MMC-HVDC系统的充电启动方案和现场试验
直流电流互感器现场检测方法及应用
直流电流互感器现场检测方法及应用摘要：直流输电系统中直流电流互感器重要组成部分，为电网的控制、保护和测量提供了重要信息和可靠的基础。
稳定运行直接影响到整个换流站安全生产和运行，也影响到我国电网的完整性和安全。
直流互感器目前没有统一的现场测试方法。
本文对各种直流电流互感器现场测试方法，并临时建立了一个评价系统，为设备用户服务并作出检修决策。
关键字：直流互感器；HVDC；现场试验直流电流互感器是直流系统中的主要直流仪表，为直流电网的安全稳定运行提供控制信号。
为了保证直流互感器的精度和可靠性，需要进行现场标定试验。
现场校准时，传统的校准直流电流互感器方法直接应用于直流变压器和直流比较。
通过手动读取与标准二次之间的测量值，计算测试直流互感器的低压输出信号。
随着我国直流工程的增加，提出了直流互感器校验新要求，并制定了相应的校验方法。
直流电流互感器的现场校验和校准方法不符合直流电流互感器精度要求。
一、直流电流互感器工作原理及应用例如换流站，详细应用于直流电流互感器现场的应用，详细介绍了光电式和全光纤直流互感器。
1.光电式。
主要用于采用分流器保护原理测量电流，通常现场使用直流变压器。
分流器测量主要基于流量原理，即罗氏线圈测量系统的谐波分量，保护和控制直流输电系统。
2.全光纤。
(FOCT)互感器建模在实验室中使用的全光纤互感器，并对其性能进行了验证。
反应测试中，FOCT具有较大的直流输电和通信动态范围，但现场应用受到温度和噪声的限制。
但是，随着光纤材料和光纤互感器技术的发展，直流全光纤变压器也将广泛应用于换流站和智能变电站的测量仪器中。
3.直流电流互感器应用现状。
应用是在直流输电系统的扩展中扩展的，直流互感器目前主要用于换流站。
直主要由直流分流器和罗氏线圈组成，直流分流器主要测量直流分量，罗氏线圈测量谐波分量。
中性电流通常测量是霍尔传感器。
一般情况下，中性线只测量直流元件，而直流分流器主要用作电流测量装置。
也可以测量直流输电系统中滤波器的不良电流。
双端有源MMC-HVDC系统的控制策略研究
双端有源MMC-HVDC系统的控制策略研究李健;陈卓【摘要】多端模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)一直是柔性高压直流输电系统(High Voltage Direct Current,HVDC)工程应用的重要部分,因此对其控制策略的研究很有实际意义.文章基于三相静止坐标系下MMC的数学模型,建立了dq旋转坐标系下的数学模型,根据瞬时功率理论设计出外环功率和内环电流的MMC-HVDC系统控制器.针对传统电容电压平衡策略的问题,从减少开关频率的角度提出了改进型的子模块电容均压方式.由于文章中真模型中相单元子模块过多,为使系统更稳定可靠运行采用了最近电平逼近策略(Nearest Level Modulation,NLM).最后在Matlab/Simulink仿真软件中搭建89电平双端有源MMC-HVDC系统模型,从改变控制器参考值、有功功率反转等角度对控制系统进行仿真分析对比,验证了MMC-HVDC系统控制器的可靠性和稳定性.【期刊名称】《贵州电力技术》【年(卷),期】2018(021)007【总页数】8页(P14-21)【关键词】模块化多电平变流器;控制策略;电容电压平衡策略;最近电平逼近策略;控制器【作者】李健;陈卓【作者单位】贵州大学电气工程学院,贵州贵阳550025;贵州大学电气工程学院,贵州贵阳550025【正文语种】中文【中图分类】TM74随着经济的发展和工业化速度的加速，我国城市数目和大都市规模都有了巨大增长，原有的城市电网遭遇到前所未有的挑战。
同时，由于自然条件和地理环境的原因，可再生能源如光伏、风能发电的并网问题愈加突出。
相较于传统的交流输电，高压直流输电技术在大容量输电、大规模电网互联及稳定性方面优势越发明显[1]。
20世纪90年代，加拿大 McGill大学的 Boon-TeckOoi提出的基于可控开关器件和脉冲宽度调制(Pulse width Modulation technology，PWM)技术的电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)在直流输电中开始应用。
用于电网黑启动的MMC_HVDC系统换流站启动策略_李探
图 ２ ａｂ 相 间 充 电 回 路 示 意 图 Ｆｉｇ．２ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｈａｓｅ ａ ａｎｄ ｂ
线电压ｕａｂ通过ａ相 上 桥 臂 和 ｂ 相 上 桥 臂、ａ相 下桥臂和ｂ相下桥臂形成２个回路。由于三相对称 充电，可 近 似 认 为 任 意 时 刻 ６ 个 桥 臂 的 电 容 电 压 ｕｃｓｕｍ 相等。ｕａｂ＞ｕｃｓｕｍ 时，ａ 相 下 桥 臂 和 ｂ 相 上 桥 臂 的子模块电容将被充 电；ｕａｂ＜ｕｃｓｕｍ 时，ａ相 上 桥 臂 和 ｂ相下桥臂的子模块电容将被充电。
表１ ＭＭＣ 子模块的工作状态 Ｔａｂｌｅ １ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ＭＭＣ ｓｕｂ－ｍｏｄｕｌｅ
