王相飛，江 琴，趙靜波，李保宏，劉天琪

（1. 四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103）

0 引言

我國能源與負(fù)荷分布情況決定了在我國發(fā)展大容量、遠距離直流輸電技術(shù)的必要性，混合直流輸電由于結(jié)合了電網(wǎng)換相換流器型高壓直流輸電（LCC-HVDC）和模塊化多電平換流器型高壓直流輸電（MMC-HVDC）的優(yōu)勢［1-3］，成為當(dāng)下學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用的熱點。為緩解東部地區(qū)負(fù)荷壓力，降低多回直流同時發(fā)生換相失?。?］風(fēng)險，我國規(guī)劃建設(shè)白鶴灘—江蘇特高壓混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)［5］，擬采用送端LCC，受端高端LCC 與低端3 個并聯(lián)MMC 直接串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)±800 kV／8 000 MW 的功率傳輸，其中MMC 采用半橋子模塊。MMC 并聯(lián)組（MMCB）的存在使受端具有分散接入交流電網(wǎng)的條件，可形成滿足多負(fù)荷中心用電需求的多落點形式［6］。低端MMC 可作為靜止同步補償器（STATCOM）運行，為LCC提供一定的無功支撐，降低LCC換相失敗風(fēng)險。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)進行相關(guān)研究，取得了眾多成果。在故障穿越研究方面，由于遠距離、大容量直流輸電需要采用架空線，而架空線極易發(fā)生接地故障?；旌霞壜?lián)直流輸電系統(tǒng)由于受端高端為LCC，利用其單向通流特性，發(fā)生在直流線路上的接地故障，受端不會有電流饋入。文獻［7］詳細(xì)分析了受端LCC與電壓源換流器（VSC）串聯(lián)的混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)故障穿越能力和重啟動策略，通過整流側(cè)LCC強制移相，使LCC運行于逆變狀態(tài)，釋放直流側(cè)能量，該拓?fù)渚哂锌焖僮钄嘀绷鞴收想娏?，穿越直流故障的能力。文獻［6］提出的特高壓混合直流輸電拓?fù)渲?，與常規(guī)特高壓直流輸電工程類似，MMC 配置旁路開關(guān)，在MMC 交流故障穿越失敗或閥側(cè)故障時合閘旁路開關(guān)，一方面保證MMC 換流閥的安全，另一方面保留高端LCC 繼續(xù)運行。文獻［5，8］指出混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)發(fā)生直流故障時會產(chǎn)生MMC 不均衡電流的問題，文獻［5］詳細(xì)分析了不均衡電流的產(chǎn)生機理，并提出一種基于不平衡電流進行功率補償?shù)碾娏骶饪刂撇呗?。全橋子模塊或半橋、全橋混合子模塊具有良好的故障穿越性能，文獻［9-10］針對送端采用LCC 和受端采用全、半橋混合MMC（LCC-FHMMC）的混合直流輸電系統(tǒng)，提出了不同的送端交流故障穿越控制策略。文獻［11］針對LCC-FHMMC 混合直流輸電系統(tǒng)單極接地故障，提出一種基于基頻環(huán)流注入的能量平衡策略。盡管全橋或混合子模塊可以通過閉鎖或相應(yīng)的控制策略實現(xiàn)快速故障穿越，但全橋子模塊數(shù)量的增加大幅增大了投資成本，且使控制更加復(fù)雜。柔性直流電網(wǎng)故障穿越目前采用直流斷路器［12］實現(xiàn)故障線路快速切除，但由于白鶴灘混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)MMCB 不存在直流冗余線路，未形成直流電網(wǎng)，且直流斷路器造價昂貴，故直流斷路器并不適用于該工程。

