MMC型柔性直流输电系统起动电阻器的选择方法

品慧电子讯本文研究了MMC换流器起动前的预充电过程，采用PSCAD仿真软件，结合某国外柔直项目工程设计参数，搭建了整体的系统模型，根据不控充电的方式搭建了充电电阻的模型，通过仿真结果给出了起动电阻的选择建议，并阐述了通过仿真的手段对柔直项目充电起动电阻器的选择的指导意义。

摘要

北京荣信慧科科技有限公司、中国北方车辆研究所的研究人员张智、 刘丽楠，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，随着对直流输电灵活控制的要求的增加，大量以模块化多电平换流器（MMC）拓扑结构换流器的柔性直流输电工程投入建设及运行。

国家“863”计划项目南方电网南澳多端柔性直流输电工程云南鲁西背靠背柔性直流输电工程，其换流器设备都是采用目前较为先进的MMC拓扑结构。而作为换流器起动前的预充电过程也得到了广泛的研究，而采用充电电阻的不控充电方式得到了大量柔直工程的青睐。

本文研究了MMC换流器起动前的预充电过程，采用PSCAD仿真软件，结合某国外柔直项目工程设计参数，搭建了整体的系统模型，根据不控充电的方式搭建了充电电阻的模型，通过仿真结果给出了起动电阻的选择建议，并阐述了通过仿真的手段对柔直项目充电起动电阻器的选择的指导意义。

我国近年来，基于电压源换流器的高压直流输电系统（VSC-HVDC），也叫柔性直流输电系统，得到了迅猛发展。从舟山的多端柔直项目到南澳多端柔直项目，再到云南鲁西背靠背柔直项目、渝鄂柔直项目以及即将开展的张北柔直项目，不但规模越来越大，电压等级越来越高，而且传输的电力容量也一次次的创世界新高。

柔性直流输电的换流器是采用高压大功率全控型电力电子器件。这种具有可控通断能力的器件，可以使换流器在四象限运行[1]，对大型风电场（尤其海上风电）、新能源并网，向无源网络供电[2]，以及不同区域的异步交流电网互联有着显著的优势。

早期投运的VSC-HVDC工程多为两电平和三电平拓扑，而这两种拓扑在电压高需要级联很多级H桥时，在动态均压、抗电磁干扰以及换流器的设计和布局上存在工程难点。

西门子公司为此设计了一种由多个子模块串联的模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）。这种结构的换流器可以使全控型功率器件运行在较低的开关频率，大大降低了电磁干扰和损耗；同时采用排序充放电电容的均压策略，可以轻松实现数量庞大的级联模块的动态均压；其模块化结构，也便于安装及日后的维护。因此，我国近几年的柔直工程换流器均采用MMC结构。

正是由于MMC的特殊模块化电力电子结构以及级联模块的数量非常庞大，因此MMC型换流器的电路等效模型非常复杂，并且随级数的增加会导致误差增大。这样使用传统的RC充电回路计算时间常数及预充电电阻就变的不准确。下文将介绍通过仿真建模手段解决上文的问题，对柔直工程充电电阻器的选择提出行之有效的方法。

图1：MMC基本结构

总结仿真结果见表2。

表2：充电电阻器不同阻值时的特性参考参数

结论

从表2可以得出以下结论：

1）充电时不同阻值的电阻器端对地的最高电压相同；

2）阻值越小时充电时间越少；

3）阻值越小时冲击的能量越大；

4）不同阻值时的吸收能量基本相同。

上面得出的结论其实是显而易见的，本文的研究目的不是为了仅仅得出上述的简单结论，而是想通过介绍这种方法，来展现如何为柔直工程起动电阻器的选择提供参数依据。

目前对于换流阀制造公司，对换流阀充电还有一些非通用的限制条件，比如我公司设计的换流阀的功率单元，其驱动电能就是取自充电电能。如果充电过快，就会对驱动电路造成冲击，导致对IGBT触发脉冲错位，从而使得换流阀无法进入待起动状态。

因此规定当充电时，功率单元驱动电路的工作电压从零上升到额定值得时间不小于0.5s，整体充电时间控制在10s左右。基于这个限制条件并结合表2，本工程充电电阻可选择3000，650kJ。

表2的参数也可以通过计算给出，但在上文提到，MMC换流阀的结构比较复杂，每相串联的功率模块数目庞大，尤其是当要给出不同阻值时的各个参数时，计算复杂而且计算量很大。而采用仿真的手段就比较直观而且简单，目前任何柔直工程都会建立仿真模型进行各种静态和动态的研究，起动电阻的选择可以顺便进行研究，建模时甚至无需搭建换流阀的控制部分，只需将换流阀整体闭锁即可，简单有效。

综上所述，通过仿真手段对柔直项目充电电阻器的选择有着重要的指导意义。