MMC-HVDC系统中阀侧交流母线故障保护策略研究

裘 鹏，章姝俊，黄晓明，陆 翌，芦明明

(1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014；2.国网浙江省电力公司，浙江 杭州 310000；3.许继集团，河南 许昌 461000)

0 引言

传统的交流输电与基于电流源换流器的直流输电技术在城市电网扩容与可再生能源并网等领域显得既不经济又污染环境[1]。随着高压大功率全控型电力电子器件（IGBT，IGCT）的发展，基于电压源换流器的高压直流输电系统（VSC -HVDC）越来越得到工业界的重视[2-3]。作为电压源换流器的一种新型拓扑结构，模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）近年来在风电并网、直流输电等领域的应用越来越受到关注[4-6]。目前，世界上已经投运的基于MMC的工程有美国旧金山Trans Bay Cable工程和中国上海南汇风电场柔性直流输电示范工程[7-8]。

控制保护系统性能是MMC-HVDC的关键，它直接影响着系统运行的可靠性和稳定性。当前，国内外对MMC的研究多集中在控制策略和系统建模仿真方面[9]，对于保护方面的研究也多关注在直流侧的故障分析。相对于直流侧的故障，交流侧的故障对于系统的稳定性及可靠性同样有着不可忽略的影响。阀侧交流母线与换流器直接相连，在发生故障时对换流器的危害要比网侧故障更严重。本文对MMC-HVDC阀侧交流母线单相接地故障特性进行了重点分析，提出了针对性的保护策略，并通过RTDS实时仿真对故障特性和保护策略进行了验证，为基于MMC-HVDC工程的控制配合与保护设计提供参考。

1 MMC基本结构与原理

三相模块化多电平换流器的拓扑结构如图1所示，O点表示零电位参考点。一个换流器有6个桥臂，每个桥臂有一个电抗器L0和N个子模块（SM）串联而成，每一相的上下两个桥臂合在一起称为一个相单元。交流电抗器的作用除了抑制因各相桥臂直流电压瞬时值不完全相等而造成的相间环流，同时还可有效地抑制故障时流过桥臂的冲击电流，提高系统的稳定性和可靠性。模块化的设计结构可以提高MMC的故障穿越能力，通过对子模块的冗余配置来进行换流阀的故障保护[10-11]。

图1 三相MMC拓扑结构Fig.1 Three-phase topology of MMC

如图1中SM子模块所示：SM由上部绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)T1、上部二极管D1、下部IGBT T2、下部二极管D2及子模块电容器组成，电容值由C0表示。换流器通过控制子模块的投入/切除来拟合出期望的交流输出电压。三相调制波相差120°角，用以保证交流输出电压三相对称。

每个SM子模块有3种工作状态和6种工作模式，如表1所示。其中0、1表示二极管或IGBT的关断和开通，UC为电容器的电压，USM为子模块的输出电压，iSM为流入子模块的电流。MMC通过各个子模块的电容电压来支撑直流母线的电压。

表1 子模块的3个工作状态和6个工作模式Table 1 Three working status and six operating modes of sub-module

2 阀侧交流母线故障

2.1 故障分类

阀侧交流母线故障分为三相对称故障和三相不对称故障，故障示意图如图2所示。三相对称故障包括阀侧三相短路故障F1和阀侧三相短路接地故障F2；三相不对称故障包括单相接地故障F3、两相短路故障F4和两相短路接地故障F5。虽然阀侧交流母线故障相对于网侧交流母线故障发生的几率较小，但由于此段母线直接与换流器相连接，故障发生时极易造成换流器过流、过压等现象，对换流阀造成损坏，严重威胁了MMC-HVDC系统电力传输的安全性和可靠性，故必须重视。

图2 阀侧交流母线故障示意图Fig.2 Schematic diagram of internal AC bus faults

MMC-HVDC一次系统在发生阀侧三相不对称故障后，分析故障特性的主要途径是对零序电流回路和故障放电回路特性的分析。本文将重点分析单相接地故障时引起三相不对称故障的特性，对其他不对称故障不再赘述。阀侧三相对称故障的故障特性同直流侧双极短路故障的故障特性类似[12]，本文不做分析。

2.2 故障特性分析

本文中用到的双端MMC-HVDC一次系统，如图3所示。

图3 阀侧交流母线单相接地故障电流回路Fig.3 Current loop of single-phase to ground fault

为了避免网侧故障时零序电流向阀侧传递，联结变压器采用Y-N-d方式进行连接。本文效仿Trans Bay Cable工程在阀侧采用星型电抗构造一个中性点，然后将中性点经接地电阻接地。这种结构当阀侧产生不对称故障时，可以避免零序电流向网侧交流系统传递，并为直流线路提供了电位参考点，使其呈现出对称的正、负极性。针对图3中的双端MMC-HVDC一次系统阀侧单相接地故障，其故障特性分析如下：

1）由于接地电抗的阻抗值非常大，在MMC-HVDC阀侧单相接地故障发生时，改变了直流系统的电位参考点。设正极线电压为UP，负极线电压为UN，在故障发生后，电位参考点由图3中的①点变为②点，此时正负极线电压UP、UN出现正弦波动，但直流正负极间电压Udc保持不变。