目前白鶴灘混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)擬采用的保護方案［13］為可控避雷器配合快速旁路開關(guān)（BPS），主要針對MMC 過壓問題，故障期間積累在MMC 換流閥的盈余功率可能造成MMC過壓，甚至損壞MMC閥組。通過可控避雷器吸收盈余功率，限制MMC 過電壓問題；BPS 一方面用于實現(xiàn)運行方式的靈活轉(zhuǎn)換，另一方面在可控避雷器達到泄能極限時起保護可控避雷器作用。然而，可控避雷器與BPS 配合使用，仍無法解決可能出現(xiàn)的MMC 過流閉鎖問題，若僅依賴于器件自身過流裕度，一方面對器件制造工藝、成本提出更高要求，另一方面無法有效解決MMC直流單極接地故障產(chǎn)生的故障電流。因而，采用具有阻斷作用的故障限流器（FCL）成為一種可行的解決方案。

綜上所述，本文提出一種基于FCL 的混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)故障穿越方法，實現(xiàn)逆變側(cè)LCC 換相失敗和MMC 直流單極接地2 類故障的穿越。首先介紹了所提FCL 的拓?fù)浼肮ぷ髟?，分析了逆變?cè)LCC 換相失敗和MMC 直流單極接地故障引起MMC直流過流的機理，針對逆變側(cè)LCC 換相失敗引起的MMC 直流過流問題，通過接入FCL 中的限流電阻抑制過電流，防止MMC 閉鎖。針對MMC 直流單極接地故障引起的MMC 直流過流問題，F(xiàn)CL 表現(xiàn)為單向通流的晶閘管閥，阻斷MMC 子模塊電容對地放電電流，保護MMC 閥組。基于PSCAD／EMTDC 搭建了混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)仿真模型，驗證了所提FCL對2 類故障的良好穿越能力，仿真結(jié)果證明了所提FCL控制簡單，經(jīng)濟性好，具有較好的工程應(yīng)用價值。

1 混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浼翱刂品绞?/h2>

1.1 混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)送端為2組12脈動LCC串聯(lián)，受端由1 組12 脈動LCC 和MMCB 串聯(lián)構(gòu)成。送端和受端換流器分別通過各自換流變壓器與對應(yīng)的交流系統(tǒng)連接，送、受端LCC兩端配有直流濾波器，直流線路兩端配有平波電抗器，受端LCC 和MMCB 分散饋入不同交流系統(tǒng)。系統(tǒng)單極（正極）拓?fù)洌?］見附錄A圖A1。

1.2 混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)控制方式

混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)中，整流側(cè)LCC 采用定直流電流控制，并配有最小觸發(fā)角控制和低壓限流（VDCOL）控制。

逆變側(cè)高端LCC 采用定直流電壓控制，并配有定熄弧角控制和定電流控制作為后備控制［1］，與整流側(cè)LCC 類似，同樣具有最小觸發(fā)角控制和VDCOL控制，同時，為防止控制方式在兩者之間頻繁切換，配有電流偏差控制（CEC）。為防止控制方式在定直流電壓控制和定熄弧角控制之間頻繁切換，配有電壓偏差控制（VEC），VEC 環(huán)節(jié)以逆變側(cè)LCC 直流電壓給定值與實際直流電壓的偏差作為輸入，將輸出附加到定熄弧角控制，可使LCC 直流電壓快速降低至給定值，有助于控制方式間的平穩(wěn)切換。

逆變側(cè)低端MMC 控制則采用雙環(huán)dq解耦控制［2］。本文中MMCB 采用的控制方式為單點主從控制，即由1 個MMC 控制直流電壓，另外2 個MMC控制有功功率。混合級聯(lián)直流單極正常運行方式下，高端LCC 和低端定直流電壓控制MMC 各控制400 kV（0.5 p.u.）直流電壓，以實現(xiàn)800 kV／4000 MW功率傳輸。

