陸晶晶, 劉正富，張劍，袁敞，肖湘寧，楊用春

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 102206；2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州市510080)

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MMC型統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器故障分析及保護(hù)策略

陸晶晶1, 劉正富2，張劍1，袁敞1，肖湘寧1，楊用春1

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 102206；2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州市510080)

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引入統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(unified power quality conditioner, UPQC)，既能夠提高UPQC的容量又可以提高UPQC的電壓等級，從而擴(kuò)展了UPQC在中壓領(lǐng)域的應(yīng)用，使UPQC具有更加廣闊的適用前景。然而當(dāng)負(fù)載側(cè)出現(xiàn)短路故障時，如何合理地操作保證其安全可靠地運行，不僅是系統(tǒng)對裝置的要求，更是裝置保護(hù)自身的要求。針對上述情況提出了應(yīng)用于MMC型UPQC(MMC-UPQC)故障保護(hù)策略制定的原則，采用反并聯(lián)晶閘管支路與線路斷路器之間的動作配合，將串聯(lián)MMC與故障線路隔離開，最終實現(xiàn)有效保護(hù)裝置的目的。PSCAD/EMTDC環(huán)境下的仿真結(jié)果驗證了所提方法的有效性及可行性。

統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UPQC); 模塊化多電平換流器(MMC); 故障保護(hù); 斷路器; 反并聯(lián)晶閘管

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，各種非線性負(fù)荷及大規(guī)模電力電子器件的使用日益頻繁，帶來便利的同時也給系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題帶來了嚴(yán)重危機[1-4]。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(unified power quality conditioner, UPQC)作為一種能夠同時解決電壓型和電流型電能質(zhì)量問題的復(fù)合型裝置，憑借其串聯(lián)側(cè)及并聯(lián)側(cè)的換流器既可以解耦后獨立運行，又可以針對配電線路中同時存在電壓、電流問題時實現(xiàn)綜合補償?shù)奶攸c，在未來智能電網(wǎng)中電能質(zhì)量治理裝置的發(fā)展方面占據(jù)著重要地位[5-6]。將模塊化多電平變換器(modular multilevel converter，MMC)技術(shù)應(yīng)用于統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(即MMC-UPQC)，既可以提高UPQC的容量又可以提高UPQC的電壓等級，從而擴(kuò)展UPQC在中壓領(lǐng)域的使用，使得UPQC具有更加廣闊的應(yīng)用前景[7]。

目前，國內(nèi)外針對UPQC的探索還停留在實驗室樣機階段，而有關(guān)MMC-UPQC的研究也主要側(cè)重在啟動、檢測算法和協(xié)調(diào)控制運行等方面，對故障情況下MMC-UPQC的特性分析以及保護(hù)策略鮮有涉及。由于UPQC的串聯(lián)側(cè)MMC一般通過串聯(lián)耦合變壓器與線路相連，其二次側(cè)繞組不能開路，否則將會造成危險的高電壓燒毀設(shè)備。因此在配電系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時，串聯(lián)側(cè)換流器不能從二次側(cè)斷開，需要采取特殊的措施保護(hù)整個配電系統(tǒng)及設(shè)備。已有文獻(xiàn)如[8-9]針對負(fù)載側(cè)短路引起的過流問題，提出了通過串聯(lián)側(cè)換流器輸出與系統(tǒng)電壓反向的電壓，控制其對基頻分量電流呈現(xiàn)出高阻抗的特性，以限制故障電流的控制保護(hù)策略，文獻(xiàn)[10]則將該思路應(yīng)用于無隔離環(huán)節(jié)的三相UPQC。這種方法不需要附加額外的電路，但需要UPQC串聯(lián)耦合變壓器具有較大的容量，相對性價比不高。文獻(xiàn)[11-12]提出在串聯(lián)耦合變壓器二次側(cè)并聯(lián)壓敏電阻器及反并聯(lián)晶閘管支路以實現(xiàn)對UPQC的保護(hù)，但壓敏電阻器所能夠承受的功率和能量有限，且一旦公共連接點處發(fā)生電壓暫降可能導(dǎo)致晶閘管不能正常導(dǎo)通，從而造成故障情況保護(hù)無法正常動作。針對壓敏電阻器的上述局限性，文獻(xiàn)[13]提出了在串聯(lián)耦合變壓器一次側(cè)并聯(lián)電容，二次側(cè)并聯(lián)反并聯(lián)晶閘管的故障保護(hù)策略，但是由于通常情況下UPQC中串聯(lián)耦合變壓器一次側(cè)串接于系統(tǒng)與負(fù)載之間，此時一次側(cè)并聯(lián)電容的做法相當(dāng)于在系統(tǒng)中串入電容增加系統(tǒng)諧振點，可能造成系統(tǒng)在某些情況下發(fā)生諧振，從而引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

