魏承志，史文博，文安

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，云南 昆明 650041)

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三端MMC-HVDC換流站直流母線雙極短路故障特性分析

魏承志1，史文博2，文安1

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，云南 昆明 650041)

對于柔性直流輸電系統(tǒng)的雙極短路故障問題，以三端基于模塊化多電平換流器的高壓柔性直流輸電(modular multilevel converter based high voltage direct current transmission，MMC-HVDC)為研究對象，闡述了MMC的工作原理及其直流母線主要故障類型，分析了換流器內(nèi)部直流母線雙極短路故障特性及短路電流計算方法，并搭建基于PSCAD的三端MMC-HVDC系統(tǒng)，對其直流母線故障進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)生直流母線雙極短路故障時，直流電壓驟降，直流側(cè)電流、交流側(cè)電流和橋臂電流激增，嚴(yán)重影響三端MMC-HVDC系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

柔性直流輸電；模塊化多電平換流器(MMC)；直流母線雙極短路

柔性直流輸電是基于電壓源型換流器(voltage sourced converters，VSC)和全控型器件絕緣柵雙極晶體管(insulate-gate bipolar transistor，IGBT)，以及脈寬調(diào)制技術(shù)(pulse-width modulation，PWM)的一種新型的高壓直流輸電(high-voltage direct current，HVDC)技術(shù)。與傳統(tǒng)直流輸電不同，柔性直流輸電技術(shù)能夠瞬時實現(xiàn)有功和無功的獨立解耦控制，能向無源網(wǎng)絡(luò)供電，換流站間無需通訊且易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)HVDC應(yīng)用的缺點，具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)具備易擴展和模塊化設(shè)計等特點，可以實現(xiàn)高電壓等級下的換流，是柔性直流輸電領(lǐng)域最受關(guān)注的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]。目前已有多個柔性直流輸電工程建成投產(chǎn)，但相關(guān)研究主要集中在其技術(shù)本身以及控制器，對于它的故障特性分析涉足較少。本文介紹了MMC的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并基于三端MMC-HVDC系統(tǒng)，對換流器內(nèi)部直流母線雙極短路故障進行仿真分析。

1　MMC基本結(jié)構(gòu)及工作原理

MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由德國學(xué)者R.Marquardt等人于2001年提出[3]，由模塊構(gòu)成的三相MMC結(jié)構(gòu)如圖1所示。MMC的基本單元是1個半橋變流單元，與鏈?zhǔn)阶兞髌鹘Y(jié)構(gòu)類似，多組變流單元被級聯(lián)在一起構(gòu)成1個換流橋臂，6組級聯(lián)換流橋臂組合在一起構(gòu)成三相變流器。

(a)MMC

(b)SMSM—子模塊(sub-module，SM)；U、V、W分別為交流系統(tǒng)三相；uSM、iSM分別為單個子模塊的電壓、電流；Udc—直流正負(fù)極間電壓；uao—交流系統(tǒng)U相電壓；n—子模塊數(shù)；C—子模塊電容；Uc—子模塊電容電壓；VT—VSC-IGBT的縮寫。圖1　MMC及其子模塊結(jié)構(gòu)

2　換流站內(nèi)部直流母線故障機制

柔性直流輸電系統(tǒng)的換流站主要包含MMC直流母線、交流母線(包含交流變壓器)及控制保護設(shè)備。直流母線故障一般是由于換流站內(nèi)部絕緣損壞引起，直流母線距離換流站很近，其放電回路對放電電流的阻尼非常小，故障后果非常嚴(yán)重[4]。

2.1直流母線故障類型

換流站內(nèi)部直流母線故障主要分為直流母線單級接地故障和直流母線雙極短路故障[5]。直流母線單級接地故障和雙極短路故障的故障點如圖2所示。直流母線雙極短路故障發(fā)生的概率較小，但它是MMC最嚴(yán)重的一類故障，其故障電流大小是換流器器件選型的重要依據(jù)，因此需要對其進行專門研究。

uas、ubs、ucs和ias、ibs、ics分別為交流系統(tǒng)等效相電壓和相電流；Req和Leq分別為交流系統(tǒng)等效電阻和電感；N—接地點；1、2及箭頭分別為直流母線單級接地和雙極短路時故障點及電流流向。圖2　MMC換流站直流母線短路故障

2.2直流母線雙極短路故障分析

以三端系統(tǒng)為例，其中一端直流母線發(fā)生雙極短路故障后故障電流流向如圖3所示，換流站內(nèi)各橋臂上的故障電流流向，取決于故障發(fā)生時刻的交流側(cè)相位和具體的電路參數(shù)。故障直流母線所在換流器側(cè)等效電路拓?fù)淙鐖D4所示。設(shè)Ls為變流器橋臂電感，各橋臂的所有二極管等效為不控整流器的橋臂；Lt為折算到換流器側(cè)的等效交流側(cè)電感，包含變壓器電感、交流濾波器電感等；Ld為直流濾波器電感；Rsh為直流等效電阻，直流母線故障時近似為零，忽略橋臂等效電阻[6-7]。