2）阀侧交流母线故障相电压下降到0。由于故障发生后故障相变为参考点，所以非故障相的相电压变为对故障相的线电压，非故障相电压上升为1.732 pu。

3）故障电流通过接地电抗器构成故障回路a，并向非故障站传递，同非故障站接地电抗器构成故障回路b，使直流电流在故障后呈现正弦波动。

4）在故障发生后，会有零序电流流过接地电阻，并产生零序电压。

总之，阀侧单相接地故障并不影响MMCHVDC的功率传输，在故障发生后，若为暂时性故障，在线路绝缘允许的情况下可保持正常功率传输；若为永久性故障，应当立即闭锁换流阀，跳开交流侧断路器。

3 单相接地故障仿真分析

3.1 仿真模型

本文依托舟山柔性直流输电工程，在RTDS实时仿真平台中搭建双端MMC-HVDC仿真系统模型[13]。联结变压器、接地电抗器、桥臂电抗、IGBT、子模块电容等的参数如表2所示。联结变压器网侧绕组采用星型接法，阀侧绕组采用三角型接法，模型的一次系统主接线图如图3所示。本文采用MMC基于载波移相的正弦脉宽调制策略[14-15]，根据文献[16-21]对子模块电容电压、桥臂环流以及阀侧负序电压进行控制。

表2 MMC-HVDC模型参数设置Table 2 Model parameter of the MMC-HVDC

3.2 单相接地故障仿真

仿真模型运行工况为：S1采用定有功功率、定无功功率控制方式；S2采用定直流电压、定无功功率控制方式。直流电压参考值为±200 kV，无功功率为0 Mvar，有功功率为300 MW。故障设置为S1阀侧交流母线A相接地故障，如图3所示。在系统稳定运行后，0.4 s时刻触发故障。MMC- HVDC系统的电压、电流波形如图4所示。

图4 单相接地故障电压、电流波形图Fig.4 Waveforms for single-phase to ground fault

阀侧A相接地故障发生后，引起阀侧和直流侧对地参考电位变化。如图4（a）所示，阀侧交流母线三相电流Iac1VofS1、Iac2VofS1、Iac3VofS1基本保持稳定；如图4（b）所示，阀侧交流母线A相电压Uac1VofS1降低为0，B、C两相电压Uac2VofS1、Uac3VofS1升高为故障前的1.732倍；如图4（c）、图4（d）所示，直流电流IdcPosofS1、IdcNegofS1出现小幅波动，浮动值在正负75 A；如图3所示，直流侧参考点O与阀侧接地电抗器①点是等电位点，在故障发生后，由于零序电压的存在，直流电压UdcPosofS1、UdcNegofS1出现类似正弦波动，但正负极间直流电压Udc_S1始终保持400 kV；如图4（e）所示，S1、S2功率Pdc_S1、Pdc_S2保持稳定在300 MW。

3.3 保护策略

结合以上仿真分析可知，MMC-HVDC系统在阀侧单相接地故障期间，阀侧交流母线及直流线路过流程度低，系统依然能够正常进行功率传输。但在故障后非故障相的电压升高，直流电压波动较大，并存在零序电流IVC_0流过接地电抗器。因此，本文采用接地电抗器零序过流与阀侧交流母线电压不平衡作为主要判据来实现阀侧单相接地故障的保护配置，以接地过流保护作为主保护，阀侧交流母线电压不平衡作为后备保护。由于故障会通过接地电抗器同非故障站构成故障回路，两站保护均会动作，无法区分故障发生站，本文通过检测阀侧零序电流和接地电抗器上测点电流的差值来区分故障发生在哪个站。若差值为0，则故障发生在本站；若差值为1，则故障发生在对站。

当MMC-HVDC系统发生暂时性阀侧单相接地故障时，首先考虑交直流系统绝缘配合的相应标准，通过合理设计换流器交流母线和直流线路的绝缘水平，以及避雷器的强度，避免故障的扩大。其次通过调整相应的交直流保护定值，最大限度地确保系统的稳定性与可靠性。若阀侧单相接地故障为永久性故障，从保护换流阀的角度出发，应当立即闭锁换流阀，跳开交流母线断路器，从而避免换流阀承受长时间的电压过应力的危害。单相接地故障保护出口逻辑框图如图5所示。

图5 单相接地故障保护策略逻辑框图Fig.5 Logic diagram of protection strategy

4 结论

本文从理论上对双端MMC-HVDC系统的阀侧交流母线单相接地故障的故障特性进行了深入研究分析，利用RTDS实时仿真装置对阀侧交流母线单相接地故障进行了仿真，得出以下结论：

（1）阀侧交流母线单相接地故障发生后，由于MMC-HVDC系统的对地参考点的变化，使得阀侧交流母线非故障相电压上升为1.732倍，直流电压出现类似正弦波动；但阀侧交流母线电流与直流电流基本保持稳定，交直流线路不承受任何过电流的影响。

（2）根据故障特性的分析结果，提出了针对单相接地故障的保护配置，并通过检测阀侧零序电流和接地电抗电流的差值来区分故障发生站。最后通过区分暂时性故障和永久性故障，设计了不同的保护出口。

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