本文在上述已有文獻(xiàn)成果的基礎(chǔ)上，分析并提出MMC-UPQC故障保護(hù)策略的制定原則，將反并聯(lián)晶閘管并聯(lián)在串聯(lián)耦合變壓器的一次側(cè)，并通過在UPQC中加設(shè)的斷路器與線路斷路器之間的連鎖動作配合，在負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障的情況下，將UPQC與故障線路隔離，從而實現(xiàn)對UPQC的有效保護(hù)。采用PSCAD/EMTDC仿真軟件驗證提出方法的正確性與有效性。

1 MMC-UPQC基本工作原理

圖1所示為MMC-UPQC掛接于10 kV中壓配電網(wǎng)某條專用線路(配電專線)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，UPQC的主體部分由2個背靠背的MMC通過公共直流母線連接組成；串聯(lián)側(cè)MMC經(jīng)耦合變壓器與公共連接點(point of common coupling，PCC)相連；并聯(lián)側(cè)MMC則直接并接于耦合變壓器與負(fù)載之間；負(fù)載由非線性及線性負(fù)載并聯(lián)構(gòu)成。作為MMC-UPQC的重要組成部分，MMC結(jié)構(gòu)中每個橋臂分別由n個子模塊與橋臂電感Larm串接而成，每相上、下2個橋臂共同組成相單元。子模塊的結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，可通過脈寬調(diào)制信號控制絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的通斷，從而產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓：0電平和1電平，如圖2(b)所示。

在配電線路中UPQC的主要作用是將串聯(lián)側(cè)換流器控制成電壓源，提供電壓暫降、電壓諧波等問題的治理；將并聯(lián)側(cè)換流器控制成電流源，以補償負(fù)載中的無功、負(fù)序及諧波電流分量，并且維持公共直流母線電壓穩(wěn)定，最終確保系統(tǒng)僅需提供額定幅值的三相正序基波有功電流和電壓。正常情況下系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降后，根據(jù)圖1可得

圖1 MMC-UPQC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Main circuit topology structure of MMC-UPQC

圖2 MMC子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及輸出電平Fig.2 Sub-module topology structure and output voltage level of MMC

(1)

式中：uload、usag、uc分別為負(fù)載電壓、系統(tǒng)暫降電壓及UPQC補償電壓；is、ic、iload分別為系統(tǒng)電流、并聯(lián)側(cè)補償電流及負(fù)載電流；uPj、uNj分別為MMC各相上、下橋臂的等值受控電壓源電壓，由n個子模塊輸出電壓疊加而成，其中j分別取a、b、c。

2 負(fù)載短路故障分析及保護(hù)方案

2.1 負(fù)載短路故障情況分析

通常情況下，三相短路故障在電力系統(tǒng)中發(fā)生的概率較低，但是其所造成的危害卻較為嚴(yán)重，基于此，本文重點討論當(dāng)負(fù)載發(fā)生三相短路故障時對MMC-UPQC的保護(hù)。負(fù)載側(cè)三相短路接地，系統(tǒng)電壓全部由串聯(lián)耦合變壓器一次側(cè)繞組承擔(dān)，線路電流增大到原來的十幾倍，在大容量的系統(tǒng)中線路短路電流甚至可能達(dá)到幾十萬A，足以燒毀電氣設(shè)備，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。從圖1中可以看到，串聯(lián)耦合變壓器相當(dāng)于電流互感器接入系統(tǒng)中，如上所述，電流互感器的二次側(cè)繞組不能開路，因此不能單純依靠斷開二次側(cè)斷路器的方式對UPQC進(jìn)行故障保護(hù)。當(dāng)負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障時，根據(jù)實際工程的需要，本文提出了UPQC保護(hù)控制策略在設(shè)置時需要遵循如下幾個原則：

