-sequence chart

3.1.1 交流不控充電階段

在交流不控充電階段，封鎖所有功率模塊IGBT的觸發(fā)信號，MMC通過功率模塊中反并聯(lián)的二極管構(gòu)成1個三相不控整流電路對功率模塊電容進行充電，其等效電路如圖3所示。在交流不控充電時，上、下橋臂各有一相處于充電狀態(tài)，分別為交流相電壓低的一相的上橋臂和相電壓最高一相的下橋臂。另外，在交流斷路器合閘充電的瞬間，相當(dāng)于在交流系統(tǒng)瞬時接入大量電容，會產(chǎn)生巨大的電流突變，為了限制啟動初期過大的充電電流，防止損壞換流閥，啟動初期在交流斷路器和換流閥之間需串入限流電阻[2-3,6]，當(dāng)充電到一定程度后再將限流電阻旁路，使電容電壓能夠繼續(xù)上升至取能電源工作電壓。該階段完成柔性直流單元從備用到閉鎖的順控指令。

圖3 交流不控充電等效電路Fig.3 Equivalent circuit of AC uncontrolled charging

p=Uc/UcN.

(1)

式中：p為功率模塊電容充電率；UcN為功率模塊額定運行電壓。

UcN=Udc/(N-M).

(2)

Uc=us/N.

(3)

式中：us為換流器輸入交流電壓；M為橋臂的冗余功率模塊數(shù)。

在交流不控充電階段，功率模塊電容充電率

p=(us/Udc)×(N-M)/N.

(4)

由式(4)可以看出，交流不控充電階段功率模塊電容電壓并不能達到額定值。

以魯西背靠背MMC-HVDC系統(tǒng)云南側(cè)MMC交流不控充電為例，柔性直流額定電壓為700 kV，橋臂功率模塊總數(shù)為335個，冗余25個，MMC輸入交流電壓有效值為375 kV。則在交流不控充電階段，當(dāng)橋臂電容電壓充電到最大值時的電容充電率

(335-25)/335=0.7.

(5)

在交流不控充電階段，功率模塊電容電壓最大只能達到額定電壓的0.7倍。為了達到額定電壓，還需要對功率模塊繼續(xù)充電。

3.1.2 交流可控充電階段

該階段柔性直流換流器解鎖，直流控制系統(tǒng)給閥控系統(tǒng)下發(fā)調(diào)制信號，對功率模塊中的IGBT進行有策略的開通和關(guān)斷，使功率模塊有序地工作在投入與切除模式，從而使功率模塊電容電壓達到額定值，建立額定的直流電壓。

3.2 利用有源側(cè)MMC對無源側(cè)MMC進行充電的直流充電方案

在為無源交流系統(tǒng)供電或一側(cè)交流電網(wǎng)故障恢復(fù)時，可通過有源側(cè)MMC對無源側(cè)MMC進行直流充電[8]。充電過程包括3個階段：直流不控充電階段、直流可控充電階段和解鎖運行階段。充電時序如圖4所示。以魯西背靠背MMC-HVDC系統(tǒng)對云南電網(wǎng)黑啟動為例進行分析。

圖4 黑啟動充電時序Fig.4 Black-start charging time-sequence chart

3.2.1 直流不控充電階段

在云南電網(wǎng)黑啟動模式下，云南側(cè)換流器交流進線斷路器斷開，MMC進行直流充電。該階段，封鎖云南側(cè)MMC所有功率模塊IGBT器件的觸發(fā)脈沖，使三個相單元的上、下橋臂所有功率模塊電容器通過反并聯(lián)二極管進行直流不控充電，如圖5所示。

