鄭 濤 ，吳 丹 ，陸振綱 ，宋潔瑩

（1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102211）

0 引言

統(tǒng)一潮流控制器 UPFC（Unified Power Flow Controller）是高度可控的第三代靈活交流輸電系統(tǒng)FACTS（Flexible AC Transmission System）裝置，為實(shí)現(xiàn)對(duì)交流系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償而提出，作為控制電網(wǎng)狀態(tài)的有效手段，只需要改變其控制規(guī)律，就能分別或同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)線路潮流、并補(bǔ)、串補(bǔ)、移相、調(diào)壓等功能［1-2］?；谀K化多電平換流器 MMC（Modular Multilevel Converter）的 UPFC，采用子模塊級(jí)聯(lián)的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于模塊化程度高、顯著改善波形質(zhì)量、提高系統(tǒng)冗余度、更適用于高電壓大容量輸電而得到廣泛關(guān)注［3-10］。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究多集中于數(shù)學(xué)模型、控制器設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用等方面［11-21］，而對(duì)故障特性、保護(hù)配置尤其是接地設(shè)計(jì)對(duì)兩者的影響論述較少，對(duì)基于MMC的UPFC（MMC-UPFC）更是鮮有論述。文獻(xiàn)［4］討論了MMC-UPFC的3種典型交流側(cè)接地設(shè)計(jì)下閥側(cè)短引線單相接地及直流單極接地的故障特性，重點(diǎn)關(guān)注接地方式對(duì)故障特性的影響，提出接地設(shè)計(jì)的改進(jìn)建議，并未涉及保護(hù)動(dòng)作；文獻(xiàn)［9-10］討論了舟山柔性直流輸電系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)，主要關(guān)注接地方式對(duì)換流站內(nèi)避雷器設(shè)計(jì)及絕緣配合的影響；文獻(xiàn)［11］詳細(xì)討論了交流側(cè)大電抗接地方式下MMC-HVDC示范工程故障特性及主后備保護(hù)配置情況；文獻(xiàn)［12］分別以MMCHVDC系統(tǒng)直流側(cè)、換流器側(cè)、交流側(cè)接地故障為例，分析不同故障特性的影響并提出應(yīng)對(duì)策略。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文主要討論MMC-UPFC的不同接地方式對(duì)故障特性及保護(hù)配置方案的影響，彌補(bǔ)該方面的研究空白。首先介紹了MMCUPFC的本體結(jié)構(gòu)及接地設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上具體提出了僅并聯(lián)側(cè)變壓器（簡(jiǎn)稱并聯(lián)變）閥側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地、僅串聯(lián)側(cè)變壓器（簡(jiǎn)稱串聯(lián)變）閥側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地及僅并聯(lián)變閥側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地3種接地設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析串、并聯(lián)分別接地對(duì)串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)單相接地故障及相應(yīng)保護(hù)的影響、不同阻值接地電阻對(duì)閥側(cè)短引線差動(dòng)保護(hù)及橋臂差動(dòng)保護(hù)靈敏度影響；權(quán)衡不同接地方式下故障特性的優(yōu)劣及對(duì)保護(hù)配置的影響，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（RTDS）結(jié)果，給出MMC-UPFC示范工程的接地設(shè)計(jì)建議，為示范工程接地設(shè)計(jì)提供參考。

1 MMC-UPFC本體結(jié)構(gòu)及接地設(shè)計(jì)

1.1 MMC-UPFC本體結(jié)構(gòu)及保護(hù)配置

MMC-UPFC本體結(jié)構(gòu)及保護(hù)區(qū)域劃分如圖1所示。圖中，虛線框1為UPFC的T接線路保護(hù)區(qū)；虛線框2為變壓器網(wǎng)側(cè)保護(hù)區(qū)；虛線框3為變壓器保護(hù)區(qū)；虛線框4為變壓器閥側(cè)保護(hù)區(qū)；虛線框5為換流電抗器保護(hù)區(qū)；虛線框6為換流閥橋臂保護(hù)區(qū)；虛線框7為直流側(cè)保護(hù)區(qū)。串、并聯(lián)側(cè)換流器交流側(cè)通過變壓器與交流系統(tǒng)連接，直流側(cè)通過直流正負(fù)極母線構(gòu)成背靠背接線形式。在串聯(lián)變副邊繞組并聯(lián)晶閘管旁路開關(guān)，與閥控制保護(hù)中子模塊閉鎖保護(hù)配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)側(cè)換流器的可靠保護(hù)。

