裘 鵬，章姝俊，黃曉明，陸 翌，蘆明明

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 310000；3.許繼集團(tuán)，河南 許昌 461000)

0 引言

傳統(tǒng)的交流輸電與基于電流源換流器的直流輸電技術(shù)在城市電網(wǎng)擴(kuò)容與可再生能源并網(wǎng)等領(lǐng)域顯得既不經(jīng)濟(jì)又污染環(huán)境[1]。隨著高壓大功率全控型電力電子器件（IGBT，IGCT）的發(fā)展，基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)（VSC -HVDC）越來越得到工業(yè)界的重視[2-3]。作為電壓源換流器的一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）近年來在風(fēng)電并網(wǎng)、直流輸電等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到關(guān)注[4-6]。目前，世界上已經(jīng)投運(yùn)的基于MMC的工程有美國舊金山Trans Bay Cable工程和中國上海南匯風(fēng)電場柔性直流輸電示范工程[7-8]。

控制保護(hù)系統(tǒng)性能是MMC-HVDC的關(guān)鍵，它直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。當(dāng)前，國內(nèi)外對MMC的研究多集中在控制策略和系統(tǒng)建模仿真方面[9]，對于保護(hù)方面的研究也多關(guān)注在直流側(cè)的故障分析。相對于直流側(cè)的故障，交流側(cè)的故障對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性同樣有著不可忽略的影響。閥側(cè)交流母線與換流器直接相連，在發(fā)生故障時對換流器的危害要比網(wǎng)側(cè)故障更嚴(yán)重。本文對MMC-HVDC閥側(cè)交流母線單相接地故障特性進(jìn)行了重點分析，提出了針對性的保護(hù)策略，并通過RTDS實時仿真對故障特性和保護(hù)策略進(jìn)行了驗證，為基于MMC-HVDC工程的控制配合與保護(hù)設(shè)計提供參考。

1 MMC基本結(jié)構(gòu)與原理

三相模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，O點表示零電位參考點。一個換流器有6個橋臂，每個橋臂有一個電抗器L0和N個子模塊（SM）串聯(lián)而成，每一相的上下兩個橋臂合在一起稱為一個相單元。交流電抗器的作用除了抑制因各相橋臂直流電壓瞬時值不完全相等而造成的相間環(huán)流，同時還可有效地抑制故障時流過橋臂的沖擊電流，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)可以提高M(jìn)MC的故障穿越能力，通過對子模塊的冗余配置來進(jìn)行換流閥的故障保護(hù)[10-11]。

圖1 三相MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Three-phase topology of MMC

如圖1中SM子模塊所示：SM由上部絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)T1、上部二極管D1、下部IGBT T2、下部二極管D2及子模塊電容器組成，電容值由C0表示。換流器通過控制子模塊的投入/切除來擬合出期望的交流輸出電壓。三相調(diào)制波相差120°角，用以保證交流輸出電壓三相對稱。

每個SM子模塊有3種工作狀態(tài)和6種工作模式，如表1所示。其中0、1表示二極管或IGBT的關(guān)斷和開通，UC為電容器的電壓，USM為子模塊的輸出電壓，iSM為流入子模塊的電流。MMC通過各個子模塊的電容電壓來支撐直流母線的電壓。

表1 子模塊的3個工作狀態(tài)和6個工作模式Table 1 Three working status and six operating modes of sub-module

2 閥側(cè)交流母線故障

2.1 故障分類

閥側(cè)交流母線故障分為三相對稱故障和三相不對稱故障，故障示意圖如圖2所示。三相對稱故障包括閥側(cè)三相短路故障F1和閥側(cè)三相短路接地故障F2；三相不對稱故障包括單相接地故障F3、兩相短路故障F4和兩相短路接地故障F5。雖然閥側(cè)交流母線故障相對于網(wǎng)側(cè)交流母線故障發(fā)生的幾率較小，但由于此段母線直接與換流器相連接，故障發(fā)生時極易造成換流器過流、過壓等現(xiàn)象，對換流閥造成損壞，嚴(yán)重威脅了MMC-HVDC系統(tǒng)電力傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕时仨氈匾暋?/p>

