柔性高压直流输电（Flexible HVDC）在大规模 风电并网、交流系统互联、海上孤岛供电、城市配电 网的增容改造等方面具有较强的技术优势，是当前 电力系统技术发展的前沿性课题，发展势头迅猛。 我国也正在加快开展柔性高压直流输电技术研究 和工程化建设工作，南方电网的南澳柔性直流输电 示范工程（含金牛、青澳、塑城3个换流站）、国网舟 山多端口柔性直流输电示范工程已先后正式投运。

柔性高压直流输电与常规高压直流输电 （HVDC）的主要区别在于其换流站（换流器）采用绝 缘栅双极型晶体管（IGBT）等可关断器件，而常规 HVDC采用的是半控型开关器件晶闸管。模块化多 电平变流器（MMC）^[1]以其模块化的结构易于扩展到 高电压、大容量等级的换流站，输出电平数较多而 谐波较小（无需专门配备输出滤波器），故障容错运 行能力强，可四象限运行等优点，在当前柔性高压 直流输电的换流站系统中，得到了越来越多的关 注。

目前针对柔性高压直流输电系统中MMC的研 究主要集中在MMC的控制策略^{[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]}和调制策略^{[12, 13, 14]} 方面，而对于MMC 的预充电策略^{[15, 16]}鲜有研究。 MMC启动前功率模块的电容电压是否均衡以及是 否达到了额定电压将直接影响MMC的正常启动，严 重时可能造成功率器件的损坏。由于MMC可以四 象限运行，所以MMC既可当作整流器也可当作逆变 器。在两端口基于MMC的柔性直流输电系统中，一 端MMC作为送端，另一端MMC作为受端。实际应 用中2端口的预充电策略是不同的。送端MMC一 般是通过预充电电阻直接由电网进行充电，而受端 MMC一般是通过直流母线进行充电。本文介绍了 MMC的交流侧充电、直流侧充电和交直流混合充电 3种充电方式，重点分析MMC交流侧充电方式的2 个阶段，即不控整流充电和可控充电，并进行了仿 真分析。 1 MMC电路拓扑及充电方式 1.1 MMC电路拓扑

MMC拓扑如图 1所示。MMC由3个相单元构 成，每相包含2个桥臂，每个桥臂由N个功率模块和 1个桥臂电感L₀串联构成。功率模块内部主电路构 成如图 1中蓝色虚线框内所示，包含1个电容C_SM，2 个含有反并联二极管的开关器件S1、S2，1个过流保 护用的晶闸管T1和1个旁路用的开关K1。

图 1(Figure 1)

图 1 MMC拓扑

MMC正常工作前，桥臂功率模块的电容初始电 压通常为0或者未达到额定工作电压状态。所以 MMC正常工作前需要对桥臂功率模块电容进行充 电。如图 1所示，MMC的交流侧3个输出端子U、V、 W接到三相电网，直流侧2个输出端子DC+、DC-接 到直流母线。 1.2 MMC充电方式

由于MMC可以通过交流侧进行充电也可以通过直流侧进行充电，因此MMC的充电方式可以分为 3种。 1.2.1 交流侧充电

MMC交流侧充电分为不控整流充电和可控充 电2个阶段。交流侧不控整流充电是在闭锁MMC， 即MMC所有功率模块的开关器件全部处于关断状 态，仅通过功率模块开关器件反并联的二极管对功 率模块电容进行充电。为了抑制充电电流，在交流 电网侧需要串接预充电电阻。交流侧可控充电是 在解锁MMC的情况下，通过双闭环控制充电方式对 功率模块电容进行充电。 1.2.2 直流侧充电

MMC直流侧充电同样可以分为不控整流充电 和可控充电2个阶段。充电方式同1.2.1中叙述。 1.2.3 交直流混合充电

该充电方式是上述2种充电方式的混合方式， 即先进行直流侧不控整流充电，再进行交流侧不控 整流充电，最后通过交流可控充电或者直流可控充 电方式再对功率模块电容进行充电。

