韓 笑，汪繆凡

（南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）應(yīng)用于電力系統(tǒng)多種場合。目前，在柔性直流電網(wǎng)中應(yīng)用的MMC主要有2種：一種是半橋子模塊MMC（half bridge based MMC，HBMMC），其優(yōu)點(diǎn)是電力電子器件需求量較少、經(jīng)濟(jì)性較好；但在故障時，換流器本身無法對其清除。另一種是全橋子模塊 MMC（full bridge based MMC，F(xiàn)BMMC），其優(yōu)點(diǎn)是可通過控制策略實現(xiàn)故障自清除；但是，其成本較高，所以難以大規(guī)模推廣。相關(guān)文獻(xiàn)將二者結(jié)合使用，構(gòu)成混合式MMC，在實現(xiàn)故障自清除的同時達(dá)到了控制成本的目標(biāo)[1]。

在采用HBMMC的柔性直流配電網(wǎng)中，為切斷故障電流，通常需要閉鎖換流器[2]。在換流器閉鎖后，相關(guān)設(shè)備重啟過程復(fù)雜且需要一定時間，這會造成該區(qū)域短時停電[3]。另外，半橋型換流器閉鎖后，交流側(cè)的饋入將流過續(xù)流二極管，從而導(dǎo)致短路電流仍然存在[4]。

我國柔性直流電網(wǎng)的接地方式一般選用鉗位電阻接地。這種接地方式雖然可靠性高，但在故障時短路電流小、故障特征不明顯。同時，由于配電線路本身長度有限，暫態(tài)特征持續(xù)時間短[5]。所以，利用正負(fù)極暫態(tài)電流突變方向差異識別故障的方案難以保證其可靠性。在這種情形下，用暫態(tài)量識別故障，對保護(hù)裝置的性能要求極高。

近年來，主動探測式的保護(hù)方案逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。有別于被動式保護(hù)，主動式保護(hù)通過主動注入信號的方法實現(xiàn)故障的識別，而不再依賴于故障時短暫的暫態(tài)信息。文獻(xiàn)[6]在線路首端串聯(lián)接入 LC注入裝置，實現(xiàn)了信號的主動注入；但該方法需要在系統(tǒng)中增加附加裝置，且只能進(jìn)行離線檢測。

全橋型 MMC系統(tǒng)可輸出負(fù)電平，其在故障期間可實現(xiàn)故障穿越，從而保證了交流側(cè)的無功功率傳輸。該系統(tǒng)輸出的電流、電壓，可通過投入、切除子模塊來進(jìn)行控制；這為實現(xiàn)探測信號的注入提供了基礎(chǔ)，且無需增加附加裝置。

基于全橋型MMC的探測式保護(hù)，在交直流混連電網(wǎng)中已取得良好的應(yīng)用效果[7]。該方法的核心在于結(jié)合全橋型 MMC中電力電子器件的高可控性，利用其本身具有的電力電子設(shè)備向故障網(wǎng)絡(luò)中注入探測信號來強(qiáng)化特征，進(jìn)而使保護(hù)更為可靠、靈敏。目前該類研究主要集中在高壓、超高壓交直流混連系統(tǒng)中。在中低壓的配電網(wǎng)中，可控的電力電子器件比例相對更高，且探測信號所需的能量、功率也相對較小，對系統(tǒng)的影響更小[8]。

本文研究方法：利用全橋型MMC，從一端主動向故障線路注入探測信號；根據(jù)對端檢測到特征電流信號的幅值特性來區(qū)分故障類型。該信號可多次注入，從而解決了傳統(tǒng)保護(hù)由于暫態(tài)特征持續(xù)時間短而造成的可靠性低的問題。應(yīng)用該方法時無需附加裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)維持不變。

1 故障識別策略

針對傳統(tǒng)保護(hù)原理的局限性，本文結(jié)合FBMMC，提出基于單端量的故障性質(zhì)識別策略：以兩端系統(tǒng)為例，當(dāng)直流主線路發(fā)生故障時，系統(tǒng)檢測到電流、電壓量突變；為保證電力電子器件不受損，兩端進(jìn)入故障限流控制模式。當(dāng)將直流線路故障電流限制到一個較低的值后，如圖 1所示注入信號。此時，一端保持故障限流控制模式，另一端切換為主動注入信號模式。

圖1 信號注入時序圖Fig.1 Signal injection timing diagram

信號注入端可以事先約定。本文以m端作為信號注入端。通過改變輸出直流電流、電壓的參考值，向線路注入信號。注入電流信號經(jīng)故障點(diǎn)分流，在對端（非信號注入端）體現(xiàn)的幅值因故障性質(zhì)不同而發(fā)生差異；以此特征來區(qū)分故障類型。所以，故障類型的判斷僅需通過采集對端電流信號幅值即可實現(xiàn)。

1.1 信號注入控制策略

半橋子模塊的換流器（HBMMC）只有正投入與切除 2個狀態(tài)。在這 2個狀態(tài)的基礎(chǔ)上，采用全橋子模塊的換流器（FBMMC）。全橋子模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。故障控制模型框圖如圖3所示。