圖2 閥側(cè)交流母線故障示意圖Fig.2 Schematic diagram of internal AC bus faults

MMC-HVDC一次系統(tǒng)在發(fā)生閥側(cè)三相不對稱故障后，分析故障特性的主要途徑是對零序電流回路和故障放電回路特性的分析。本文將重點分析單相接地故障時引起三相不對稱故障的特性，對其他不對稱故障不再贅述。閥側(cè)三相對稱故障的故障特性同直流側(cè)雙極短路故障的故障特性類似[12]，本文不做分析。

2.2 故障特性分析

本文中用到的雙端MMC-HVDC一次系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 閥側(cè)交流母線單相接地故障電流回路Fig.3 Current loop of single-phase to ground fault

為了避免網(wǎng)側(cè)故障時零序電流向閥側(cè)傳遞，聯(lián)結(jié)變壓器采用Y-N-d方式進(jìn)行連接。本文效仿Trans Bay Cable工程在閥側(cè)采用星型電抗構(gòu)造一個中性點，然后將中性點經(jīng)接地電阻接地。這種結(jié)構(gòu)當(dāng)閥側(cè)產(chǎn)生不對稱故障時，可以避免零序電流向網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)傳遞，并為直流線路提供了電位參考點，使其呈現(xiàn)出對稱的正、負(fù)極性。針對圖3中的雙端MMC-HVDC一次系統(tǒng)閥側(cè)單相接地故障，其故障特性分析如下：

1）由于接地電抗的阻抗值非常大，在MMC-HVDC閥側(cè)單相接地故障發(fā)生時，改變了直流系統(tǒng)的電位參考點。設(shè)正極線電壓為UP，負(fù)極線電壓為UN，在故障發(fā)生后，電位參考點由圖3中的①點變?yōu)棰邳c，此時正負(fù)極線電壓UP、UN出現(xiàn)正弦波動，但直流正負(fù)極間電壓Udc保持不變。

2）閥側(cè)交流母線故障相電壓下降到0。由于故障發(fā)生后故障相變?yōu)閰⒖键c，所以非故障相的相電壓變?yōu)閷收舷嗟木€電壓，非故障相電壓上升為1.732 pu。

3）故障電流通過接地電抗器構(gòu)成故障回路a，并向非故障站傳遞，同非故障站接地電抗器構(gòu)成故障回路b，使直流電流在故障后呈現(xiàn)正弦波動。

4）在故障發(fā)生后，會有零序電流流過接地電阻，并產(chǎn)生零序電壓。

總之，閥側(cè)單相接地故障并不影響MMCHVDC的功率傳輸，在故障發(fā)生后，若為暫時性故障，在線路絕緣允許的情況下可保持正常功率傳輸；若為永久性故障，應(yīng)當(dāng)立即閉鎖換流閥，跳開交流側(cè)斷路器。

3 單相接地故障仿真分析

3.1 仿真模型

本文依托舟山柔性直流輸電工程，在RTDS實時仿真平臺中搭建雙端MMC-HVDC仿真系統(tǒng)模型[13]。聯(lián)結(jié)變壓器、接地電抗器、橋臂電抗、IGBT、子模塊電容等的參數(shù)如表2所示。聯(lián)結(jié)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組采用星型接法，閥側(cè)繞組采用三角型接法，模型的一次系統(tǒng)主接線圖如圖3所示。本文采用MMC基于載波移相的正弦脈寬調(diào)制策略[14-15]，根據(jù)文獻(xiàn)[16-21]對子模塊電容電壓、橋臂環(huán)流以及閥側(cè)負(fù)序電壓進(jìn)行控制。

表2 MMC-HVDC模型參數(shù)設(shè)置Table 2 Model parameter of the MMC-HVDC

3.2 單相接地故障仿真

仿真模型運(yùn)行工況為：S1采用定有功功率、定無功功率控制方式；S2采用定直流電壓、定無功功率控制方式。直流電壓參考值為±200 kV，無功功率為0 Mvar，有功功率為300 MW。故障設(shè)置為S1閥側(cè)交流母線A相接地故障，如圖3所示。在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，0.4 s時刻觸發(fā)故障。MMC- HVDC系統(tǒng)的電壓、電流波形如圖4所示。

