北京榮信慧科科技有限公司、中國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）拓撲結(jié)構(gòu)換流器的柔性直流輸電工程投入建設(shè)及運行。

 

國家“863”計劃項目南方電網(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的MMC拓撲結(jié)構(gòu)。而作為換流器起動前的預充電過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換流器起動前的預充電過程，采用PSCAD仿真軟件，結(jié)合某國外柔直項目工程設(shè)計參數(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，通過仿真結(jié)果給出了起動電阻的選擇建議，并闡述了通過仿真的手段對柔直項目充電起動電阻器的選擇的指導意義。

 

我國近年來，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目到南澳多端柔直項目，再到云南魯西背靠背柔直項目、渝鄂柔直項目以及即將開展的張北柔直項目，不但規(guī)模越來越大，電壓等級越來越高，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行[1]，對大型風電場（尤其海上風電）、新能源并網(wǎng)，向無源網(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。

 

早期投運的VSC-HVDC工程多為兩電平和三電平拓撲，而這兩種拓撲在電壓高需要級聯(lián)很多級H橋時，在動態(tài)均壓、抗電磁干擾以及換流器的設(shè)計和布局上存在工程難點。

 

西門子公司為此設(shè)計了一種由多個子模塊串聯(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行在較低的開關(guān)頻率，大大降低了電磁干擾和損耗；同時采用排序充放電電容的均壓策略，可以輕松實現(xiàn)數(shù)量龐大的級聯(lián)模塊的動態(tài)均壓；其模塊化結(jié)構(gòu)，也便于安裝及日后的維護。因此，我國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雜，并且隨級數(shù)的增加會導致誤差增大。這樣使用傳統(tǒng)的RC充電回路計算時間常數(shù)及預充電電阻就變的不準確。下文將介紹通過仿真建模手段解決上文的問題，對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)果見表2。

 

表2：充電電阻器不同阻值時的特性參考參數(shù)

 

結(jié)論

 

從表2可以得出以下結(jié)論：

1）充電時不同阻值的電阻器端對地的最高電壓相同；

2）阻值越小時充電時間越少；

3）阻值越小時沖擊的能量越大；

4）不同阻值時的吸收能量基本相同。

 

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

 

目前對于換流閥制造公司，對換流閥充電還有一些非通用的限制條件，比如我公司設(shè)計的換流閥的功率單元，其驅(qū)動電能就是取自充電電能。如果充電過快，就會對驅(qū)動電路造成沖擊，導致對IGBT觸發(fā)脈沖錯位，從而使得換流閥無法進入待起動狀態(tài)。

 

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

 

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

 

綜上所述，通過仿真手段對柔直項目充電電阻器的選擇有著重要的指導意義。