謝志德 楊明發(fā)

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

基于混合旁路MMC-HVDC直流故障隔離技術(shù)研究

謝志德 楊明發(fā)

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）在直流電網(wǎng)中具有較大的應(yīng)用潛力。當(dāng)前各類MMC拓?fù)渲?，半橋?MMC具有最佳經(jīng)濟(jì)效益，但缺乏直流故障清除能力。針對(duì)柔性直流架空線路頻發(fā)的瞬時(shí)性直流故障，本文提出了一種模塊化多電平混合旁路直流故障隔離方案。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，導(dǎo)通旁路晶閘管，利用避雷器去除橋臂剩余電流并用快速機(jī)械開關(guān)迅速隔離直流線路。混合旁路故障隔離方案能夠快速隔離換流站與直流線路，并可以在隔離后迅速起動(dòng)換流器做STATCOM運(yùn)行。通過(guò)在PSCAD/EMTDC建立雙端柔性直流輸電仿真模型。

模塊化多電平換流器（MMC）；混和旁路；雙極短路故障；就地保護(hù)；雙晶閘管子模塊

模塊化多電平柔性直流輸電技術(shù)（MMCHVDC）已成為一種新型的靈活輸電方式，適合于新能源并網(wǎng)、孤島供電、特大型城市電網(wǎng)輸配電、交流電網(wǎng)互聯(lián)等多種應(yīng)用場(chǎng)合[1-5]。目前已有的MMC柔直工程都使用半橋型模塊化多電平換流器，由于半橋型多電平換流器不具備直流故障隔離的能力，直流側(cè)發(fā)生故障只能依靠交流側(cè)交流斷路器清除故障，系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，所以實(shí)際工程中不得不選擇造價(jià)昂貴的電纜作為輸電介質(zhì)，電纜直流側(cè)發(fā)生故障必為永久性故障，必須停電檢修[6-8]。利用直流斷路器快速清除直流故障是最直接有效的手段，然而因?yàn)楣收想娏鳑]有自然過(guò)零點(diǎn)，滅弧困難，所以高壓、大容量的直流斷路器無(wú)在技術(shù)和成本上都面臨著巨大的挑戰(zhàn)[9]。2013年ABB公司提出一種320kV混合式高壓直流斷路器的設(shè)計(jì)方案，其斷開電流的時(shí)間為 5ms，開斷電流的大小為9kA[10]。但其開合電壓高，需串聯(lián)上百個(gè) IGBT管，控制復(fù)雜，價(jià)格昂貴，目前還沒有商業(yè)化應(yīng)用。

利用交流側(cè)的斷路器切斷直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的連接。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障將故障轉(zhuǎn)移到交流側(cè)時(shí)，使交流側(cè)的斷路器斷開，系統(tǒng)停止運(yùn)行，這也是目前柔性直流輸電工程所使用的保護(hù)方案。文獻(xiàn)[9]提出基于雙晶閘管半橋子模塊直流故障隔離方案，故障后通過(guò)導(dǎo)通雙晶閘管為交流提供通路，將直流故障轉(zhuǎn)換成交流側(cè)三相短路，從而阻止交流側(cè)電源向直流故障點(diǎn)繼續(xù)流入短路電流，讓直流線路的故障電流自然衰減到零。該方法對(duì)交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，且直流故障電流清除時(shí)間長(zhǎng)。本文將單晶閘管子模塊的晶閘管獨(dú)立串聯(lián)成一新的旁路橋臂，并結(jié)合混合高壓直流斷路器中采取避雷器吸收直流故障能量的方法，提出一種基于混合旁路直流故障快速隔離的方案，并分析了故障隔離機(jī)理。運(yùn)用文獻(xiàn)[11]提出的直流故障就地保護(hù)方案，快速檢測(cè)直流故障，并進(jìn)行快速隔離控制方案。最后基于PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明了該混合旁路故障隔離方案的可行性與在隔離速度上的快速性。

1 單晶閘管和雙晶閘管的直流故障處理方案

1.1 直流故障分析

柔性直流系統(tǒng)直流故障主要有3種，即單極接地故障、雙極短路故障和短線故障，其中雙極短路最為嚴(yán)重，因此本文主要根據(jù)雙極短路故障為例對(duì)直流故障隔離技術(shù)進(jìn)行研究。