由于MMC直流侧充电方式与交流侧充电方式 基本相同，因此本文仅对交流侧充电方式进行分 析。 2 MMC交流侧充电方式分析

MMC交流侧充电拓扑如图 2所示。MMC交流 输出端子通过预充电电阻R连接交流电网，R与三 相开关K并联连接，L_eq为线路等效阻抗。交流侧充电分为2个阶段：交流侧不控整流充电，通过R对功 率模块电容进行充电；交流侧可控充电，此时需要 闭合K将R短接，通过电网提供能量对桥臂功率模 块电容进行充电。

图 2(Figure 2)

图 2 MMC交流侧充电拓扑

交流侧不控整流充电时，利用R限制充电电流， 功率模块中的开关器件S1、S2处于关断状态，即充 电电流仅流过开关器件的反并联二极管。MMC交 流侧不控整流充电等效拓扑见图 3所示。

图 3(Figure 3)

图 3 MMC交流侧不控整流充电等效拓扑

如图 3，每个桥臂上的所有功率模块可以等效为1个二极管串联桥臂电容后再与另1个二极管并 联的电路。图 3中，C_arm为桥臂等效电容，即桥臂上N 个子模块电容串联后的等效电容，其容值为单个功 率模块电容的1/N，即：

由于MMC三相结构相同，仅以UV两相为例对 交流侧不控整流充电进行分析。当U_UV>0时，共有2 条充电回路，第1条充电回路为U相上桥臂电感、U 相上桥臂等效二极管、V相上桥臂电容、V相上桥臂 二极管和V相上桥臂电感；第2条回路为U相下桥 臂电感、U相下桥臂二极管、U相下桥臂电容、V相下 桥臂二极管和U相下桥臂电感。所以，2条充电回 路是相同的，都包含2个桥臂电感，1个桥臂电容，2 个桥臂等效二极管。当U_UV<0时，同样有2条充电回 路，第1条充电回路为V相上桥臂电感、V相上桥臂 等效二极管、U相上桥臂电容、U相上桥臂二极管和 U相上桥臂电感；第2条回路为V相下桥臂电感、V 相下桥臂二极管、V相下桥臂电容、U相下桥臂二极 管和U相下桥臂电感。所以，2条充电回路同样是 相同的，都包含2个桥臂电感、1个桥臂电容、2个桥 臂等效二极管。

由上述分析可知，U_UV上、下半周对桥臂电容的 充电路径是完全相同的，且由于所有桥臂的参数完 全一致，因此U_UV上、下半周的充电过程完全相同。 假设1个充电周期起始时桥臂电容电压（即桥臂各 功率模块所有电容电压之和）为U₀，U_UV上半周电网 侧充电电流为i_U1，下半周电网侧充电电流为i_U2，则 上、下半周桥臂电流分别为i_U1/2 和i_U2/2。列写UUV 上、下半周桥臂电容电压的充电方程如下：

由上面的分析可知：

因此公式（2）、（3）可以改写为：

从式（5）可以看出，4个桥臂的充电过程可以等 效为U_UV整个周期内充电过程。所以，U_UV对4个桥 臂的充电过程可以等效为通过不控整流桥对4个桥 臂电容同时进行充电。同样可以推得MMC交流侧 不控整流充电电路可以等效为对6个桥臂同时进行 充电的三相不控整流充电电路。等效电路图如图 4 所示。

图 4(Figure 4)

图 4 MMC交流侧不控整流充电等效电路图

如图 4所示，充电开始时刻，电容上的电压为0， 线路中电流为0，所以电网电压全部加在桥臂电感 上（忽略线路阻抗）。线路中产生电流，线路电流对 电容进行充电。随着电容电压的上升，加在R上的 最大电压峰值不断减小。因此第1个基波周期内线 路电流最大，最大电流峰值不会超过电网电压全部 作用在R上产生的电流峰值。所以，R需要承受的 最大电压可按照电网电压设计，最大充电电流：

交流侧不控整流充电完成后，桥臂功率模块电 容电压可以达到的最大电压为：

U_S—电网线电压峰值；

N—桥臂功率模块个数。

给定某MMC系统的主要参数如表 1所示，利用 PSIM软件进行仿真，可得到交流侧不控整流充电电 流波形，见图 5。

表 1(Table 1)