根據(jù)圖1，UPFC本體保護(hù)配置如表1所示。

圖1 UPFC本體結(jié)構(gòu)及保護(hù)分區(qū)Fig.1 Overall structure and protection divisions of UPFC

表1 本體保護(hù)配置方案Table 1 Protection configuration scheme of UPFC

1.2 接地設(shè)計(jì)

MMC-UPFC控制策略選用正負(fù)序電流解耦控制，并聯(lián)變網(wǎng)側(cè)為△型接線、閥側(cè)為Y型接線，串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)均采用Y型接線。具體仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters of simulation system

文獻(xiàn)［4］討論了MMC-UPFC交流側(cè)的3種接地方式，這3種接地方式均為串、并聯(lián)側(cè)采用相似的接地設(shè)計(jì)，實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)注意串、并聯(lián)側(cè)接地電阻的匹配，若阻抗不匹配則過電壓水平由較大的接地阻抗決定，造成絕緣投資浪費(fèi)，且串、并聯(lián)側(cè)同時(shí)接地，兩側(cè)零序形成通路，影響控制器設(shè)計(jì)［14］，故本文在文獻(xiàn)［4］的基礎(chǔ)上考慮串、并聯(lián)側(cè)單獨(dú)接地的方式，即并聯(lián)側(cè)單點(diǎn)接地和串聯(lián)側(cè)單點(diǎn)接地，再根據(jù)中性點(diǎn)接地電阻的大小分為大電阻接地和小電阻接地。根據(jù)實(shí)際工程，重點(diǎn)討論了并聯(lián)變閥側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)大電阻（200 Ω）接地、串聯(lián)變閥側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)大電阻（200Ω）接地和并聯(lián)變閥側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻（40Ω）接地這3種接地方式，依次簡(jiǎn)稱為方式1、方式2和方式3。本文首先明確接地點(diǎn)位置的影響，再考慮不同接地電阻阻值的影響。

2 串聯(lián)變、并聯(lián)變中性點(diǎn)接地方式的探討

2.1 串聯(lián)變、并聯(lián)變中性點(diǎn)分別接地對(duì)故障特性的影響

本文經(jīng)大量RTDS實(shí)驗(yàn)，對(duì)比僅方式1與方式2的故障波形，得出2種方式下的故障特性基本一致，僅串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)存在較大差別。以串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)A相接地故障（故障點(diǎn)k位置如圖1所示）為例，采用方式1、方式2時(shí)的故障波形分別如圖2、3所示。

采用方式1時(shí)的故障特性分析如下。

a.k點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于并聯(lián)變采用△-Y形接線、串聯(lián)變閥側(cè)和網(wǎng)側(cè)均采用Y形接線且不接地，串、并聯(lián)變閥側(cè)均不存在零序電流流通路徑，即無零序電流耦合至閥側(cè)。故障發(fā)生后，串聯(lián)側(cè)交流系統(tǒng)直接將電壓加在串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)繞組，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)繞組端電壓、閥側(cè)繞組端電壓增大，串聯(lián)變中性點(diǎn)電壓偏移，如圖2（a）、（b）所示，但這不影響串聯(lián)變閥側(cè)對(duì)地電壓（閥側(cè)對(duì)地電壓僅存在短暫過渡過程，且幅值波動(dòng)?。虼艘膊挥绊懼绷髡?、負(fù)極母線電壓，如圖2（c）、（d）所示。