(1)UPQC的保護(hù)設(shè)置應(yīng)以保護(hù)負(fù)荷供電安全可靠為首要原則。無論是采取附加額外的故障保護(hù)電路的方式，還是通過串聯(lián)側(cè)換流器輸出反向電壓以減小故障電流，在不發(fā)生故障的情況下，都應(yīng)不影響配電系統(tǒng)對負(fù)荷的正常供電。

(2)UPQC的保護(hù)設(shè)置應(yīng)不影響變電站內(nèi)原有保護(hù)動作。如圖1所示，當(dāng)線路發(fā)生故障時，若未加裝UPQC保護(hù)裝置，應(yīng)是變電站供電斷路器正常分閘，斷開故障線路以保護(hù)電網(wǎng)的可靠穩(wěn)定運行。在系統(tǒng)加裝UPQC之后，由于耦合變壓器一次側(cè)串聯(lián)接入配電系統(tǒng)，若不采取恰當(dāng)?shù)拇胧┘右蕴幚?，勢必會影響到線路原有保護(hù)的作用。

(3)UPQC的保護(hù)設(shè)置應(yīng)能夠快速有效地保障整個裝置的安全。故障時，串聯(lián)側(cè)MMC不僅需要承受PCC點的額定電壓，同時與并聯(lián)側(cè)MMC一起通過公共直流母線的連接，為負(fù)載側(cè)較大的故障電流建立了通路，對整個裝置元器件的使用壽命和安全造成了危害。

2.2 MMC-UPQC故障保護(hù)策略

基于上述MMC-UPQC的故障保護(hù)設(shè)置原則，本文采用如圖1所示的保護(hù)配合電路。其中，反并聯(lián)晶閘管(silicon controlled rectifier，SCR)安裝在UPQC串聯(lián)耦合變壓器的一次側(cè)，裝置斷路器CB1至CB5分別安裝在串聯(lián)耦合變壓器與系統(tǒng)連接處、串聯(lián)耦合變壓器與負(fù)載連接處、串聯(lián)側(cè)MMC與耦合變壓器連接處、并聯(lián)側(cè)MMC與負(fù)載連接處以及串聯(lián)耦合變壓器一次側(cè)。通過線路斷路器CBs、裝置斷路器CB1～CB5以及反并聯(lián)晶閘管SCR之間的邏輯配合，以期最大可能地避免故障電流流過裝置，再經(jīng)線路原有保護(hù)的動作跳開故障負(fù)荷，避免對相鄰線路的正常供電造成影響。

故障保護(hù)策略流程如圖3所示，采用這種故障保護(hù)策略，當(dāng)負(fù)載側(cè)發(fā)生三相短路故障時，首先控制并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)的MMC所有子模塊閉鎖；SCR迅速閉合，旁路耦合變壓器；然后斷路器CB5合閘，斷路器CB1～CB4分閘，UPQC退出運行。本文中，考慮如上所述原則，在發(fā)生故障的情況下，若未加裝UPQC保護(hù)裝置，應(yīng)是線路斷路器CBs正常分閘，斷開故障線路以保護(hù)電網(wǎng)的可靠穩(wěn)定運行；配電線路加裝UPQC之后，為了保證故障情況下裝置的安全，斷路器CB5要先合閘，將UPQC耦合變壓器一次側(cè)旁路。此時線路上斷路器CBs與CB5同時處于閉合狀態(tài)，為了保證裝置加裝后其保護(hù)動作不會對線路的原有保護(hù)造成影響，斷路器CB5的分閘時間應(yīng)該設(shè)置在線路斷路器CBs的分閘時間之后，以避免CB5先分閘引起線路阻抗增大造成短路電流小于CBs故障電流整定值，從而造成CBs不動作無法隔離故障電路的情況。