系統(tǒng)各部分控制框圖見附錄A 圖A2。整流側(cè)和逆變側(cè)LCC 的伏安（V-I）特性曲線［14］如附錄A 圖A3 所示，其中各段線所表示的控制模式列于附錄A表A1 中。MMCB 由于采用單點主從控制，整體對外呈現(xiàn)定電壓控制特性?；旌霞壜?lián)直流輸電系統(tǒng)正常運行時工作在圖A3所示紅色運行點處，即處于整流側(cè)定電流、逆變側(cè)定電壓或者定熄弧角的控制方式，圖中Vd和Id分別為正常運行點下的直流電壓和直流電流。為避免整流側(cè)和逆變側(cè)的定電流控制同時作用，2 個定電流控制的參考值之間存在一個裕度Im，即電流裕度控制原則。

2 混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)2 類故障情況下MMC過流機理

2.1 受端LCC發(fā)生換相失敗故障

換相失敗是LCC 所具有的常見故障類型之一，可能由交流系統(tǒng)故障、控制系統(tǒng)故障等引起。系統(tǒng)正常運行時，逆變側(cè)高端LCC 和低端MMC 各控制400 kV 直流電壓，在逆變側(cè)高端LCC 發(fā)生換相失敗直通后，LCC直流電壓大幅度降低，嚴(yán)重時跌落為0，如附錄A 圖A4 所示。整流側(cè)直流電壓仍維持在800 kV附近，直流線路兩端承受巨大的電壓差，瞬間產(chǎn)生較大的過電流。

考慮晶閘管閥具有10 倍的過流裕度，過電流不會對逆變側(cè)高端LCC 晶閘管閥組造成損害，但MMC子模塊采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為換流元件，為防止IGBT 受損，通常保護系統(tǒng)檢測到MMC直流線路電流或IGBT 的電流達到2 倍額定電流［15］或電壓達到1.5倍額定電壓時，保護系統(tǒng)動作使子模塊閉鎖，功率傳輸中斷。

2.2 受端MMC發(fā)生直流單極接地故障

受端MMC 發(fā)生直流單極接地故障的示意圖如圖1 所示。由于MMCB 中MMC 間互為并聯(lián)關(guān)系，盡管故障f1—f4發(fā)生的線路位置有所不同，但故障特性基本相同。假設(shè)故障發(fā)生在f1處，以MMC1為例，其故障電流通路如附錄A 圖A5 所示。MMC1的a 相子模塊按圖A5紅色虛線所示路徑向故障點放電，即投入狀態(tài)子模塊電容經(jīng)IGBT（T1）放電，通過切除狀態(tài)子模塊的反并聯(lián)二極管（D02）完成通流，其余相故障電流通路類似，在此不再贅述。

圖1 MMC直流單極接地故障位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of positions of MMC DC monopole grounding fault

故障初期的暫態(tài)過程中，可以暫不考慮交流系統(tǒng)向大地饋入的電流，即故障電流由子模塊電容放電過程主導(dǎo)，在子模塊電容電壓均衡控制策略作用下，每相所有子模塊可以近似看作2 組N個子模塊交替放電，其中N為單個橋臂含有的子模塊個數(shù)。單個MMC 等效放電電路［16］如附錄A 圖A6 所示。放電回路等效電阻Req、電感Leq和電容Ceq的表達式分別見式（1）—（3）。

3 FCL拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

3.1 FCL拓?fù)?/h3>

本文所提FCL 拓?fù)淙鐖D2 所示。圖中，V1—V4為晶閘管閥組；D2—D4為二極管閥組；R1—R3為限流電阻；UC、iC分別為電容C電壓、流過電容C的電流，其正方向如圖2 所示；S1為普通斷路器；i1—i4為支路電流。FCL 輸入端與LCC 出口直流線路相連，輸出端與MMC 直流入口線路相連接，安裝位置如附錄C圖C1所示。