圖3　三端系統(tǒng)直流母線雙極短路故障電流流向

圖4　MMC在直流母線故障時的等效電路

交流系統(tǒng)通過三相不控整流器，在直流側(cè)形成直流短路電源，內(nèi)電勢記為Ud0，輸出電壓記為Ud，直流短路電流為Id。交流側(cè)電感Lt和橋臂電感Ls的作用類似，它們使橋臂電流不能突變，導(dǎo)致?lián)Q相不能瞬間完成，即出現(xiàn)了換相重疊現(xiàn)象[8]。換相重疊現(xiàn)象會使直流輸出電壓減小，但并不消耗能量，因此采用直流電壓內(nèi)阻Rd來等效這一過程。設(shè)故障時直流電流初值為Id0，直流短路電流的動態(tài)方程為

(1)

解得

(2)

式中：t是過渡過程時間參數(shù)；Id∞是t趨于無窮時的短路電流；時間常數(shù)τd=Ld/(Rd+Rsh)。

由于Id0≤Id∞，式(2)可以簡化為

(3)

由于三相不控整流器為電流源換流器，直流短路電流在很大程度上決定了變流器內(nèi)部的短路電流以及交流系統(tǒng)短路電流的大小，三者有著類似的動態(tài)過程。但是短路電流的具體幅值要取決于交流母線電壓、交流側(cè)系統(tǒng)內(nèi)阻抗、橋臂電抗和直流短路電阻等因素[9]。

(4)

式中：iabc(t)為交流系統(tǒng)三相短路電流；iabc∞為t趨于無窮時的交流系統(tǒng)三相短路電流；ibr(t)為直流橋臂短路電流；ibr∞為t趨于無窮時的直流橋臂短路電流。

(5)

以L2相為例，交流系統(tǒng)短路電流ib(t)、直流短路電流Idc(t)和兩橋臂短路電流ibp(t)、ibn(t)分別為：

(6)

3　故障仿真

為更加深入研究MMC-HVDC的故障特性，利用PSCAD搭建三端柔性直流輸電系統(tǒng)，如圖5所示，并以直流母線雙極短路故障為例進行故障仿真分析。

圖5　三端MMC-HVDC系統(tǒng)拓?fù)?/p>

系統(tǒng)容量為200 MVA，換流站1、2、3容量分別為200 MW、100 MW、50 MW。直流側(cè)額定電壓為±160 kV，MMC整流側(cè)交流電壓為166 kV。故障仿真時間t0=4.5 s時，換流站1直流母線出口發(fā)生金屬性永久性短路故障。仿真圖形如圖6和圖7所示。

由仿真圖6可見，直流母線雙極短路故障發(fā)生后，直流側(cè)總電壓驟然下跌，直流電流迅速抬升后，換流閥模塊電容儲存的能量通過故障回路釋放，直流電流逐漸下降。從圖7可見，三端交流系統(tǒng)電流均增大并發(fā)生嚴(yán)重畸變，由于故障發(fā)生在換流站1直流母線出口處，換流站1閥側(cè)故障電流達到最大。

4　結(jié)論

直流母線雙極短路故障的特征為直流電壓下降，直流側(cè)電流、交流側(cè)電流和橋臂電流激增，是正常值的數(shù)倍。在發(fā)生直流雙端短接故障后，直流側(cè)電流不會滅弧，隨著SM單元電容器的能量的釋放交流側(cè)電流衰減到一定值。由于直流母線故障多數(shù)為永久性故障且故障位置距離換流器很近，直流阻尼較小，故障后果非常嚴(yán)重，因此故障發(fā)生后需要立刻閉鎖換流器，跳開交流側(cè)斷路器，快速隔離故障。

(a)故障電壓

(b)故障電流圖6　直流母線短路時故障電壓和電流

(a)換流站1

(c)換流站3圖7　換流站閥側(cè)故障相間電流波形

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(編輯霍鵬)

Analysis on Characteristic of Bipolar Short-circuit Fault of DC Bus of Three-terminal MMC-HVDC Converter Station

WEI Chengzhi1, SHI Wenbo2, WEN An1

(1.Electric Power Research Institute of CSG, Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2. Yunnan Electric Power Dispatching Control Center, Kunming, Yunnan 650041, China)

In allusion to the problems of bipolar short-circuit fault of HVDC flexible system, this paper states working principles of modular multi-level converter (MMC) and the main fault types of DC bus by taking three-terminal MMC-HVDC for a research object. It analyzes characteristics of bipolar short-circuit fault of DC bus inside the converter and calculation method for short-circuit current. A three-terminal MMC-HVDC system for simulating on the fault is also established. Results indicate that when there is bipolar short-circuit fault happening to DC bus, DC voltage drops sharply and DC-side current AC-side current and arm current increase sharply, which seriously affect safe and stable operation of three-terminal MMC-HVDC.

HVDC flexible; modular multi-level converter (MMC); DC bus bipolar short-circuit fault

2016-04-12

2016-06-07

廣東省引進領(lǐng)軍人才專項基金(SEPRI-K131003)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.013

TM721.1；TM711.2

A

1007-290X(2016)09-0063-004

魏承志(1984)，男，福建三明人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事柔性直流輸電技術(shù)、電能質(zhì)量分析與控制等方面研究工作。

史文博(1986)，男，貴州銅仁人。助理工程師，工學(xué)碩士，主要從事電網(wǎng)調(diào)度控制運行工作。

文安(1965)，男，四川南部人。工學(xué)博士，主要從事電力系統(tǒng)保護、控制、生產(chǎn)運行、研究開發(fā)等方面的工作。