表 1 MMC的参数

表 1 MMC的参数

图 5(Figure 5)

图 5 MMC交流侧不控整流充电电流波形

MMC交流侧不控整流充电完成后，桥臂上功率 模块电容电压值仅能达到公式（7）计算得到的值， 该电压值还没有达到功率模块正常工作电压值，所 以需要再次对功率模块电容进行充电。此时需要 短接R并解锁变流器以便对功率模块电容进行充 电，通过调整直流母线电压的给定值完成对功率模 块的满负荷充电。 2.2.1 MMC交流侧双闭环控制策略

MMC的控制策略一般采用电压或者功率外环、 电流内环的控制策略。本文采用的交流侧可控充 电控制策略主要是通过改变MMC的输出电压，从而 改变加在桥臂电感上的电压，产生充电电流，对桥 臂上的功率模块电容进行充电，使功率模块电容电 压达到额定工作电压，即如图 6所示的直流母线电 压外环、MMC输出电流内环的双闭环控制。

图 6(Figure 6)

图 6 旋转坐标系dq轴双闭环控制策略

图 6中将直流母线电压外环的输出作为有功电流内环给定值i_d_ref，无功电流内环给定值i_q_ref直接给 定，在可控充电过程中，无功电流给定值为0。为了 使充电电流平稳而且不过流，设计电压外环的给定 值从当前直流母线电压值逐渐增加到额定工作电 压值。只要实际直流母线电压小于给定值，则电压 外环输出为正，通过电流内环控制就可以使电网向 变流器输出有功功率，从而实现对功率模块电容的 充电。 2.2.2 MMC交流侧可控充电控制策略仿真计算

若功率模块的额定电压为U_SM^*，则直流母线电 压的额定值应为NU_SM^*。为了减小充电电流，需要 将直流母线电压的给定值从NU_SM1逐渐增加到 NU_SM^*。假设控制周期为T，充电过程共需要k个控 制周期，则第m个控制周期直流母线电压给定值表 达式可以表示为：

可控充电完成后，整个MMC共6N 个功率模块 的电容电压全部达到额定电压U_SM^*，则整个MMC 增加的能量为：

由公式（11）可以看出，充电时间越长，交流电 网有功电流的平均有效值越小。

采用本文提出的交流侧充电控制策略，MMC 充电过程中的直流母线电压变化仿真波形如图 7所 示。

图 7(Figure 7)

图 7 交流侧可控充电直流母线电压变化仿真曲线

采用交流侧可控充电，使直流母线电压缓慢上 升，在1 s内从不控整流充电得到的直流母线电压 （14 kV）平稳上升到额定工作电压（20 kV），波动较 小。 3 仿真验证

为了验证MMC交流侧充电策略的有效性，对不 控整流充电和可控充电过程完成后直接启动换流 器时的交流侧三相电流分别进行仿真，结果如图 8、 图 9所示。

图 8(Figure 8)

图 8 不控整流充电后MMC启动时交流侧电流波形

图 9(Figure 9)

图 9 可控充电后MMC启动时交流侧电流波形

从图 8可以看出，交流侧充电电流较大且持续 时间较长，最大峰值电流达到800 A，过流比较明 显；从图 9可以看出，交流侧可控充电过程中三相充 电电流稳定，仅在起始时刻有电流冲击，最大电流 仅为80 A。

通过仿真分析可以发现，采用交流侧双闭环充电控制后，MMC系统交流侧和直流母线电压、电流 的特性都有了明显改善。 4 结语

本文通过分析MMC交流侧不控整流充电方式， 推导充电电流计算公式，发现了不控整流充电过程 中冲击电流过大，电压波动性强的问题。为了改善 MMC充电过程中交、直流侧的电压和电流特性，提 出了交流侧双闭环控制充电策略，该策略通过控制 母线电压缓慢上升的方法抑制充电电流。仿真结 果验证了交流侧充电采用双闭环控制策略后对控 制直流母线电压和抑制充电过流的有效性。这对 于多端口柔性高压直流输电工程化过程中解决换 流站电压等级高、容量大等难点问题具有较重要的 现实意义。