圖2 FCL拓?fù)銯ig.2 Topology of FCL

圖2 中，V3和V4作為系統(tǒng)正常運行時的通流支路，相較IGBT 閥組，選擇晶閘管閥具有更強的通流能力、更低的運行損耗和投資成本。D3和S1支路僅在系統(tǒng)啟動過程中使用，在啟動過程中與D4配合，以提供系統(tǒng)啟動過程中出現(xiàn)的反向電流通路，系統(tǒng)啟動完成后，D3和S1支路電流自動換流到V3和V4支路，待電流降至0 后打開S1。系統(tǒng)啟動過程和正常運行時，F(xiàn)CL的電流通路分別見附錄C圖C2（a）、（b）。

3.2 FCL工作原理

3.2.1 LCC發(fā)生換相失敗過電流抑制原理

當(dāng)逆變側(cè)高端LCC 發(fā)生換相失敗時，MMC 直流線路電流idc瞬時增大，為避免子模塊閉鎖，控制系統(tǒng)在idc上升到2 倍額定電流之前，給V1、V2施加觸發(fā)信號，由于V2一直承受大小為UC0（UC0為電容C電壓初始值）的正向電壓，故V2立即導(dǎo)通，電容C經(jīng)過R2、V2、D4構(gòu)成放電回路迅速放電，使流過V4的電流降低至0，如圖C3（a）所示。此后idc通過V3、C、R2、V2構(gòu)成通路為電容C反向充電，當(dāng)UC變?yōu)樨?fù)值時，V1因承受正向電壓而導(dǎo)通，電容C充電階段如圖C3（b）、（c）所示。電容C充電完成后，電容C所在支路相當(dāng)于開路，idc也完成從V3支路換流到R1、V1、R2、V2支路，R1為一阻值較大的限流電阻，以抑制直流故障電流，至此限流過程完成，如圖C3（d）所示。

3.2.2 換相失敗故障切除后恢復(fù)原理

FCL 可以幫助混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)穿越逆變側(cè)LCC 換相失敗故障，但系統(tǒng)不應(yīng)長時間運行于圖C3（d）所示的限流階段，否則會造成較大的功率損耗，此外限流電阻長時間運行造成的發(fā)熱問題不利于故障換流器的長期穩(wěn)定運行，應(yīng)當(dāng)設(shè)計合適的恢復(fù)控制策略。

混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)穿越逆變側(cè)LCC換相失敗故障后，控制系統(tǒng)經(jīng)過一定的時間延時，給V3、V4施加觸發(fā)信號，V4由于一直承受電容C的充電電壓UC而立即導(dǎo)通，電容C經(jīng)過V4、R3、D2、R2構(gòu)成放電回路，電容放電電流迅速使流經(jīng)V2的電流降低至0，如圖C4（a）所示。此后直流電流通過R1、V1、C、V4構(gòu)成回路為電容C充電，如圖C4（b）所示。電容電壓UC重新變?yōu)檎蚝螅琕3因承受正向電壓而重新導(dǎo)通，如圖C4（c）所示，當(dāng)電容C充電完成，電容C支路視為開路，直流電流全部通過V3、V4支路流通，至此，故障限流恢復(fù)過程完成，如圖C4（d）所示。

3.2.3 MMC直流單極接地過電流阻斷原理

由圖2 所示FCL 拓?fù)淇芍?，除啟動過程外，整個FCL 從外部可視為一個單向通流的二極管閥組，即直流電流僅可以從輸入端流向輸出端，而無法實現(xiàn)反向流通。

當(dāng)發(fā)生MMC 直流單極接地故障時，如附錄C 圖C5 所示，由于所設(shè)計FCL 的存在，子模塊電容無法形成放電回路，MMC 不會向故障點饋入故障電流，有效保護了IGBT 閥組，此時混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)可以通過合閘MMCB 并聯(lián)的旁路開關(guān)，將MMCB 旁路，通過整流側(cè)閥組的在線退出［17-19］，進入單極1/2運行狀態(tài)，維持一定的功率傳輸。

值得一提的是，除以上換相失敗或MMC 單極接地故障外，本文所提FCL 在其他故障工況下引起的過流問題也是適用的，限于篇幅，本文僅對以上2 種嚴(yán)重故障的抑制原理進行了分析。

