北京榮信慧科科技有限公司、中國(guó)北方車輛研究所的研究人員張智、 劉麗楠，在2018年第8期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，隨著對(duì)直流輸電靈活控制的要求的增加，大量以模塊化多電平換流器（MMC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)換流器的柔性直流輸電工程投入建設(shè)及運(yùn)行。

 

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目南方電網(wǎng)南澳多端柔性直流輸電工程云南魯西背靠背柔性直流輸電工程，其換流器設(shè)備都是采用目前較為先進(jìn)的MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而作為換流器起動(dòng)前的預(yù)充電過(guò)程也得到了廣泛的研究，而采用充電電阻的不控充電方式得到了大量柔直工程的青睞。

 

本文研究了MMC換流器起動(dòng)前的預(yù)充電過(guò)程，采用PSCAD仿真軟件，結(jié)合某國(guó)外柔直項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)參數(shù)，搭建了整體的系統(tǒng)模型，根據(jù)不控充電的方式搭建了充電電阻的模型，通過(guò)仿真結(jié)果給出了起動(dòng)電阻的選擇建議，并闡述了通過(guò)仿真的手段對(duì)柔直項(xiàng)目充電起動(dòng)電阻器的選擇的指導(dǎo)意義。

 

我國(guó)近年來(lái)，基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)（VSC-HVDC），也叫柔性直流輸電系統(tǒng)，得到了迅猛發(fā)展。從舟山的多端柔直項(xiàng)目到南澳多端柔直項(xiàng)目，再到云南魯西背靠背柔直項(xiàng)目、渝鄂柔直項(xiàng)目以及即將開(kāi)展的張北柔直項(xiàng)目，不但規(guī)模越來(lái)越大，電壓等級(jí)越來(lái)越高，而且傳輸?shù)碾娏θ萘恳惨淮未蔚膭?chuàng)世界新高。

 

柔性直流輸電的換流器是采用高壓大功率全控型電力電子器件。這種具有可控通斷能力的器件，可以使換流器在四象限運(yùn)行[1]，對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)（尤其海上風(fēng)電）、新能源并網(wǎng)，向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電[2]，以及不同區(qū)域的異步交流電網(wǎng)互聯(lián)有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

 

早期投運(yùn)的VSC-HVDC工程多為兩電平和三電平拓?fù)?，而這兩種拓?fù)湓陔妷焊咝枰?jí)聯(lián)很多級(jí)H橋時(shí)，在動(dòng)態(tài)均壓、抗電磁干擾以及換流器的設(shè)計(jì)和布局上存在工程難點(diǎn)。

 

西門子公司為此設(shè)計(jì)了一種由多個(gè)子模塊串聯(lián)的模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）。這種結(jié)構(gòu)的換流器可以使全控型功率器件運(yùn)行在較低的開(kāi)關(guān)頻率，大大降低了電磁干擾和損耗；同時(shí)采用排序充放電電容的均壓策略，可以輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)量龐大的級(jí)聯(lián)模塊的動(dòng)態(tài)均壓；其模塊化結(jié)構(gòu)，也便于安裝及日后的維護(hù)。因此，我國(guó)近幾年的柔直工程換流器均采用MMC結(jié)構(gòu)。

 

正是由于MMC的特殊模塊化電力電子結(jié)構(gòu)以及級(jí)聯(lián)模塊的數(shù)量非常龐大，因此MMC型換流器的電路等效模型非常復(fù)雜，并且隨級(jí)數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致誤差增大。這樣使用傳統(tǒng)的RC充電回路計(jì)算時(shí)間常數(shù)及預(yù)充電電阻就變的不準(zhǔn)確。下文將介紹通過(guò)仿真建模手段解決上文的問(wèn)題，對(duì)柔直工程充電電阻器的選擇提出行之有效的方法。

 

圖1：MMC基本結(jié)構(gòu)

 

總結(jié)仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

 

表2：充電電阻器不同阻值時(shí)的特性參考參數(shù)

 

結(jié)論

 

從表2可以得出以下結(jié)論：

1）充電時(shí)不同阻值的電阻器端對(duì)地的最高電壓相同；

2）阻值越小時(shí)充電時(shí)間越少；

3）阻值越小時(shí)沖擊的能量越大；

4）不同阻值時(shí)的吸收能量基本相同。

 

上面得出的結(jié)論其實(shí)是顯而易見(jiàn)的，本文的研究目的不是為了僅僅得出上述的簡(jiǎn)單結(jié)論，而是想通過(guò)介紹這種方法，來(lái)展現(xiàn)如何為柔直工程起動(dòng)電阻器的選擇提供參數(shù)依據(jù)。

 

目前對(duì)于換流閥制造公司，對(duì)換流閥充電還有一些非通用的限制條件，比如我公司設(shè)計(jì)的換流閥的功率單元，其驅(qū)動(dòng)電能就是取自充電電能。如果充電過(guò)快，就會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路造成沖擊，導(dǎo)致對(duì)IGBT觸發(fā)脈沖錯(cuò)位，從而使得換流閥無(wú)法進(jìn)入待起動(dòng)狀態(tài)。

 

因此規(guī)定當(dāng)充電時(shí)，功率單元驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓從零上升到額定值得時(shí)間不小于0.5s，整體充電時(shí)間控制在10s左右?；谶@個(gè)限制條件并結(jié)合表2，本工程充電電阻可選擇3000，650kJ。

 

表2的參數(shù)也可以通過(guò)計(jì)算給出，但在上文提到，MMC換流閥的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，每相串聯(lián)的功率模塊數(shù)目龐大，尤其是當(dāng)要給出不同阻值時(shí)的各個(gè)參數(shù)時(shí)，計(jì)算復(fù)雜而且計(jì)算量很大。而采用仿真的手段就比較直觀而且簡(jiǎn)單，目前任何柔直工程都會(huì)建立仿真模型進(jìn)行各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的研究，起動(dòng)電阻的選擇可以順便進(jìn)行研究，建模時(shí)甚至無(wú)需搭建換流閥的控制部分，只需將換流閥整體閉鎖即可，簡(jiǎn)單有效。

 

綜上所述，通過(guò)仿真手段對(duì)柔直項(xiàng)目充電電阻器的選擇有著重要的指導(dǎo)意義。