圖4 單相接地故障電壓、電流波形圖Fig.4 Waveforms for single-phase to ground fault

閥側(cè)A相接地故障發(fā)生后，引起閥側(cè)和直流側(cè)對地參考電位變化。如圖4（a）所示，閥側(cè)交流母線三相電流Iac1VofS1、Iac2VofS1、Iac3VofS1基本保持穩(wěn)定；如圖4（b）所示，閥側(cè)交流母線A相電壓Uac1VofS1降低為0，B、C兩相電壓Uac2VofS1、Uac3VofS1升高為故障前的1.732倍；如圖4（c）、圖4（d）所示，直流電流IdcPosofS1、IdcNegofS1出現(xiàn)小幅波動，浮動值在正負(fù)75 A；如圖3所示，直流側(cè)參考點O與閥側(cè)接地電抗器①點是等電位點，在故障發(fā)生后，由于零序電壓的存在，直流電壓UdcPosofS1、UdcNegofS1出現(xiàn)類似正弦波動，但正負(fù)極間直流電壓Udc_S1始終保持400 kV；如圖4（e）所示，S1、S2功率Pdc_S1、Pdc_S2保持穩(wěn)定在300 MW。

3.3 保護(hù)策略

結(jié)合以上仿真分析可知，MMC-HVDC系統(tǒng)在閥側(cè)單相接地故障期間，閥側(cè)交流母線及直流線路過流程度低，系統(tǒng)依然能夠正常進(jìn)行功率傳輸。但在故障后非故障相的電壓升高，直流電壓波動較大，并存在零序電流IVC_0流過接地電抗器。因此，本文采用接地電抗器零序過流與閥側(cè)交流母線電壓不平衡作為主要判據(jù)來實現(xiàn)閥側(cè)單相接地故障的保護(hù)配置，以接地過流保護(hù)作為主保護(hù)，閥側(cè)交流母線電壓不平衡作為后備保護(hù)。由于故障會通過接地電抗器同非故障站構(gòu)成故障回路，兩站保護(hù)均會動作，無法區(qū)分故障發(fā)生站，本文通過檢測閥側(cè)零序電流和接地電抗器上測點電流的差值來區(qū)分故障發(fā)生在哪個站。若差值為0，則故障發(fā)生在本站；若差值為1，則故障發(fā)生在對站。

當(dāng)MMC-HVDC系統(tǒng)發(fā)生暫時性閥側(cè)單相接地故障時，首先考慮交直流系統(tǒng)絕緣配合的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，通過合理設(shè)計換流器交流母線和直流線路的絕緣水平，以及避雷器的強(qiáng)度，避免故障的擴(kuò)大。其次通過調(diào)整相應(yīng)的交直流保護(hù)定值，最大限度地確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。若閥側(cè)單相接地故障為永久性故障，從保護(hù)換流閥的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)立即閉鎖換流閥，跳開交流母線斷路器，從而避免換流閥承受長時間的電壓過應(yīng)力的危害。單相接地故障保護(hù)出口邏輯框圖如圖5所示。

圖5 單相接地故障保護(hù)策略邏輯框圖Fig.5 Logic diagram of protection strategy

4 結(jié)論

本文從理論上對雙端MMC-HVDC系統(tǒng)的閥側(cè)交流母線單相接地故障的故障特性進(jìn)行了深入研究分析，利用RTDS實時仿真裝置對閥側(cè)交流母線單相接地故障進(jìn)行了仿真，得出以下結(jié)論：

（1）閥側(cè)交流母線單相接地故障發(fā)生后，由于MMC-HVDC系統(tǒng)的對地參考點的變化，使得閥側(cè)交流母線非故障相電壓上升為1.732倍，直流電壓出現(xiàn)類似正弦波動；但閥側(cè)交流母線電流與直流電流基本保持穩(wěn)定，交直流線路不承受任何過電流的影響。

（2）根據(jù)故障特性的分析結(jié)果，提出了針對單相接地故障的保護(hù)配置，并通過檢測閥側(cè)零序電流和接地電抗電流的差值來區(qū)分故障發(fā)生站。最后通過區(qū)分暫時性故障和永久性故障，設(shè)計了不同的保護(hù)出口。

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