3.3 FCL啟動判據(jù)與控制流程

3.3.1 FCL的啟動判據(jù)

白鶴灘—江蘇特高壓混合級聯(lián)直流單極額定電流為5 kA，逆變側(cè)低端由3 個MMC 共同承擔(dān)，單個MMC 額定運行時直流電流為1.67 kA。為防止IGBT閥組因過流而閉鎖，F(xiàn)CL 應(yīng)在MMC 直流線路電流或橋臂電流達2 倍額定電流時動作，且應(yīng)該以MMC 直流線路電流和閥臂電流中的較小值為基準(zhǔn)。當(dāng)忽略2倍頻環(huán)流及高次諧波時，MMC 上、下橋臂三相電流isj（s=p，n，分別表示上、下橋臂；j=a，b，c）可表示為：

式中：iac為交流側(cè)電流。

MMC橋臂額定電流Isj可表示為：

式中：Idc為MMC 直流線路額定電流；Iac為交流電流有效值。

正常運行時MMC橋臂電流isj滿足：

將式（4）和式（5）代入式（6），可得：

式（7）表明，即使直流線路電流idc已達到2 倍額定值時，橋臂電流isj仍滿足式（6）所示不等式條件，故應(yīng)以2 倍直流線路額定電流作為FCL 啟動閾值。

由于直流故障電流上升速度極快，考慮到通信、控制器等延時以及定直流電壓站MMC 和定有功功率站MMC 額定運行電流的差異，F(xiàn)CL 動作電流的應(yīng)留有一定裕度，設(shè)定FCL 啟動電流Iset為Idc的1.5 倍，即Iset=2.5 kA。

3.3.2 FCL控制流程

根據(jù)前述分析，當(dāng)MMC 直流線路電流達到Iset后，控制器應(yīng)立即給V1、V2發(fā)送觸發(fā)信號，故障電流得到抑制后，經(jīng)過一段時間的延時，控制器應(yīng)給V3、V4發(fā)送觸發(fā)信號，實現(xiàn)故障后的恢復(fù)過程。FCL 控制流程見附錄C圖C6。

3.4 FCL參數(shù)設(shè)計

MMC 直流線路電流達到Iset后，電容C放電需使流過V4的電流降至0，電容放電過程為RC 一階電路零輸入響應(yīng)，電容放電電流iC滿足：

為保證V4可靠關(guān)斷，iC初始值應(yīng)大于2 倍MMC額定直流電流，即：

同時考慮晶閘管關(guān)斷時間Δt為幾微秒，在關(guān)斷時間內(nèi)，iC應(yīng)滿足：

根據(jù)式（8）—（10），可確定電容初始電壓UC0、電容C和R2的取值，其中R2主要作用是限制電容放電電流大小，其取值不宜過大，否則抑制相同大小過電流需要更大的初始電容電壓，在本文中R2取5 Ω，由此可計算出UC0、C的取值。

對于定直流電壓站MMC，F(xiàn)CL 的限流電阻R1應(yīng)滿足：

式中：ΔU為LCC 直通后定直流電壓站MMC 與直流線路間的電壓差，取400 kV；Idc取1.67 kA。由此可計算定直流電壓站MMC所連接FCL的R1值，為保證故障過電流在3 個MMC 間均分，另外2 個定有功功率站MMC 所連接FCL 的R1值與定直流電壓站MMC相近。R3作用與R2類似，主要限制電容C正向放電電流，其取值比R2略大即可。綜上可得到FCL 內(nèi)部各參數(shù)。

3.5 電力電子器件應(yīng)力分析及電阻功率設(shè)計

以V1為例，在FCL 動作之前，V1一直承受來自電容C的反向電壓UC；在FCL限流階段，限流電阻R1投入之后，V1開始流過正向電流，但不超過2 倍額定直流電流；FCL 恢復(fù)完成后，V1重新承受來自電容C的反向電壓?？梢姡琕1在整個過程中承受的最大反向電壓為UC，最大直流電流不超過2 倍額定直流電流。V2、V3和V4應(yīng)力分析詳見附錄D。二極管閥D2、D3和D4在不導(dǎo)通時，僅可能承受來自其并聯(lián)晶閘管閥的前向?qū)▔航担鬟^電流不超過2 倍MMC 額定直流電流。

