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(duì)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(duì)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(jì)算方法，并搭建基于PSCAD的三端MMC-HVDC系統(tǒng)，對(duì)其直流母線故障進(jìn)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(shí)，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(yùn)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(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無功的獨(dú)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(diǎn)，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(kuò)展和模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高電壓等級(jí)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(gè)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(duì)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(duì)換流器內(nèi)部直流母線雙極短路故障進(jìn)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(guó)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(gè)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(jí)聯(lián)在一起構(gòu)成1個(gè)換流橋臂，6組級(jí)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(gè)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(jī)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(hù)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(duì)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(jí)接地故障和直流母線雙極短路故障[5]。直流母線單級(jí)接地故障和雙極短路故障的故障點(diǎn)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(duì)其進(jìn)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(diǎn)；1、2及箭頭分別為直流母線單級(jí)接地和雙極短路時(shí)故障點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shì)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(huì)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(shí)直流電流初值為Id0，直流短路電流的動(dòng)態(tài)方程為

(1)

解得

(2)

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

由于Id0≤Id∞，式(2)可以簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)間t0=4.5 s時(shí)，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(chǔ)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(dá)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(huì)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(shí)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(jìn)領(lǐng)軍人才專項(xiàng)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(yùn)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(hù)、控制、生產(chǎn)運(yùn)行、研究開發(fā)等方面的工作。