圖2 全橋子模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of full bridge sub-module

圖3 故障控制框圖Fig.3 Fault control block diagram

圖2中，在注入信號時，VT3一直導(dǎo)通，VT4一直關(guān)斷?？刂芕T1關(guān)斷，VT2導(dǎo)通，F(xiàn)BSM輸出電平為–Uc；控制VT1導(dǎo)通、VT2關(guān)斷，F(xiàn)BSM可輸出零電平[9]。

（1）直流側(cè)故障時，不閉鎖換流器，開始故障限流。采用定電流控制，可將直流側(cè)故障電流控制到一個較低的值。

圖4 故障限流控制框圖Fig.4 Fault current limiting control block diagram

（2）當(dāng)直流側(cè)故障電流降低到規(guī)定范圍內(nèi)后，開始向直流側(cè)注入特征信號，將電壓參考值設(shè)定為。

上、下橋臂的參考電壓Vref,p、Vref,n可表示為：

上、下橋臂投入子模塊數(shù)量為：

式中：Usm為單個子模塊的額定電壓；下標(biāo) p、n分別表示正極、負(fù)極。換流器等效輸出的橋臂子模總數(shù)為N=np+nn。

故障限流控制方式如圖4所示。由于對端換流器保持故障限流策略，所以信號在經(jīng)過電流、電壓傳感器以及閥、極控制器最終到達(dá)保護(hù)裝置時會有延時。在延時期間，控制器不會對外界注入信號有新的反饋，但在延遲后仍會對對端的注入信號進(jìn)行限流控制：這可能會導(dǎo)致保護(hù)裝置無法完整地檢測到注入信號。

為此，在信號發(fā)出端發(fā)出信號后，為對端的故障限流過程增加5 ms左右的短暫延時，以確保保護(hù)裝置能完整的采集注入信號[10]。

圖4中：NML表示最低電平調(diào)制；Idc1為電流注入信號；Leq、Req分別為信號接收端直流系統(tǒng)等效電感、電抗；分別為電流、電壓控制參考值。

1.2 特征信號的選擇

1.2.1 信號幅值選擇

一方面，本文要利用所注入探測信號的幅值變化進(jìn)行故障性質(zhì)的判別?？紤]傳輸線路會對信號造成有一定程度的衰減，同時，信號幅值過低不利于故障性質(zhì)準(zhǔn)確判別，因此：必須保證該信號具備一定的幅值。

另一方面，為保證電力電子器件的安全，注入信號的幅值也不宜過高。

本文注入信號電壓幅值取為額定電壓值的0.1倍。

1.2.2 信號持續(xù)時間

配電線路長度相對較短，且波速接近光速。對于500 km的線路，信號傳輸延遲也僅有4 ms左右。本文算例配電線路通常只有10 km左右，因此可忽略特征信號傳輸延遲的影響。

綜合以上討論，考慮到信號接收端限流策略的影響，故信號持續(xù)時間選擇為5 ms，且也可多次注入信號，以提高故障性質(zhì)判別的準(zhǔn)確性。

1.2.3 頻率的選擇

首先，探測信號的頻率過高會導(dǎo)致保護(hù)裝置采集不到該信號；其次，探測信號的頻率要低于換流器子模塊的投切頻率：所以，頻率上限定為10 kHz。

由于傳輸衰減作用，信號幅值的衰減會隨頻率的提高而增大，使實際值大幅偏離參考值。當(dāng)信號頻率低于400 Hz時，實際電流能較好地跟隨電流的參考值。同時，為提高故障性質(zhì)判別的速度，探測信號的頻率也不宜過低；因此：本文選取探測信號的頻率200 Hz，而保護(hù)裝置采樣頻率一般不高于20 kHz。

本文注入信號長度為5 ms；考慮濾波環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)窗長度選擇為10 ms。

2 故障類型判別

2.1 區(qū)域內(nèi)故障

2.1.1 單極接地故障

以正極為例，討論當(dāng)直流主線路發(fā)生單極接地故障時情況。正極接地故障電路模型如圖5所示。

圖5 正極接地故障Fig.5 Positive grounding fault

由圖 5可知，由于存在過渡電阻Rf，所以在故障極，特征電流信號會在故障點(diǎn)分流。分流后，一部分特征電流信號傳輸至對端。由于經(jīng)分流后的正極電流信號幅值會有所衰減，所以此時負(fù)極電流信號幅值相對于正極電流信號幅值會較大。

在單極接地故障時，注入電壓信號Udc1。故障點(diǎn)至對端阻抗近似等效為過渡電阻與故障點(diǎn)至對端線路阻抗并聯(lián)，所產(chǎn)生的特征電流Idc1在故障點(diǎn)處分流。