b.故障點(diǎn)k點(diǎn)位于串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)220 kV直接接地系統(tǒng)，故障發(fā)生后，故障點(diǎn)電壓，即網(wǎng)側(cè)故障相電壓降為0，非故障相電壓保持不變，經(jīng)變壓器相位變換（Y側(cè)電壓與△側(cè)繞組電壓相位相同，考慮并聯(lián)變中性點(diǎn)電壓未發(fā)生偏移，閥側(cè)對(duì)地電壓僅與△側(cè)繞組電壓相差變壓器變比）后，閥側(cè)B相對(duì)地電壓不變，A、C相對(duì)地電壓降為原來的，如圖2（e）所示。

圖2 方式1下串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)k點(diǎn)單相接地故障波形Fig.2 Waveforms of single-phase grounding fault at grid-side point-k of series transformer in Mode 1

采用方式2時(shí)的故障特性分析如下。

a.k點(diǎn)發(fā)生單相接地故障，串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)繞組位于220 kV直接接地系統(tǒng)，存在零序電流流通，且由于閥側(cè)繞組中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，換流閥存在對(duì)地電容，零序電流耦合至閥側(cè)繞組，串聯(lián)變閥側(cè)中性點(diǎn)流過零序電流，產(chǎn)生零序電壓，即中性點(diǎn)電壓被接地電阻及零序電流箝位，如圖3（a）所示。

b.故障點(diǎn)k點(diǎn)右端交流系統(tǒng)提供的短路電流中正序分量小而零序分量大，因此串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)繞組兩端壓降呈現(xiàn)零序分量的性質(zhì)，三相電壓同相位且數(shù)值較大如圖4（b）所示。串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)繞組兩端壓降經(jīng)串聯(lián)變耦合至閥側(cè)后，閥側(cè)繞組兩端壓降加上中性點(diǎn)抬升的零序電壓，構(gòu)成閥側(cè)短引線對(duì)地電壓，呈現(xiàn)零序性質(zhì)，且波動(dòng)幅度大，如圖3（c）所示。

c.串聯(lián)變閥側(cè)短引線對(duì)地電壓出現(xiàn)大的零序電壓波動(dòng)，造成直流正、負(fù)極母線電壓及并聯(lián)變閥側(cè)短引線對(duì)地電壓的波動(dòng)，如圖3（d）、（e）所示。

2.2 串聯(lián)變、并聯(lián)變中性點(diǎn)分別接地對(duì)保護(hù)配置的影響

由以上分析可知，串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)發(fā)生單相接地故障，主要影響并聯(lián)變閥側(cè)短引線電壓、串聯(lián)變閥側(cè)短引線電壓及直流正、負(fù)極母線電壓，對(duì)各電流量基本無影響。而UPFC保護(hù)配置僅利用電流量構(gòu)成，即方式1與方式2對(duì)保護(hù)配置并無影響。但如圖3所示，采用方式2時(shí)，并聯(lián)變閥側(cè)短引線、串聯(lián)變閥側(cè)短引線嚴(yán)重過壓，直流正、負(fù)極母線電壓波動(dòng)明顯，嚴(yán)重危害絕緣，因此建議選用并聯(lián)變閥側(cè)接地的接地方式。

圖3 方式2串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)k點(diǎn)單相接地故障波形Fig.3 Waveforms of single-phase grounding fault at grid-side point-k of series transformer in Mode 2

3 并聯(lián)變接地情況下不同接地電阻阻值的影響分析

3.1 不同阻值接地電阻對(duì)故障特性的影響

本節(jié)重點(diǎn)討論改變并聯(lián)變中性點(diǎn)接地電阻阻值大小對(duì)故障特性及保護(hù)配置的影響，并對(duì)示范工程接地電阻阻值提出建議。