模式 １ ２ ３
Ｔ１ 导通 导通 关断
Ｔ２ 关断 关断 导通
ｉａｒｍ ＞０ ＜０ ＞０
ＵＳＭ ＵＣ ＵＣ ０
状态 投入 投入 切除
４
关断 导通
＜０
０
切除
５
关断 关断
＞０
ＵＣ
闭锁
６
关断 关断
ＭＭＣ－ＨＶＤＣ 系 统 换 流 站 启 动 控 制 的 目 的 是 使换流器 的 直 流 电 压 快 速 上 升 到 正 常 工 作 时 的 水 平，而不产生严 重 的 过 电 压 和 过 电 流 现 象。 换 流 站 启动的实质是 ＭＭＣ 子 模 块 内 电 容 的 预 充 电 策 略。 ＭＭＣ 的电容分 散 于 各 子 模 块 中，相 较 于 两 电 平 拓 扑，其 电 容 充 电 动 态 过 程 较 为 复 杂。 一 般 来 说， ＭＭＣ 电容的充 电 方 式 可 分 为 自 励 和 他 励 ２ 种，目 前工程上大部分采用自励充电的方式。对于有源网
MMC-VSC-HVDC系统环形网络控制技术的研究的开题报告
MMC-VSC-HVDC系统环形网络控制技术的研究的开题报告1. 研究背景和意义随着全球能源需求不断增长和能源结构不断优化升级，电力系统的可靠性、经济性和可持续性等方面的要求愈发高涨。
为满足这些要求，越来越多的大型电力系统采用高压直流输电（HVDC）技术。
HVDC技术具有高容量、长距离、低损耗、稳定性等优点，成为电力系统中最重要的技术之一。
另一方面，由于电力系统中存在大量的可再生能源（如风能、光能），其电能的特性对电网安全稳定性提出了高要求。
为了提高HVDC系统的效能和可靠性，多级换流器（MMC）和换流器组（VSC）成为近年来HVDC系统的重要发展方向。
模块化多级换流器（MMC）和换流器组（VSC）结合起来意味着皆可控结构（MMC-VSC），对于高电压电流的输电，该技术成为HVDC产业发展的新方向。
此外，在实际运行中，HVDC系统的环形网络控制技术是一个关键问题，其研究成果能够提高HVDC系统对不同环境和负荷的应急响应能力，保证电力系统的可靠性和稳定性。
2. 研究内容和方法本次研究的主要内容是MMC-VSC-HVDC系统环形网络控制技术的性能分析、建立系统控制模型和实现系统控制算法的研究与开发。
针对MMC-VSC-HVDC系统的环形网络控制问题，首先在故障情况下对MMC-VSC-HVDC系统的稳定性及控制策略进行分析，并在此基础上建立MMC-VSC-HVDC系统的控制模型。
同时，结合MMC-VSC的特性，阐述了能量的交换方式和交换频率等。
并依据复杂多变的环形网络控制场景按网络中的节点选择控制策略。
进一步，基于电网力学模型和环形网络控制的理论分析，开发实用的智能控制算法，并设计数字控制系统以实现控制功能的自动化。
3. 研究计划和进度本次研究计划分为以下阶段：第一阶段：调查HVDC系统的现有技术和环形网络控制技术的现状，对MMC-VSC-HVDC系统进行理论分析，并根据对环形网络控制的现有方法进行知识整合。
MMC-HVDC模块电容器预充电策略及仿真分析
关键词 ：直流输电 ； 模块化多电平换流器 ； 子模块电容器 ； 充 电策略 ； 仿真分析
中 图分 类号 ：Ｔ Ｍ ７ ２ １ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ ３ — ８ ９ ３ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ ～ ０ １ ４ ４ — ｇ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｇ ｙ Ｒｅ ａ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎｄ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
换流器拓扑结构 的基础上 ，分析 了 ＭＭＣ中子模块 电容 器的充 电特点 ，根据 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ的工作状态 ．提 出了 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ
不可控和 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ可控的两个 阶段对子模块 电容进行 预充 电的策略 ，并进行 了仿 真验证 ，结果表 明所提 出的充
电方法是正确的 ，对实际工程具有一定 的指导意义 。
ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｔ ｒ ｅ ｒ ，ａ ｎ ｄ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ Ｉ ＧＢ Ｔ ａ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｇ ｙ ｈ ａ ｖ ｉ ｎ ｇ ｔ ｗ ｏ ｓ ｔ ｅ ｐ ｓ ｏ ｆ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｉ ｎ ｇ ｉ ｓ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ
ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｒ ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｒ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｉ ｎ ｇ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｏ ｐ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｒ ｍｕ ｌ ｔ ｉ －
基于RTDS的MMC-HVDC系统联调试验装置设计及验证
基于RTDS的MMC-HVDC系统联调试验装置设计及验证樊大帅;刘永成;滕林阳;李坤;宣佳卓【摘要】该文介绍了一种应用于柔性直流输电控制保护系统联调的试验装置,并将试验装置在RTDS实时仿真系统进行试验验证,对试验过程中出现的直流母线电压波动问题进行研究,提出在RTDS仿真系统内部对单相上下桥臂进行同步处理.试验结果验证,经过同步化处理,系统直流母线电压的波动现象消失,证明了试验装置设计的可行性,满足柔性直流输电控制保护系统的联调要求.%This paper introduces a test device applied for fully controller hardware-in-loop testing in MMC-HVDC system. It carried out a series of experimental verification with this decive based on RTDS system. During the experiment process,the DC voltage fluctuation was found. After investigation, It proposed to synchronize the single-phase upper and lower bridge arm in the RTDS system. It is proved that the DC bus voltage fluctuation disappeared after synchronization. So the device is proved fea-sible and useful.【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】5页(P122-126)【关键词】柔性直流输电;系统联调;RTDS仿真系统;电压波动【作者】樊大帅;刘永成;滕林阳;李坤;宣佳卓【作者单位】许继集团有限公司,河南许昌461000;许继集团有限公司,河南许昌461000;许继集团有限公司,河南许昌461000;许继集团有限公司,河南许昌461000;国网浙江省电力科学研究院,杭州310000【正文语种】中文【中图分类】TM721.10 引言柔性直流输电技术是一种基于电压源换流器的输电技术，通过对全控型开关器件的控制，实现有功功率和无功功率的独立调节[1-3]。
MMC在柔性直流输电中的应用-硕士论文
硕士学位论文题目: MMC在柔性直流输电中的应用研究生专业指导教师完成日期MMC在柔性直流输电中的应用研究生：指导教师：2016年12月论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日摘要模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)是一种具有较好发展前景的新型变换器拓扑结构，本文旨在通过对模块化多电平变换器及其在高压直流输电（MMC-HVDC）中的控制方法进行研究，提高变换器的可靠性。
本文首先对MMC的子模块拓扑结构进行分析，详细阐述了子模块的运行机理，并建立了变换器的数学模型。
介绍了两种预充电策略，并比较变换器常用的几种调制方式，对其各自的优缺点进行阐述。
其次，根据能量守恒原则对子模块电容电压和环流进行数学建模分析，给出了相应的控制器以减小电容电压波动和抑制环流谐波。
之后简要分析了MMC系统损耗的组成，给出了所占比重较大的开关损耗的计算方法，并对传统的电容电压排序算法进行优化，提出改进的排序算法，以达到减小开关频率和开关损耗的目的。
对控制方法进行仿真验证，证明控制方法的正确性。
再次，结合模块化多电平变换器自身特点，详细研究两端MMC-HVDC输电系统中系统控制层、换流站控制层、换流阀控制层中的控制策略。
本文对换流站控制层和换流阀控制层进行了详细讨论，给出相应的控制方法，并对各控制层中的控制方法进行了仿真验证，证明控制方法的有效性。
最后，设计和搭建了一台三相模块化五电平变换器，给出主要单元的原理图。
其中控制单元采用DSP和FPGA协同控制，给出了DSP与FPGA的功能框图与程序流程图。