圖3 故障保護(hù)策略流程圖Fig.3 Flowchart of fault protection strategy

斷路器的常開點和常閉點是一組狀態(tài)相反的開關(guān)，一個表現(xiàn)出常態(tài)開，一個表現(xiàn)出常態(tài)關(guān)。工程應(yīng)用中斷路器有的是常開接點，有的是既有常開接點，又有常閉接點，主要根據(jù)操作者的需要自行選擇如何連接。本文中設(shè)計的UPQC裝置保護(hù)電路中斷路器之間的連鎖動作關(guān)系如圖4所示。UPQC控制裝置斷路器輸出2對常開點分別串接于CB3斷路器和CB4斷路器的合閘回路中作為合閘允許，另一對常開點并接于CB5斷路器的跳閘回路中；CB5斷路器輸出4對常開點分別并接于CB1斷路器、CB2斷路器、CB3斷路器和CB4斷路器的跳閘回路中作為連鎖跳閘；CB4斷路器輸出1對常開點串接于CB2斷路器的合閘回路中作為合閘允許；CB2斷路器和CB3斷路器輸出1對(無源點)常開點串接于CB1斷路器的合閘回路中作為合閘允許；此外如果CB3斷路器和CB4斷路器中任一個斷路器因為故障而跳閘，需要CB3斷路器和CB4斷路器各輸出一對常閉點并接至CB5斷路器的合閘回路中，確保CB5斷路器能夠同時閉合。

圖4 故障保護(hù)動作邏輯示意圖Fig.4 Logic diagram of fault protection operation

3 仿真研究

為了驗證本文提出的MMC-UPQC故障保護(hù)控制方法的有效性，在PSCAD軟件環(huán)境下搭建了某10 kV配電專線裝設(shè)有4 MVA的MMC-UPQC仿真模型，負(fù)載側(cè)采用非線性諧波、無功及不對稱阻性負(fù)載，仿真部分參數(shù)如表1所示。仿真模型中UPQC裝置采用d、q坐標(biāo)變換方法檢測分離電壓、電流補償分量，采用d、q解耦控制方法形成調(diào)制參考信號，通過CPS-PWM對MMC子模塊IGBT進(jìn)行調(diào)制觸發(fā)以生成相應(yīng)的補償電流、電壓分量，調(diào)制比設(shè)置為0.9，調(diào)制頻率為2 500 Hz。

表1 10 kV配電專線及MMC-UPQC相關(guān)參數(shù)

Table 1 Relevant parameters of 10 kV

distribution line and MMC-UPQC

仿真設(shè)定0.8 s負(fù)荷側(cè)發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)時間為0.1 s。發(fā)生故障瞬間串、并聯(lián)側(cè)MMC迅速閉鎖子模塊，14 ms后反并聯(lián)晶閘管SCR快速動作旁路串聯(lián)耦合變壓器，60 ms后斷路器連鎖跳閘將UPQC全部退出運行。由于并聯(lián)側(cè)MMC并接于負(fù)載與系統(tǒng)之間，故障瞬間其交流出口側(cè)電壓為0，此時MMC子模塊全部閉鎖，并聯(lián)側(cè)MMC中無故障電流；串聯(lián)側(cè)故障期間的仿真結(jié)果如圖511所示。

圖5 串聯(lián)MMC交流出口側(cè)電流Fig.5 AC-side output current of MMC in series

圖6 串聯(lián)耦合變壓器一次側(cè)及二次側(cè)電壓Fig.6 Primary-side and secondary-side voltage of coupled transformer in series

圖7 串聯(lián)MMC上、下橋臂電流波形Fig.7 Upper and lower bridge arm current waveform of MMC in series

圖8 串聯(lián)MMC上、下橋臂子模塊電容電壓波形Fig.8 Sub-module capacitor voltage waveform of upper and lower bridge arm of MMC in series