無源側(cè)MMC直流充電的前提是有源側(cè)MMC輸出直流電壓的建立。有源側(cè)直流電壓的建立過程，實質(zhì)上就是有源側(cè)MMC進行交流充電的過程。對于云南電網(wǎng)黑啟動，在廣西側(cè)MMC進行交流不控充電時，廣西側(cè)MMC的每個相單元中總有一個橋臂處于短路狀態(tài)，另一個橋臂處于充電狀態(tài)，而且隨著充電交流電流方向的不斷變化，處于短路和充電狀態(tài)的橋臂交替變換，功率模塊電容電壓不斷升高，直流電壓也隨之建立和不斷提升。建立和不斷提升的直流電壓開始對云南側(cè)MMC每一相上、下橋臂同時進行充電[10-11]，充電回路如圖5所示。

圖5 云南電網(wǎng)黑啟動時的直流不控充電Fig.5 DC uncontrolled charging under the black-start mode of Yunnan power grid

云南側(cè)MMC每相的所有功率模塊直流電容電壓之和即為直流側(cè)電壓，考慮到廣西側(cè)MMC交流不控充電時每一相的上橋臂或下橋臂中只有一個橋臂處于充電狀態(tài)，另一個橋臂處于功率模塊下側(cè)二極管導(dǎo)通狀態(tài)等效于橋臂短路狀態(tài)，故直流側(cè)電壓近似等于廣西側(cè)的橋臂電壓。因此，在直流不控充電階段，功率模塊的電容電壓最多只能充到交流不控充電時的一半。為此，需要進行下一階段的直流可控充電來繼續(xù)提升功率模塊電容電壓。

3.2.2 直流可控充電階段

該階段由閥控系統(tǒng)控制實現(xiàn)，閥控下發(fā)調(diào)制波，對功率模塊進行投退控制，實現(xiàn)功率模塊電容的可控充電，直至黑啟動側(cè)MMC橋臂電容電壓之和等于非黑啟動側(cè)交流不控充電的電壓值[12-23]。

至此，柔性直流單元備用到閉鎖順控指令執(zhí)行完畢。隨后，閥控系統(tǒng)接收單元控制系統(tǒng)發(fā)出的調(diào)制波和解鎖命令，進入解鎖運行階段。

3.2.3 解鎖運行階段

閥控系統(tǒng)收到解鎖命令后，非黑啟動側(cè)換流器采用直流電壓控制，黑啟動側(cè)采用電壓與頻率(voltage and frequency，VF)控制，繼續(xù)為功率模塊電容進行充電，提升直流電壓，最終使得兩側(cè)MMC功率模塊電容電壓均達到額定值。定直流電壓控制結(jié)構(gòu)和VF控制結(jié)構(gòu)分別如圖6、圖7所示。圖6中，Udc,base為直流電壓基準(zhǔn)值，Udc,ref為總直流電壓參考值，Id,ref為d軸電流參考值，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)。圖7中，Urms為交流電壓實際有效值，Uref為VF控制交流電壓參考值，Ubase為交流電壓基準(zhǔn)值，Ud,isl為d軸電壓輸出值，Uq,isl為q軸電壓輸出值，θisl為輸出電壓相位。

M表示此部分作為分子，D表示此部分作為分母。

圖6 定直流電壓控制結(jié)構(gòu)
Fig.6 Constant DC voltage control structure

圖7 VF控制結(jié)構(gòu)Fig.7 Voltage and frequency control structure

4 現(xiàn)場試驗

針對第3節(jié)提出的兩端MMC-HVDC系統(tǒng)充電啟動方案，分別進行現(xiàn)場試驗，并對錄波進行分析，以驗證該方案的可行性。

4.1 交流充電現(xiàn)場試驗驗證

2016年8月10日進行了魯西背靠背MMC-HVDC系統(tǒng)正常模式解鎖性能試驗。調(diào)試組分別通過云南側(cè)和廣西側(cè)500 kV交流場同時對柔性直流單元兩側(cè)MMC進行充電，測量柔性直流單元進線閥側(cè)電壓互感器的電壓值，并跟蹤MMC功率模塊直流電容電壓值進行驗證。