式中：R1、R2分別為故障點(diǎn)兩側(cè)的電阻；L1、L2為電感；ω為特征信號的頻率；Rf為過渡電阻；Id′c為分流至對端的特征電流。

2.1.2 極間短路故障

當(dāng)發(fā)生極間短路故障時，如圖6所示：注入的電流信號在故障回路流通；在信號接收端，保護(hù)安裝處所測得正負(fù)雙極電流信號對稱，幅值均為一個較小或接近于0的值，即，。

圖6 極間短路故障Fig.6 Pole-to-pole short circuit fault

特征電壓與特征電流關(guān)系如下：

2.2 區(qū)域外故障

采用線路末端電流信號幅值的大小來識別故障線路。

對于同一條母線上的線路，健全線路末端正負(fù)兩極均可檢測到幅值較大的電流信號；而對于故障線路，其故障極末端所檢測到電流信號幅值為一個較小值，當(dāng)金屬性接地時則為一個接近 0的值。

當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)域外時，故障信號接收端測得正負(fù)兩極特征電流信號幅值均為一個較大的值；當(dāng)發(fā)生區(qū)域內(nèi)故障時，特征電流信號在故障極信號接收端的幅值相對于健全極接收到的電流信號幅值較小。故可根據(jù)正負(fù)極特征電流信號的幅值之比來確定故障極。

綜合以上分析，最終判據(jù)可以表示為：

3 故障識別流程

故障識別分為3部分：故障檢測、故障區(qū)域識別、故障選極。

故障識別。以過流、欠壓作為判據(jù)，以避免保護(hù)動作于正常運(yùn)行期間出現(xiàn)的擾動。故障識別判據(jù)用于判斷故障是否發(fā)生在保護(hù)范圍內(nèi)。

故障選極。采用基于單端量的電流幅值之比作為判據(jù)，以區(qū)分故障極性。當(dāng)三者同時動作時，相應(yīng)的直流斷路器才會動作。

根據(jù)電流極性進(jìn)行故障類型的判別，保護(hù)方案實現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7 保護(hù)邏輯框圖Fig.7 Protection logic block diagram

圖7中，當(dāng)直流線路發(fā)生故障時，在測得直流電壓下降或直流電流上升至定值后，進(jìn)入故障控制模式，將兩端換流器端口電流限制為0。當(dāng)檢測到故障電流被限制為 0后，注入端切換為主動注入模式，注入電壓信號，完成后再次切換為故障限流模式。信號接收端則一直保持故障限流模式。

4 仿真驗證

在PSCAD/EMTDC中搭建基于全橋MMC的±10 kV雙端柔性直流配電網(wǎng)模型：線路總長10 km，于線路中點(diǎn)發(fā)生金屬性短路接地，kset取1.1。

仿真實驗設(shè)置：以負(fù)極接地故障、極間短路故障為仿真算例。

當(dāng)檢測到故障電流被限制為0后，注入特征電壓。此時，單極接地故障特征電流信號與正負(fù)極幅值比如圖8所示，極間短路故障特征電流信號圖9所示。

圖8 負(fù)極接地故障信號波形Fig.8 Waveform of negative grounding fault signal

圖9 極間短路故障信號波形Fig.9 Waveform of pole-to-pole short circuit fault signal

由圖8可以看出：當(dāng)負(fù)極接地時，在注入信號的時段，對端正極檢測到幅值約為0.4 p.u.的特征電流，負(fù)極特征電流信號接近于0。雖然正極測得特征電流信號幅值大于設(shè)定的閾值，但由于負(fù)極檢測得電流小于設(shè)定的閾值，因此判斷為區(qū)域內(nèi)故障；當(dāng)負(fù)極電流與正極電流幅值比低于設(shè)定值，判斷為負(fù)極故障。當(dāng)存在過渡電阻時，電流信號在過渡電阻處分流，故障極于對側(cè)保護(hù)安裝處測得電流幅值不再為接近0的低值，但仍小于健全極測得電流信號的幅值。通過合理設(shè)定kset可以使該判斷方法有較好的抗過渡電阻能力。

從圖9可以看出，在極間短路時，對端正負(fù)兩極檢測到的特征電流幅值均接近于0，正負(fù)兩極電流幅值均小于設(shè)定的閾值；因此，將判斷故障為極間短路故障。

該方法能有效識別故障類型，且在單極經(jīng)過渡電阻接地時，有一定的抗過渡電阻能力。

5 結(jié)論

針對具有全橋子模塊MMC的直流配電網(wǎng)，提出了通過單端電流幅值比來進(jìn)行故障識別的方法。

經(jīng)過驗證，該方法能夠較為靈敏地識別出故障類型，具體特點(diǎn)為：故障限流后，在5 ms內(nèi)實現(xiàn)故障性質(zhì)的判別，滿足對故障識別速度的要求；設(shè)定閾值時留有了一定裕度，使得判據(jù)具有一定耐受過渡電阻能力；由于僅利用了單端電流幅值，所以判據(jù)設(shè)計易于實現(xiàn)，有利于提高故障性質(zhì)識別的可靠性。

若通過預(yù)先規(guī)定處在對角位置的換流站為信號發(fā)出端，則該方法可用于四端環(huán)狀配電網(wǎng)。