為了保護(hù)子模塊的IGBT，檢測(cè)到直流故障后，IGBT迅速關(guān)斷，IGBT關(guān)斷后換流器內(nèi)部的續(xù)流二極管構(gòu)成一個(gè)不控整流橋，使交流側(cè)通過(guò)不控整流橋向直流側(cè)提供故障電流，如圖1所示。因此，系統(tǒng)直流側(cè)、交流側(cè)以及換流器內(nèi)的故障電流將長(zhǎng)期存在，因?yàn)楣收匣芈纷杩购苄。瑢?dǎo)致故障電流很大，所以必須采取措施實(shí)現(xiàn)故障線路的快速切除。

圖1 故障后不控整流階段等效電路

1.2 基于晶閘管的故障隔離策略

圖 2（a）、（b）分別為基于單晶閘管和基于雙晶閘管子模塊電路圖。對(duì)于單晶閘管主要目的是當(dāng)直流故障發(fā)生后，打開晶閘管以實(shí)現(xiàn)對(duì)半橋子模塊中二級(jí)管的分流，避免續(xù)流二極管的過(guò)流危害。該方法并不能阻止交流源給直流故障點(diǎn)提供故障電流，因此，從單晶閘管衍生出了雙晶閘管隔離方法（b），當(dāng)故障發(fā)生直流故障后交流電流通過(guò)兩個(gè)反向的晶閘管形成回路，由于換流器6個(gè)橋臂完全對(duì)稱，相當(dāng)于在換流器位置發(fā)生了三相短路故障，因此交流側(cè)也無(wú)法繼續(xù)向故障點(diǎn)注入電流。對(duì)于直流側(cè)，故障電流將由橋臂電抗器的續(xù)電流提供，最終自然衰減到零實(shí)現(xiàn)直流故障清除。

圖2 基于單晶閘管和雙晶閘管子模塊

2 基于混合旁路的直流故障隔離方案

2.1 故障隔離方案原理

根據(jù)晶閘管法存在的問(wèn)題，本文使用如圖3所示的混合旁路方案。其原理如圖 3（a）、（b）所示將原單晶閘管子模塊中的晶閘管獨(dú)立出來(lái)串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)由GTO串聯(lián)的晶閘管旁路橋臂，該橋臂只有在直流側(cè)發(fā)生故障才起作用，在旁路橋臂中加入限流電阻來(lái)限制故障電流。換流站出口處兩個(gè)串聯(lián)大電阻接地來(lái)構(gòu)造虛擬零電位，建立偽雙極柔直輸電系統(tǒng)。而在晶閘管橋臂與子模塊橋臂之間串一個(gè)混合開關(guān)，如圖3（c）所示?；旌祥_關(guān)由電力電子開關(guān)、避雷器和快速機(jī)械開關(guān)，利用混合開關(guān)上的避雷器來(lái)吸收旁路橋臂導(dǎo)通后子模塊橋臂上橋臂電抗器的剩余能量，使電流降為零，實(shí)現(xiàn)快速機(jī)械開關(guān)的零電流開斷。換流器正常運(yùn)行時(shí)，旁路橋臂閉合不起作用。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，迅速閉合子模塊中的IGBT，同時(shí)導(dǎo)通旁路橋臂的晶閘管，將故障電流迅速轉(zhuǎn)移至旁路橋臂電路，然后閉合混合開關(guān)上的IGBT，等電流下降到零時(shí)打開快速機(jī)械開關(guān)，隔離直流故障。機(jī)械開關(guān)打開后就可解鎖子模塊。

圖3 混合旁路故障隔離原理圖

2.2 直流故障隔離步驟

1）假設(shè)t0時(shí)直流側(cè)發(fā)生短路故障，根據(jù)就地保護(hù)方法，當(dāng)直流電壓達(dá)到3倍額定電流時(shí)判斷為發(fā)生直流故障，即t1時(shí)刻。t1時(shí)刻關(guān)閉MMC上所有的IGBT，同時(shí)使SRB上的晶閘管導(dǎo)通（導(dǎo)通角α =0°）。