不同接地電阻阻值主要影響單相接地故障，以并聯(lián)變閥側(cè)短引線單相接地故障（故障點(diǎn)為圖1中的k1）及串聯(lián)側(cè)換流器橋臂閥底單相接地故障（故障點(diǎn)為圖1中的 k2）為例，故障特性如圖4、5所示。圖中，ivpac、uvpac分別為并聯(lián)閥側(cè)交流母線電流和并聯(lián)閥側(cè)交流母線電壓；uvsac為串聯(lián)閥側(cè)交流母線電壓；iD、iU分別為上橋臂閥底電流和上橋臂閥頂電流；ivs為串聯(lián)閥側(cè)短引線電流。

k1點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)的故障特性分析如下。

a.正常工況下運(yùn)行方式為：MMC1換流器工作在整流狀態(tài)，MMC2換流器工作在逆變狀態(tài)，能量由并聯(lián)側(cè)向串聯(lián)側(cè)傳遞。因此，k1點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流主要由并聯(lián)側(cè)交流系統(tǒng)提供，串聯(lián)側(cè)交流系統(tǒng)及換流器提供較少，即串聯(lián)側(cè)、換流器側(cè)不發(fā)生過流。

b.k1點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，采用方式1及方式3情況下的故障特性差異小。并聯(lián)變閥側(cè)短引線過流程度較低，不影響功率正常傳輸。

c.采用方式1、3時(shí)的故障特征均符合單相接地故障特點(diǎn)，即：故障相電壓降為0，中性點(diǎn)電壓偏移導(dǎo)致非故障相電壓升高為原來的倍，并引起直流正、負(fù)極母線電壓出現(xiàn)正弦波動(dòng)及串聯(lián)變閥側(cè)短引線電壓波動(dòng)，危及絕緣。

圖4 k1點(diǎn)單相接地故障波形Fig.4 Waveforms of single-phase grounding fault at point-k1

k2點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)的故障特性分析如下。

a.k2點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，經(jīng)過一個(gè)暫態(tài)過渡過程后，采用方式1、方式3均使得換流器橋臂電流呈增大趨勢(shì)，且隨時(shí)間呈發(fā)散狀。不同之處在于采用方式1時(shí)的過渡過程較長(zhǎng)，橋臂電流增大幅度小，而采用方式3時(shí)的暫態(tài)過程極短，橋臂電流迅速增大，對(duì)換流閥造成嚴(yán)重影響。

b.2種方式下串聯(lián)變閥側(cè)短引線過流程度均較低，但中性點(diǎn)電壓偏置均造成直流正、負(fù)極母線電壓波動(dòng)。

圖5 k2點(diǎn)單相接地故障波形Fig.5 Waveforms of single-phase grounding fault at point-k2

3.2 不同接地電阻對(duì)保護(hù)配置的影響

3.2.1 閥側(cè)短引線差動(dòng)保護(hù)

由以上分析可知，k1點(diǎn)發(fā)生單相接地故障僅可能影響并聯(lián)變閥側(cè)短引線差動(dòng)保護(hù)，對(duì)串聯(lián)側(cè)、換流器側(cè)保護(hù)無影響。

并聯(lián)變閥側(cè)短引線差動(dòng)保護(hù)采用常規(guī)工頻差動(dòng)保護(hù)，利用電流互感器TA3及TA′2的電流構(gòu)成判據(jù)，差動(dòng)電流及制動(dòng)電流為：

其中，ITA3、Id2分別為TA3、TA′2的電流。

發(fā)生閥側(cè)短引線單相接地故障時(shí)，采用方式1及方式3情況下的差動(dòng)電流及制動(dòng)電流波形如圖6所示。

圖6 發(fā)生閥側(cè)短引線單相接地故障時(shí)的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流波形Fig.6 Waveforms of differential and restraint currents during single-phase grounding fault of valve-side AC bus

由圖6可見，2種方式下的制動(dòng)電流均基本等于閥側(cè)短引線額定電流，而差動(dòng)電流值受接地電阻影響較大。由于兩側(cè)電流互感器不同型，受電流互感器誤差影響，差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)電流宜取0.2IN（IN為額定電流）以上。顯然采用方式1，即接地電阻為200 Ω時(shí)，差動(dòng)電流達(dá)不到差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)電流，即不能保證短引線差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。采用方式3時(shí)差動(dòng)電流大于差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)電流，保護(hù)可正確動(dòng)作。