電容C在FCL 限流過程中先后經(jīng)歷正向放電和反向充電階段，在V4電流達到FCL 啟動判據(jù)電流Iset后，正向放電電流將V4關(guān)斷；而后經(jīng)歷反向充電階段，該階段直流線路電流通過V3給電容C充電，且流經(jīng)V3電流逐漸換流至R1和V1所在支路，因此較難表示出該過程電容充電電流的解析表達式，難以進而計算出電容C反向充電電壓UC。電容電流示意圖見附錄D圖D1，電容電壓值的估算詳見附錄D式（D1）。

晶閘管閥通流能力可達10 倍額定電流，因此本文不考慮晶閘管閥的額定電流，結(jié)合前述器件應(yīng)力分析并考慮一定裕量，若選取耐壓為4 kV、額定電流為3 kA的單個晶閘管，經(jīng)計算可得V1—V4所需單個晶閘管數(shù)量分別為20、20、65、42個。

電阻R1作為主限流電阻，在V1導(dǎo)通之后開始投入使用，流過R1的直流電流最大不超過2 倍MMC 額定直流電流，因此可以取2 倍MMC 額定直流電流作為流過電阻R1的直流電流最大值，電阻R1功率設(shè)計值PR1lim應(yīng)滿足：

電阻R2、R3功率設(shè)計值PR2lim、PR3lim計算方法與R1類似，綜上所述并考慮留有一定裕量，可得各電阻功率設(shè)計值分別為：PR1lim=2 000 MW，PR2lim=100 MW，PR3lim=220 MW。

4 仿真驗證

為驗證所提FCL對混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)故障穿越能力的提升效果，進一步分析FCL 在逆變側(cè)LCC 換相失敗故障下抑制過電流以及MMC 直流單極接地故障下阻斷子模塊放電電流的能力，在PSCAD／EMTDC 中搭建了如附錄A 圖A1 所示的混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)，其中MMC1和MMC2為定有功功率站，MMC3為定直流電壓站，MMC 無功控制方式均為定無功功率控制?；旌霞壜?lián)直流輸電系統(tǒng)仿真參數(shù)詳見附錄E表E1—E4，F(xiàn)CL參數(shù)見附錄E表E5，仿真過程中為了采集過電流波形，需保持MMCB 不閉鎖。本文僅分析故障持續(xù)時間為1 個周期的波形，限于文章篇幅，故障持續(xù)時間為5 個周期的相關(guān)波形分析詳見附錄F。

4.1 無FCL時故障波形

4.1.1 逆變側(cè)LCC換相失敗故障波形

設(shè)置逆變側(cè)LCC 交流母線在3 s 時發(fā)生單相直接接地故障，截取2.9～3.2 s 時間段內(nèi)各MMCB 直流電流、直流電壓，定有功功率站MMC1的a 相橋臂電流和定直流電壓站MMC3的a 相橋臂電流如圖3 所示。設(shè)置逆變側(cè)LCC 交流母線在3 s 時發(fā)生三相直接接地故障，同樣截取相關(guān)波形，故障相關(guān)波形詳見附錄G圖G1。

圖3 LCC交流母線單相直接接地故障波形Fig.3 Waveforms of single-phase grounding fault in LCC AC bus