2）間隔幾微秒（確保旁路橋臂上所有的晶閘管都觸發(fā)）t2時(shí)刻關(guān)閉混合開關(guān)上所有的IGBT。當(dāng)旁路橋臂完全導(dǎo)通后，子模塊橋臂和旁路橋臂兩端就形成了一個(gè)最小電壓差，這時(shí)候關(guān)斷混合開關(guān)的IGBT的損耗也更低。t2～t3這段時(shí)間利用避雷器將子模塊橋臂上電抗器的儲(chǔ)能清除，子模塊橋臂和旁路橋臂兩端的電流降為零，以實(shí)現(xiàn)快速機(jī)械開關(guān)零電流打開。

3）當(dāng)混合開關(guān)母線上電流降到零時(shí)，t3時(shí)刻給快速機(jī)械開關(guān)脫扣信號(hào)，實(shí)現(xiàn)零電流打開，快速機(jī)械開關(guān)打開時(shí)間為2ms[12]。

4）t4時(shí)刻快速機(jī)械開關(guān)處于打開狀態(tài)，關(guān)斷晶閘管的觸發(fā)信號(hào)去除故障電流。當(dāng)MMC與直流電路完全隔離后，子模塊橋臂可以立即重起來(lái)作為靜止無(wú)功補(bǔ)償器（STATCOM）給交流線路提供無(wú)功補(bǔ)償。

5）t5時(shí)刻故障短路電流降為0，開始重起系統(tǒng)。

3 仿真結(jié)果驗(yàn)證及分析

3.1 仿真系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)定

為了驗(yàn)證本文混合旁路直流故障隔離方案的可行性，在PSCAD/EMTDC中搭建了如圖4所示的雙端測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)見表 1。換流站 1采用定有功功率和無(wú)功功率控制，穩(wěn)定情況下向直流側(cè)輸出300MW的功率；換流站2采用定直流電壓和無(wú)功功率控制。兩個(gè)換流站之間通過(guò)架空線路相連其額定容量為300MWA。

圖4 雙端測(cè)試系統(tǒng)

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

3.2 雙晶閘管故障隔離方案仿真

該仿真換流站使用如圖2所示的基于雙晶閘管子模塊，圖5為仿真結(jié)果波形圖，圖5（a）為交流側(cè)電流，圖5（b）為直流側(cè)電流，圖5（c）為橋臂電流。其中，假設(shè)雙級(jí)金屬性故障發(fā)生t=4s時(shí)刻，故障持續(xù)故1s，故障點(diǎn)與換流站1的距離為10km。從圖中可以看出，故障發(fā)生后電流迅速上升，當(dāng)電流上升到3倍額定電壓，即t=4.00065s時(shí)刻關(guān)斷子模塊的 IGBT管同時(shí)觸發(fā)子模塊上的雙晶閘管阻止交流側(cè)繼續(xù)向直流側(cè)注入故障電流。由直流側(cè)電流可以看出，打開晶閘管后，故障電流開始緩慢下降直到t=4.15s時(shí)故障電流降為零為止。所以雙晶閘管法實(shí)現(xiàn)故障線路切除所需的時(shí)間為 150ms，這一速度無(wú)法滿足直流系統(tǒng)保護(hù)方案的要求。

圖5 雙晶閘管故障隔離仿真結(jié)果

3.3 混合旁路故障隔離方案仿真

圖6 混合旁路故障隔離仿真結(jié)果

圖6為使用混合旁路故障隔離技術(shù)方案各電流仿真波形。假設(shè)在t0=4s時(shí)，距換流站1出口10km處發(fā)生雙極短路故障。從圖中可以看出，故障發(fā)生后，故障電流快速上升，到達(dá) t1=4.0006s時(shí)刻直流電流達(dá)到額定電流的3倍，此時(shí)判斷為直流故障。所以，在t1=4.0006s時(shí)刻關(guān)斷所有子模塊上的IGBT，同時(shí)導(dǎo)通旁路晶閘管，延遲50μs后，即t2=4.00065s時(shí)刻閉合混合開關(guān)上的 IGBT，從圖 6（b）、（c）、（d）（e）、（f）可以看出導(dǎo)通旁路橋臂后，故障電流轉(zhuǎn)移到混合旁路，故障電流繼續(xù)增大。關(guān)斷混合開關(guān)后，從圖 6（d）、（e）可以看出子模塊橋臂電抗的電流由避雷器吸收開始下降，經(jīng)過(guò) 2.2ms后，即t3=4.00285s時(shí)子模塊橋臂電流全部降為零，此時(shí)混合開關(guān)快速機(jī)械開關(guān)上的電流為零，給快速機(jī)械開關(guān)出發(fā)信號(hào)。2ms后，即t4=4.00485s時(shí)快速機(jī)械開關(guān)完成打開動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了故障點(diǎn)與 MMC換流器的物理隔離。在t4=4.00485s時(shí)關(guān)閉旁路橋臂晶閘管的觸發(fā)信實(shí)現(xiàn)故障電流清除，由圖 6（b）、（c）、（f）可以看出故障到t5=4.0125s時(shí)，故障電流衰減到零。根據(jù)仿真可以得出實(shí)現(xiàn)直流故障隔離所需的時(shí)間為4.85ms。直流故障電流清除的時(shí)間為12.5ms。在雙極短路故障隔離具有快速性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于雙晶閘管故障清除的150ms。