在样机中加入换流站层控制器与换流阀层控制器，分别在本地负载和并网两种工况下进行实验，给出样机稳定运行时的实验波形，验证了所设计控制方法的可行性。
关键词：模块化多电平变换器；柔性直流输电；调制策略；电容电压均压控制；环流抑制ABSTRACTModular multilevel converter (MMC) is a relatively new and promising topology, which has gained a lot of interest in industry in the recent years due to its modularity, scalability, reliability. Its characteristic of modular design can easily adapted for applications that require different power and voltage levels, such as supplies for electric railways, static compensators (STATCOMs) and high-voltage direct current transmission (HVDC) . This dissertation aims to improve the reliability of this system by studying the control strategies of MMC and MMC-HVDC systems.First, the topology and the basic operating principles of Sub -Module(SM) are introduced. Then two control strategies for pre-charging of capacitors were analyzed. What’s more, this dissertation compared several modulation strategies that are commonly used in system, and describe d their advantages and disadvantages respectively.Second, the mathematic model for capacitor voltage-balancing and circulating current was analyzed based on the conservation of energy. According to the mathematic model, this paper put forward the corresponding control method and circulating current suppressing controller to reduce the voltage fluctuation and eliminate the inner balancing currents. Then make clear the loss composition of MMC system, and give a formula to calculate the switching losses which take a large percentage of total losses. By optimized the traditional capacitance voltage sorting algorithm, an improved sorting algorithm is put forward in order to reduce the switching frequency and switching losses. Then a simulation model was provided to realize and configure the control strategies.Third, combined with the characteristics of MMC, the thesis analyzed the control method in MMC based VSC-HVDC system. The control strategies were divided into system layer, converter layer and valve control layer in the HVDC system. The controllers and the system in the last two layers discussed in detail in the thesis, a simulation model was used to verify the feasibility of control strategies.Finally, a three-phase