圖3 和圖G1 中箭頭指向區(qū)域均為2 倍MMC 額定直流電流以上的過流區(qū)域，根據(jù)圖3（a）和圖G1（a），逆變側(cè)LCC 換相失敗故障會使MMC 直流電流迅速超過2 倍額定直流電流，實際工程中MMC 閥組將在保護控制作用下閉鎖，功率傳輸發(fā)生中斷。由圖3（b）和圖G1（b）可知，逆變側(cè)LCC 交流母線發(fā)生三相故障時，MMCB 直流電壓升高幅度更大，但均未超過1.5倍額定電壓。由圖3（c）、（d）和圖G1（c）、（d）可知，MMC直流線路電流達2倍額定電流時，橋臂電流均未過流，同時驗證了前述分析的正確性。

4.1.2 MMC直流單極接地故障波形

設(shè)置MMCB 直流線路3 s 時發(fā)生圖1 所示f1處直流單極接地故障，截取故障后10 ms 時間段內(nèi)的MMCB 直流電流、直流電壓，定有功功率站MMC 的a相橋臂電流和定直流電壓站MMC 的a 相橋臂電流波形見附錄G 圖G2。由圖G2（a）、（c）、（d）可知，MMCB 發(fā)生直流單極接地故障后，直流故障電流上升速度極快，單個MMC 直流故障電流達64 kA，MMC 橋臂電流峰值達32 kA，嚴(yán)重超過2 倍額定電流的過流裕度，對MMC 閥組控制保護系統(tǒng)提出極高的要求。MMC 直流電壓瞬間跌至0，如圖G2（b）所示，MMC直流功率傳輸中斷。

4.2 加入FCL后故障波形

4.2.1 LCC換相失敗過電流抑制及恢復(fù)波形

設(shè)置逆變側(cè)LCC 交流母線3 s 時發(fā)生單相直接接地故障，由4.1.1 節(jié)可知發(fā)生該故障時，MMC 橋臂電流未達到2 倍額定電流，因此不再給出橋臂電流波形。設(shè)置故障發(fā)生后經(jīng)200 ms 啟動FCL 恢復(fù)過程，MMCB 直流電流和電壓波形分別如圖4（a）、（b）所示，電容電壓和FCL 各支路電流波形如圖4（c）所示。

圖4 加入FCL后，LCC交流母線單相直接接地故障波形Fig.4 Waveforms of single-phase grounding fault in LCC AC bus with FCL

由圖4（a）、（b）可知，加入FCL后，故障發(fā)生后過電流得到有效抑制，恢復(fù)過程MMCB 直流電流未超過2 倍額定電流，MMCB 直流電壓較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)嚴(yán)重過電壓，系統(tǒng)可平穩(wěn)恢復(fù)到正常運行狀態(tài)。由圖4（c）可知，故障發(fā)生后，流過V3和V4的直流電流i3和i4迅速增大，控制系統(tǒng)檢測到MMC 直流電流（i3、i4）達到設(shè)定值Iset后，迅速觸發(fā)V1和V2，其中V2立即導(dǎo)通，電容電流iC增大，電容C迅速放電，電流i2由0開始迅速增大至與電流i4大小相等，略超過電流i4大小，電流i4在與之反向的電流i2作用下迅速跌落至0，此后V4關(guān)斷，電流i3給電容反向充電，電容具備一定反向電壓后，V1由于存在觸發(fā)信號而導(dǎo)通，流過V3電流i3和電容電流iC逐漸降低至0，R1、V1所在支路電流i1逐漸增大，完成直流線路電流從V3所在支路到R1、V1所在支路的換流過程，此后，MMC 直流電流逐漸轉(zhuǎn)移到V1、V2支路，完成限流過程。啟動故障恢復(fù)后，電容C反向放電，如圖4（c）所示，V4由于有觸發(fā)信號作用，且承受電容反向電壓而立即導(dǎo)通，流過V4的電流i4增大，電容電流iC反向增大，電流i2被降低至0，V2關(guān)斷，電容正向充電具備一定正向電壓后，V3由于存在觸發(fā)信號而導(dǎo)通，流過V3的電流i3逐漸增大，R1、V1所在支路電流i1逐漸減小，MMC 直流電流再次轉(zhuǎn)移回V3、V4支路，系統(tǒng)恢復(fù)到正常運行狀態(tài)。