圖8為魯西背靠背MMC-HVDC系統(tǒng)云南側(cè)MMC充電不同階段的波形(因兩側(cè)充電過程基本相同，故僅以云南側(cè)充電波形進行分析)。在16：51：56柔性直流單元進線交流斷路器合閘，開始對MMC進行交流不控充電，直流電壓隨上、下橋臂功率模塊電容電壓的升高逐步提升，至16：52：15，經(jīng)過約19 s，交流不控充電完成(功率模塊電容電壓平均值約為1.667 kV，為額定值的0.74倍)。在17：03：35下達解鎖命令，MMC脈沖封鎖解除，開始進行交流可控充電，經(jīng)過約4 s，MMC可控充電完成，直流電壓達到額定值350 kV，啟動成功。

圖8 魯西背靠背MMC-HVDC系統(tǒng)交流充電波形Fig.8 AC charging waveforms of Luxi back-to-back MMC-HVDC system

4.2 直流充電(黑啟動模式)現(xiàn)場試驗驗證

2016年8月16日，調(diào)試組分別進行了魯西背靠背MMC-HVDC系統(tǒng)云南側(cè)和廣西側(cè)黑啟動試驗。

圖9為魯西背靠背MMC-HVDC系統(tǒng)云南側(cè)黑啟動時兩側(cè)的充電及控制量變位波形。圖9(a)為云南側(cè)黑啟動時廣西側(cè)MMC交流不控充電的波形，在17：34：24合上廣西側(cè)交流進線斷路器開始對廣西側(cè)MMC進行交流不控充電，至17：34：44，經(jīng)過約20 s，交流不控充電完成，模塊電容平均電壓達到1.113 kV(約為額定值的0.7倍)；此外，由于限流電阻的作用，啟動初期未產(chǎn)生過沖電流。圖9(b)為云南側(cè)黑啟動時廣西側(cè)MMC交流可控充電波形，在18：01：40下達解鎖命令，柔性直流單元解鎖，廣西側(cè)MMC開始進行交流可控充電，經(jīng)過約5 s，交流可控充電完成，模塊電容平均電壓達到額定值(1 600 V)。圖9(c)為云南側(cè)MMC直流不控充電和可控充電階段的波形，在17：34：24直流不控充電開始，經(jīng)過約40 s，完成直流可控充電。圖9(d)為解鎖運行時云南側(cè)MMC充電波形和云南側(cè)交流母線建壓波形，柔性直流單元解鎖后約6 s，云南側(cè)MMC直流充電完成，功率模塊電容電壓和直流母線電壓均達到額定值，而后在廣西側(cè)定直流電壓控制和云南側(cè)VF控制下，云南側(cè)交流母線電壓逐步建立，經(jīng)過約58 s達到額定值。

5 結(jié)束語

本文針對MMC-HVDC系統(tǒng)受交流電網(wǎng)運行狀態(tài)影響帶來的充電啟動問題進行了研究，通過分析MMC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功率模塊充電控制原理，指出MMC-HVDC系統(tǒng)具有交流和直流2種充電方案，以及需要不控充電和可控充電2個充電階段的原因。在此基礎(chǔ)上，提出適用于有源或無源電網(wǎng)的MMC-HVDC系統(tǒng)充電啟動方案，即通過控制功率模塊IGBT的觸發(fā)脈沖和利用有源端MMC為無源端充電等方法，實現(xiàn)MMC-HVDC系統(tǒng)的啟動和無源電網(wǎng)的黑啟動。

圖9 魯西背靠背MMC-HVDC系統(tǒng)直流充電波形Fig.9 DC charging waveforms of Luxi back-to-back MMC-HVDC system

通過現(xiàn)場試驗對兩種充電方案進行了驗證，所得結(jié)果表明本文所提方案可以保證MMC電壓穩(wěn)定建立，單個功率模塊電容電壓均衡分布，不會產(chǎn)生過沖電流和電壓，且充電時間也能滿足要求。