MMC experimental platform was built. The software and hardware design of the platform were elaborated. The control strategy discussed in this thesis was implemented on the platform. The experimental waveforms were presented and the validity of theoretical analysis were demonstrated.Keywords: Modular multilevel converter(MMC),VSC-HVDC, modulation strategy, capacitor voltage balance, circulating current suppression目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.2 电压源变换器拓扑结构 (3)1.3 模块化多电平变换器的应用 (5)1.4 论文的主要工作 (6)2 模块化多电平变换器（MMC）拓扑结构和运行原理 (8)2.1 模块化多电平变换器及子模块（sub module，SM）拓扑结构 (8)2.2 MMC子模块工作原理 (10)2.3 MMC的数学模型 (13)2.4 MMC预充电方案 (15)2.4.1 自励式充电 (15)2.4.2 它励式充电 (16)2.5本章小结 (16)3 MMC的调制方法与控制策略 (18)3.1 MMC的调制方法 (18)3.1.1 载波层叠调制 (18)3.1.2 载波相移调制 (19)3.1.3 最近电平逼近调制 (19)3.1.4 空间矢量调制 (20)3.2 电容电压平衡控制 (21)3.2.1 直接选择排序均压控制 (21)3.2.2 改进的排序均压控制 (23)3.2.3 独立均压控制 (24)3.2.4 仿真验证 (26)3.3 环流模型与环流控制策略 (28)3.3.1 环流数学模型 (28)3.3.2 环流谐波抑制策略 (32)3.3.3 仿真验证 (35)3.4 本章小结 (35)4 MMC在柔性直流输电（VSC-HVDC）中三相平衡控制策略 (36)4.1 MMC-HVDC系统控制基本原理 (36)4.2 MMC-HVDC的数学模型 (37)4.3 MMC-HVDC的控制策略 (38)4.3.1 内环控制器设计 (38)4.3.2 外环控制器设计 (39)4.4 仿真验证 (41)4.5 本章小结 (42)5 MMC分布式实验平台设计和实验结果 (43)5.1 硬件设计 (43)5.1.1 控制电路 (44)5.1.2 桥臂功率单元 (45)5.1.3 采样电路 (45)5.1.4 驱动电路 (46)5.2 程序设计 (46)5.2.1 DSP程序设计 (47)5.2.2 FPGA程序设计 (49)5.3 实验结果 (50)5.4 本章小结 (51)6 总结与展望 (53)6.1 总结 (53)6.2 展望 (54)参考文献 (55)致谢......................................................................................错误！未定义书签。
一种全桥型MMC-HVDC的启动方法[发明专利]
![一种全桥型MMC-HVDC的启动方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/9f544f9aa26925c52dc5bfd6.png)
专利名称：一种全桥型MMC-HVDC的启动方法专利类型：发明专利
发明人：陆翌
申请号：CN201210230874.7
申请日：20120704
公开号：CN102739030A
公开日：
20121017
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种全桥型MMC-HVDC的启动方法。
目前HB-MMC-HVDC的“两段式”启动方法不能直接应用于FB-MMC。
本发明采用的技术方案为：启动方法分为不控启动阶段和可控启动阶段；在不控启动阶段，通过控制子模块触发脉冲和串联限流电阻实现电容预充电并保证充电阶段不产生过流，不控启动阶段结束时将限流电阻短路；在可控启动阶段，利用全桥型MMC触发系统，通过定直流电压控制使直流电压上升至额定电压，完成启动过程。
本发明保证了全桥型MMC-HVDC在不控启动阶段实现电容从交流系统取能充电，同时避免了直流电缆承受巨大的电压变化率，在可控启动阶段使直流电压升至额定直流电压值。
申请人：浙江省电力试验研究院技术服务中心
地址：310014 浙江省杭州市下城区朝晖新村八小区
国籍：CN
代理机构：浙江翔隆专利事务所(普通合伙)
代理人：张建青