設(shè)置逆變側(cè)LCC 交流母線3 s 時發(fā)生三相直接接地故障，MMCB直流電流和電壓波形分別如附錄G圖G3（a）、（b）所示，F(xiàn)CL 各支路電流波形如圖G3（c）所示。由圖G3（a）、（b）可知，逆變側(cè)LCC交流系統(tǒng)三相短路情況下，MMCB過電流同樣抑制到2倍額定電流以下，且MMCB 電壓未出現(xiàn)嚴(yán)重過電壓，圖G3（c）所示FCL各支路波形與前述類似，在此不再贅述。

LCC 交流單相故障情況下各電阻功率波形如附錄G 圖G4（a）所示，各電阻功率均在設(shè)計值允許范圍內(nèi)，其中電阻R1和R2在FCL 工作期間均產(chǎn)生功率，且R1功率較大，R2功率較小，R3僅在恢復(fù)過程中產(chǎn)生功率。電阻R1能量累積約為84 MJ，電阻R2能量累積約為4.5 MJ，電阻R3僅在恢復(fù)過程存在脈沖功率，其能量累積低于R1和R2。附錄G 圖G4（b）給出了三相故障情況下各電阻功率仿真波形，各電阻工作時均運行在合理功率區(qū)間，R1功率仍最大，R2功率相對較小，R3僅在恢復(fù)過程中產(chǎn)生功率。電阻R1和R2能量累積分別約為100 MJ和6.5 MJ。

4.2.2 MMC直流單極接地過電流阻斷波形

設(shè)置MMCB 直流線路3 s時發(fā)生單極接地故障，加入FCL 后相關(guān)波形如附錄G 圖G5 所示。由圖G5（a）、（c）、（d）可知，3 s故障發(fā)生后，MMC直流電流迅速跌落至0，橋臂電流也逐漸衰減至0，故障電流被FCL 阻斷，MMC 子模塊電容及交流系統(tǒng)均無法向故障點饋入電流，有效保護了MMC 閥組。由圖G5（b）所示MMCB 直流電壓可知，定直流電壓站MMC3電壓在故障瞬間有所跌落，故障切除后迅速恢復(fù)至定直流電壓控制，定有功功率站MMC1和MMC2電壓跌落至300 kV 附近，MMC 子模塊電容仍具備一定儲能，有助于混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運行。

5 結(jié)論

本文提出一種基于FCL的混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)故障穿越方法，基于PSCAD／EMTDC 搭建了混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)仿真模型，對有、無FCL情況下逆變側(cè)LCC 換相失敗故障和MMC 單極接地故障波形進行仿真對比，得到以下結(jié)論。

1）所提FCL 在逆變側(cè)LCC 發(fā)生換相失敗故障時，通過將限流電阻接入，有效抑制直流過電流，防止MMC 閉鎖，起到保護MMC 閥組，降低保護控制難度的作用，且恢復(fù)過程良好，有助于系統(tǒng)快速穿越故障。

2）所提FCL 在逆變側(cè)MMC 發(fā)生單極接地故障時，可自動阻斷子模塊電容放電通路，保護MMC 閥組，維持一定的子模塊電容儲能，有助于故障后系統(tǒng)的重新恢復(fù)?；旌霞壜?lián)直流輸電系統(tǒng)可通過整流側(cè)LCC 的12 脈動閥組在線退出進入單極1/2 運行狀態(tài)，保證一定的功率傳輸。

3）所提FCL 主要采用晶閘管閥和限流電阻，經(jīng)濟性強，且規(guī)避了高速、大容量直流斷路器研制問題和限流電感易造成的直流小擾動問題，具有較好的工程應(yīng)用價值。

4）所提FCL 暫未考慮保護電路，其與晶閘管并聯(lián)RC保護電路等的交互影響，可作為未來進一步研究內(nèi)容展開研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。