3.2.2 換流閥橋臂差動(dòng)保護(hù)

橋臂差動(dòng)保護(hù)采用全波有效值差動(dòng)，利用三相橋臂閥頂、閥底電流互感器構(gòu)成，保護(hù)換流閥1/2橋臂，以串聯(lián)換流器上橋臂差動(dòng)為例，差動(dòng)電流及制動(dòng)電流為：

其中，Id7及Id9分別為橋臂閥頂電流互感器TA′7及橋臂閥底電流互感器TA′9電流。

發(fā)生串聯(lián)側(cè)換流器橋臂閥底單相接地故障，接地方式1及方式3差動(dòng)電流及制動(dòng)電流波形如圖7所示。

圖7 發(fā)生換流器橋臂單相接地故障時(shí)的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流波形Fig.7 Waveforms of differential and restraint currents during single-phase grounding fault of converter bridge-arm

橋臂差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)均采用：同型號(hào)的高精度光學(xué)原理電流互感器，差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)電流可選為0.1IN。采用方式1時(shí)的暫態(tài)過渡過程中，制動(dòng)電流減小，差動(dòng)電流較大，保護(hù)可正確動(dòng)作。采用方式3時(shí)，橋臂電流隨時(shí)間放射狀增大，即制動(dòng)電流增加，但差動(dòng)電流仍很大，可保證橋臂差動(dòng)保護(hù)的可靠動(dòng)作。

筆者經(jīng)過大量仿真實(shí)驗(yàn)，證明僅并聯(lián)變閥側(cè)短引線單相接地短路及并聯(lián)變閥側(cè)繞組單相接地短路情況下，采用方式1時(shí)，相應(yīng)主保護(hù)差動(dòng)保護(hù)不能滿足靈敏度要求，具體過程不再贅述。但如圖4所示，并聯(lián)變閥側(cè)短引線單相接地過流程度低，不影響功率的正常傳輸，可采用并聯(lián)變中性點(diǎn)零序電流保護(hù)短暫延時(shí)后切除故障。而采用方式3時(shí)，接地電阻阻值過小，導(dǎo)致單相接地故障短路電流大，易造成橋臂子模塊過流，不利于裝置安全。

綜上所述，建議采用方式1，即并聯(lián)變中性點(diǎn)經(jīng)大電阻（200 Ω）接地。

4 結(jié)論

本文論述了3種MMC-UPFC交流側(cè)接地方案，通過理論分析和仿真驗(yàn)證，重點(diǎn)分析接地點(diǎn)位置對(duì)串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)單相接地故障及對(duì)應(yīng)保護(hù)的影響，以及接地電阻阻值對(duì)閥側(cè)短引線單相接地故障、換流器橋臂單相接地故障及相應(yīng)保護(hù)的影響，得到如下結(jié)論。

a.采用串聯(lián)變中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地，串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，閥側(cè)存在零序電流流通回路，中性點(diǎn)流過零序電流，抬升中性點(diǎn)零序電壓，閥側(cè)對(duì)地電壓為中性點(diǎn)電壓疊加閥側(cè)繞組端電壓，導(dǎo)致閥側(cè)對(duì)地嚴(yán)重過壓。

b.接地電阻阻值較大時(shí)，發(fā)生并聯(lián)變閥側(cè)單相接地短路，閥側(cè)短引線差動(dòng)保護(hù)靈敏度可能不足。但閥側(cè)單相接地故障本身過流程度低，不影響功率的正常傳輸，可采用后備保護(hù)延時(shí)切除。

c.綜合理論分析與RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真驗(yàn)證可知，MMC-UPFC示范工程在現(xiàn)階段宜采用的接地方式為僅并聯(lián)變閥側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地。

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