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MMC-HVDC系统的充电启动方案和现场试验庄志发;冉学彬;龙正兴;关宇洋;姚传涛【摘要】基于模块化多电平电压源型换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电(MMC-HVDC)系统的充电启动过程受到交流电网运行状态的影响.针对此问题,以两端系统为例,对MMC-HVDC系统结构和MMC功率模块充电控制原理进行分析,指出MMC-HVDC系统具有两种充电启动方案以及需要分阶段进行充电控制的原因.在此基础上,提出适用于有源或无源电网下的MMC-HVDC系统充电启动方案,通过控制功率模块绝缘栅双极型晶闸管的触发脉冲和利用有源侧换流器为无源侧充电等方法,实现MMC-HVDC系统的启动和无源电网的黑启动.现场试验结果验证了该方案的有效性.【期刊名称】《广东电力》【年(卷),期】2019(032)007【总页数】9页(P81-89)【关键词】充电;柔性直流输电;模块化多电平电压源型换流器;黑启动;不控充电;可控充电【作者】庄志发;冉学彬;龙正兴;关宇洋;姚传涛【作者单位】中国南方电网超高压输电公司天生桥局,贵州兴义562400;中国南方电网超高压输电公司天生桥局,贵州兴义562400;中国南方电网超高压输电公司天生桥局,贵州兴义562400;中国南方电网超高压输电公司天生桥局,贵州兴义562400;中国南方电网超高压输电公司天生桥局,贵州兴义562400【正文语种】中文【中图分类】TM721.1模块化多电平电压源型换流器(modular multilevel converter，MMC)采用模块化级联的方式组建，避免了对开关器件的直接串联，大大降低了制造及工程实现难度。
由MMC构成的柔性直流输电系统(MMC-HVDC)具有波形质量高、故障处理能力强、损耗低等优点，在直流电网建设中具有较为广泛的应用前景[1-3]。
目前，新建柔性直流输电工程多采用MMC拓扑结构。
由于所连交流电网运行状态的不同，如交流电网正常运行或故障全黑等情况，使得MMC-HVDC系统充电控制与实现过程成为不可回避的问题。
文献[4-5]的研究重点均放在柔性直流输电控制系统的设计方面，没有具体分析MMC的充电实施过程；文献[6-8]详细介绍了MMC换流器的典型充电启动和停机过程，但未进行充电细节分析，且没有考虑无源系统和电网故障情况下的黑启动模式充电问题；文献[9]主要研究基于鲁西背靠背MMC-HVDC系统的南方电网大网架下的黑启动方案，详细分析了启动的操作步骤和按百色与平果方向两种路径黑启动的可行性，没有研究柔性直流系统内部换流器、功率模块的充电过程以及正常方式下的充电策略。
本文针对因所连交流电网运行状态不同(如正常运行、故障全黑)带来的MMC-HVDC系统充电启动问题，进行等效建模、理论分析和公式推导，指出MMC-HVDC系统在交流电网运行状态差异情况下充电策略不同和需分阶段进行充电控制的原因，提出满足MMC-HVDC系统有源和无源充电启动的2种充电控制方案，并通过现场试验对方案的有效性进行验证。
1 MMC-HVDC系统结构两端或多端MMC-HVDC系统通过整流MMC和逆变MMC将各侧的交流电网联接起来，以较简单的MMC-HVDC系统为例，其构成类似于传统直流12脉动换流器双极对称接线的方式；只是因换流器件被模块化导致直流侧没有集中布置的电容器，故将接地点移至换流变压器的阀侧中性点处，以降低直流线路的对地绝缘水平[2]。
两端MMC-HVDC系统基本结构如图1所示。
图1 两端MMC-HVDC系统基本结构Fig.1 Basic structure of two -terminal MMC-HVDC system图1(a)中，K为旁路隔离开关，S为交流进线断路器，R为启动限流电阻的电阻值，Udc为直流额定电压。
正、负极直流线路之间，MMC的每个桥臂由N个功率模块和1个桥臂电抗器(电抗值为L0)串联组成，同相的上下2个桥臂构成1个相单元，两端或多端MMC的三个相单元及相应的启动回路、联接变压器、直流线路等共同构成1个两端或多端MMC-HVDC输电系统。
图1(b)为功率模块拓扑结构，其中T1、T2为绝缘栅双极型晶闸管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，D1、D2为反并联二极管，C0为直流电容的电容值，Uc为电容电压，ism为功率模块的输入电流，usm为功率模块两端电压。
2 MMC-HVDC系统充电控制MMC-HVDC系统充电的主要目标是建立额定直流电压和交流输出电压。
由MMC结构及功率模块工作原理[2]可知，额定直流电压的建立实质上是对MMC功率模块中直流电容器存储能量的过程，MMC上、下桥臂的功率模块电容电压之和构成MMC-HVDC系统的直流电压。
充电控制的目标是通过控制方式和辅助措施使功率模块直流电容的电压快速上升至接近额定工作电压，但又不产生过大的充电电流和过充电现象。
MMC-HVDC系统运行模式主要分为常规运行模式和黑启动模式。
常规模式用于正常的有功传输、无功支持等，黑启动模式用于为故障或无源的电网提供能量，使其逐步建立电压和额定频率。
对于常规模式，因MMC能够连到有源交流电网，故可以直接通过交流电网的能量为MMC功率模块电容器进行充电；对于黑启动模式，由于黑启动侧电网一般因故障停运或本身就是新建的无源系统，通过交流电网无法提供能量为MMC功率模块电容器充电，只能借助对端MMC功率模块储存的直流电能进行充电。