圖9 公共直流母線電壓Fig.9 Common DC bus voltage

0.8 s發(fā)生故障后，故障電流流過耦合變壓器一次側(cè)從而在二次側(cè)感應(yīng)出過電流。如圖5所示，串聯(lián)MMC交流出口側(cè)各相電流ia、ib、ic增大至正常運行情況下的6～8倍。若不采取措施，耦合變壓器二次側(cè)需要承受過電壓，如圖6所示，其中uta1、utb1、utc1分別為串聯(lián)耦合變壓器一次側(cè)各相電壓，uta2、utb2、utc2分別為對應(yīng)的二次側(cè)電壓。0.814 s反并聯(lián)晶閘管SCR動作旁路耦合變壓器，同時由于串聯(lián)MMC子模塊閉鎖的作用，隨后串聯(lián)MMC交流側(cè)電壓、電流降為0。

圖7為串聯(lián)MMC上、下橋臂A相電流iPa、iNa，對應(yīng)的圖8為分別取該相上、下橋臂其中某一子模塊電容電壓Upa1、Una1的波形?？梢钥吹剑?.8 s發(fā)生故障之后，如果橋臂故障電流為正(本文規(guī)定圖2中以流過D1的方向為正)，子模塊電容即充電，電壓升高。若不采取本文的保護(hù)策略，子模塊電容電壓會在每一次故障電流正方向的時候充電，最終由于過高的電壓導(dǎo)致電容器損壞。采用本文的故障保護(hù)策略，在0.814 s一次側(cè)反并聯(lián)晶閘管SCR動作，將子模塊電壓箝位在第1次充電后的恒定狀態(tài)，因此公共直流母線電壓略有抬升。

4 結(jié) 論

本文以MMC-UPQC為研究對象，重點分析了負(fù)荷側(cè)短路故障時MMC-UPQC的故障保護(hù)原則，并提出了相應(yīng)的保護(hù)策略。PSCAD/EMTDC環(huán)境下的仿真研究及結(jié)果表明，所提出的故障保護(hù)策略能夠有效地避免系統(tǒng)故障過電流經(jīng)串聯(lián)耦合變壓器二次側(cè)對MMC-UPQC造成的損傷，同時串聯(lián)MMC子模塊電容電壓能夠被箝位在允許的范圍之內(nèi)，有效地避免了過電壓造成的電容擊穿問題。本文提出的斷路器連鎖配置對實際工程具有一定的指導(dǎo)意義。

致 謝

本文中實驗方案的制定是在榮信電力電子股份有限公司石華楷、呂亞東等工作人員以及廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院王浩等研究人員的大力支持下完成的，在此向他們表示衷心的感謝。

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(編輯：劉文瑩)

Failure Analysis and Protection Strategy for MMC-UPQC

LU Jingjing1, LIU Zhengfu2, ZHANG Jian1, YUAN Chang1,XIAO Xiangning1, YANG Yongchun1

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources of North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510080, China)

Applying the topology structure of modular multilevel converter (MMC) in unified power quality controller (UPQC) can improve the applicative capacity and voltage level of UPQC, which can expand the application of UPQC in medium voltage field, and make UPQC has wider application prospects. However, when the short-circuit fault occurs on the load side, how to logically operate to ensure the safe and reliable operation of UPQC, is not only the system requirement for the device, but also its own requirement for the device to protect itself. On this basis, this paper presents the principle of fault protection strategy for MMC-UPQC, which adopts the interaction between the branch of anti-parallel thyristor and circuit breaker to isolate the MMC in series from the fault line, and ensure the effective protection for the device. The simulation results in PSCAD/EMTDC environment have demonstrated the effectiveness and feasibility of the proposed method.

unified power quality conditioner (UPQC); modular multilevel converter (MMC); fault protection; circuit breaker; anti-parallel thyristor

“十二五”國家科技支撐計劃重大項目(2011BAA01B02); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(12QN37)。

TM 76

A

1000-7229(2015)05-0031-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.006

2014-12-30

2015-04-01

陸晶晶(1989)，女，博士研究生，主要研究方向為電能質(zhì)量治理、高壓直流輸電；

劉正富(1988)，男，助理工程師，主要研究方向為電能質(zhì)量、高壓直流輸電等；

張劍(1986)，男，博士，主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定、次同步振蕩等。

Project Supported by Key Project of the National Tewlfth-Five Year Research Program of China (2011BAA01B02)