3.4 故障隔離后換流站作STATCOM仿真

當(dāng) MMC換流器與直流故障實(shí)現(xiàn)物理隔離后（快速機(jī)械開關(guān)斷開后）就可換流站起動(dòng)做靜止無(wú)功補(bǔ)償器（STATCOM）運(yùn)行。將換流站1的定有功功率和定無(wú)功功率控制轉(zhuǎn)換成定直流電壓和定無(wú)功功率控制。由前文可知當(dāng)t=4.00485s時(shí)MMC換流站以實(shí)現(xiàn)與直流故障的物理隔離。所以在 t=4.010s時(shí)，將換流站1轉(zhuǎn)換成定直流電壓和定無(wú)功功率控制，轉(zhuǎn)流站2原來(lái)就是定直流電壓和定無(wú)功功率控制，額定直流電壓為 320kV，額定無(wú)功功率為 0。仿真波形如圖7所示。從圖7可以看出，MMC重起后電壓經(jīng)過(guò)短暫的振蕩后重新恢復(fù)到額定電壓。

圖7 MMC換流器重起作STATCOM運(yùn)行直流電壓

4 結(jié)論

MMC柔性直流輸電系統(tǒng)在出現(xiàn)直流故障后，鑒于換流器內(nèi)部續(xù)流二極管使故障電流長(zhǎng)期存在，必須采取相應(yīng)措施實(shí)現(xiàn)故障快速隔離。雙晶閘管經(jīng)濟(jì)性、損耗、控制復(fù)雜性具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其存在故障電流清除時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的不足。本文提出將單晶閘管法的晶閘管獨(dú)立串聯(lián)出來(lái)并加入混合開關(guān)來(lái)快速隔離直流故障。在PSCAD/EMTD內(nèi)建立雙端MMC直流模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐驗(yàn)證了混合旁路故障隔離方案在直流故障隔離具有可行性和快速性，該隔離方案能夠快速解鎖子模塊使換流站作STATCOM運(yùn)行?；诨旌吓月返膿Q流器在 MMC柔性直流輸電系統(tǒng)工程的應(yīng)用中具有應(yīng)用更少的開關(guān)元件及二極管器件能快速實(shí)現(xiàn)直流瞬時(shí)故障和永久故障隔離的優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)一步的降低投資成本。

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Reserch on the DC Fault Isolating Techique base on Hybrid Bypass in MMC-HVDC

Xie Zhide Yang Mingfa
(College of Electrical & Automation Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

Modular multilevel converter (MMC) with half-bridge sub-modules (SMs) is the most promising technology for high voltage direct current (HVDC) grids, but it lacks DC-fault clearance capability.Aiming at the frequent transient DC faults in flexible HVDC, the paper proposes a way of DC fault isolation based on hybrid bypass in MMC-HVDC. When DC-fault occurs, get the bypass thyristor connected, then remove the residual current of the bridge arm by virtue of arrester and isolate the DC line by a fast mechanical switch. Hybrid bypass DC-fault isolation scheme can isolate immediately the MMC and DC transmission line, and the MMC is capable of operating in STATCOM mode after fault isolation. A model of a two-terminal monopolar HVDC grid is developed in PSCAD/EMTDC.

modular multilevel converter (MMC); hybrid bypass; DC bipolar short-circuit fault;local action; DTSS

謝志德（1992-），男，福建省泉州市人，碩士研究生，研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娭绷鞴收媳Ｗo(hù)研究。