鉴于上述原因，MMC-HVDC系统的充电方案可以有2种选择，即通过交流电源直接为MMC充电的交流充电方案和通过有源侧MMC已建立的直流电势为无源侧MMC充电的直流充电方案。
3 两端MMC-HVDC系统充电启动方案当前工程中，MMC功率模块主要由IGBT器件、直流电容器、控制单元和高位取能电源构成。
其中，控制单元由单元控制板、采样触发板、IGBT驱动板等组成，用于功率模块电容电压、取能电源、IGBT状态监测以及IGBT器件的触发控制等。
控制单元的工作电源取自于由功率模块直流电容器供电的高位取能电源装置，在功率模块直流电容器储能达到高位取能电源额定工作电压(一般约为400 V)前，控制单元处于失能状态。
在这段时间内，MMC功率模块电容的充电由于缺乏监测、控制能力而无法进行控制。
基于上述限制，对MMC的充电，不论交流或直流充电方式，均需经历不控充电和可控充电2个阶段才能完成。
3.1 利用有源电网进行充电的交流充电方案该方案包含2个阶段：第1阶段是交流不控充电阶段，功率模块电容电压由0充电到不控充电的最大值Uc1；第2阶段为可控充电阶段，系统释放和控制IGBT器件的触发脉冲，在控制器作用下，功率模块电容电压由Uc1上升至额定工作值。
充电时序如图2所示。
图2 交流充电时序Fig.2 AC charging time-sequence chart3.1.1 交流不控充电阶段在交流不控充电阶段，封锁所有功率模块IGBT的触发信号，MMC通过功率模块中反并联的二极管构成1个三相不控整流电路对功率模块电容进行充电，其等效电路如图3所示。
在交流不控充电时，上、下桥臂各有一相处于充电状态，分别为交流相电压低的一相的上桥臂和相电压最高一相的下桥臂。
另外，在交流断路器合闸充电的瞬间，相当于在交流系统瞬时接入大量电容，会产生巨大的电流突变，为了限制启动初期过大的充电电流，防止损坏换流阀，启动初期在交流断路器和换流阀之间需串入限流电阻[2-3,6]，当充电到一定程度后再将限流电阻旁路，使电容电压能够继续上升至取能电源工作电压。
该阶段完成柔性直流单元从备用到闭锁的顺控指令。
图3 交流不控充电等效电路Fig.3 Equivalent circuit of AC uncontrolled charging在交流不控充电时，每一相的上桥臂或下桥臂中只有一个桥臂处于充电模式，另一个桥臂位于功率模块下侧的二极管处于导通状态等效于短路，因此桥臂电容充电的最大电压近似为交流侧电压的峰值忽略桥臂电抗器的压降，Us为换流器输入交流电压的有效值)，直流侧电压能够达到的最大值为该幅值小于直流电压的额定值[7]。
在交流不控充电阶段，功率模块电容电压与额定电压的关系为p=Uc/UcN.(1)式中：p为功率模块电容充电率；UcN为功率模块额定运行电压。
UcN=Udc/(N-M).(2)Uc=us/N.(3)式中：us为换流器输入交流电压；M为桥臂的冗余功率模块数。
在交流不控充电阶段，功率模块电容充电率p=(us/Udc)×(N-M)/N.(4)由式(4)可以看出，交流不控充电阶段功率模块电容电压并不能达到额定值。
以鲁西背靠背MMC-HVDC系统云南侧MMC交流不控充电为例，柔性直流额定电压为700 kV，桥臂功率模块总数为335个，冗余25个，MMC输入交流电压有效值为375 kV。
则在交流不控充电阶段，当桥臂电容电压充电到最大值时的电容充电率(335-25)/335=0.7.(5)在交流不控充电阶段，功率模块电容电压最大只能达到额定电压的0.7倍。
为了达到额定电压，还需要对功率模块继续充电。
3.1.2 交流可控充电阶段该阶段柔性直流换流器解锁，直流控制系统给阀控系统下发调制信号，对功率模块中的IGBT进行有策略的开通和关断，使功率模块有序地工作在投入与切除模式，从而使功率模块电容电压达到额定值，建立额定的直流电压。
3.2 利用有源侧MMC对无源侧MMC进行充电的直流充电方案在为无源交流系统供电或一侧交流电网故障恢复时，可通过有源侧MMC对无源侧MMC进行直流充电[8]。
充电过程包括3个阶段：直流不控充电阶段、直流可控充电阶段和解锁运行阶段。
充电时序如图4所示。
以鲁西背靠背MMC-HVDC 系统对云南电网黑启动为例进行分析。
图4 黑启动充电时序Fig.4 Black-start charging time-sequence chart3.2.1 直流不控充电阶段在云南电网黑启动模式下，云南侧换流器交流进线断路器断开，MMC进行直流充电。
该阶段，封锁云南侧MMC所有功率模块IGBT器件的触发脉冲，使三个相单元的上、下桥臂所有功率模块电容器通过反并联二极管进行直流不控充电，如图5所示。
无源侧MMC直流充电的前提是有源侧MMC输出直流电压的建立。
有源侧直流电压的建立过程，实质上就是有源侧MMC进行交流充电的过程。
对于云南电网黑启动，在广西侧MMC进行交流不控充电时，广西侧MMC的每个相单元中总有一个桥臂处于短路状态，另一个桥臂处于充电状态，而且随着充电交流电流方向的不断变化，处于短路和充电状态的桥臂交替变换，功率模块电容电压不断升高，直流电压也随之建立和不断提升。