多端柔性直流输电系统直流故障保护策略

罗永捷，李耀华，李子欣，王 平

(1．中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，中国科学院电工研究所，北京100190;

2．中国科学院大学，北京100049)

1 引言

与基于晶闸管相控换流器的传统直流输电技术(LCC-HVDC)相比，基于电压源型换流器的柔性直流输电(VSC-HVDC)具有不存在换相失败风险、潮流反转时直流电压极性不变、有功和无功独立解耦控制等诸多优点，有较高的经济性和灵活性，非常适于构建多端系统［1-4］。多端柔性直流输电(MTDC)

系统具有多个受端和送端，能够将分布式能源输送至多个负荷中心，具有传输损耗低、潮流控制灵活、能够连接异步电网且易于扩展等优点［5-7］。世界首个多端柔性直流输电系统——中国广东南澳大规模海上风电接入示范工程已于2013年底投入运行。

直流短路故障是柔性直流输电系统最严重的故障之一。一方面，当前工程中常用的两电平或三电平VSC和半桥型模块化多电平换流器(HB-MMC)无法实现直流短路故障的快速清除;另一方面，适用于高压大容量场合的直流断路器制造工艺尚不成熟。因此通常采用分断交流断路器的方式，断开交直流系统的连接，以清除故障电流、保护换流阀。但交流断路器属于机械开关，响应速度慢;发生短路故障且断路器未分断期间，故障点等效为交流电网三相短路，急剧增大的短路电流对交流系统稳定性和换流阀的安全有严重影响;此外，清除故障后，直流系统重新恢复功率输送需要预充电、解锁等复杂的时序配合。上述问题使得工程中通常采用造价昂贵的电缆作为输电线路以降低故障率，阻碍了多端柔性直流输电的发展和应用［8-12］。

基于上述原因，直流短路故障保护日益成为多端柔性直流输电系统的研究热点。德国学者Rainer Marquardt将MMC拓扑分为:①半桥型HB-MMC，功率半导体器件少、损耗低，但是缺乏直流故障穿越能力;②全桥型FB-MMC和双钳位子模块型DCMMC，具备直流故障穿越能力，但功率半导体器件多、损耗较高。文献［13］研究了DC-MMC的直流故障穿越机理，即模块电容在故障回路提供的反电势足够大，利用二极管单向导通特性完成故障电弧切断。文献［14］比较了各种MMC拓扑的参数和性能，以混合串联全桥型和半桥型模块的方式，实现减少开关器件数量。文献［15］利用FB-MMC直流母线电压在一定范围内可控的特性，提出一种降低直流母线电压以实现直流侧单极对地短路和双极短路故障穿越的保护策略。

换流站的协调控制也对多端直流输电系统故障保护有重要影响。协调控制通常包括主从式控制、偏差控制和下垂控制等。主从式控制依赖于换流器与控制系统间的高速通信，主站发生故障后系统无法正常运行。偏差控制对控制器参数选择有较为严格的限制，容易出现系统震荡。下垂控制策略为多点控制，不依赖于换流站间的高速通信，可靠性较高［16］。

针对MTDC直流故障保护存在的问题，本文基于FB-MMC拓扑，首先建立换流器数学模型，对换流器级保护策略进行改进。然后，提出一种适用于多端柔性直流输电系统的“换流阀短时闭锁+重解锁双STATCOM并联运行”直流故障保护策略，能够实现短路故障电流快速清除，并且避免交流断路器跳闸和系统停运。结合多端系统的直流电压下垂控制，实现故障后MTDC系统快速恢复和N－1运行。最后，在PSCAD/EMTDC中验证所提出故障保护策略的有效性。

2 MTDC运行原理

2.1 多端系统连接方式

多端柔性直流输电系统的结构如图1所示。典型的连接风电场和交流电网MTDC系统包括直流网络、交流电网和换流站。直流系统连接方式可分为串联、并联和混联［2］，如图2所示。目前工程中一般采用并联方式。

图1 MTDC系统结构Fig．1 Structure of MTDC system

2.2 换流器数学模型

全桥型FB-MMC由六个桥臂构成，每桥臂包括N个功率模块(SM)和桥臂电感L，上下两个桥臂构成一个相单元，如图3所示。图3中uio为交流输出电压，其中o为假想的交流相电压中点，i=a，b，c;Udc为直流母线电压。

图2 MTDC系统连接方式［2］Fig．2 Connection of MTDC system

图3 MMC电路拓扑Fig．3 Circuit topology of MMC

FB-MMC功率模块由4个全控型半导体开关器件和直流电容构成，包括四种工作状态:输出+UC、－UC、0和闭锁状态。正常运行状态下，全桥型模块与半桥型模块工作方式相同，输出电压为+UC或0。

以A相为例，FB-MMC交流输出电压uao可表示为:

式中，uau和ual为上下桥臂电压。桥臂电流iau和ial表示为:

式中，ia为A相电流;idc和idiff为直流分量和环流分量。

上下桥臂参考电压uau_ref和ual_ref分别表示为:

式中，Udc为直流母线电压;um为桥臂电压交流分量幅值;ω为工频角频率;δ为相位角。

3 控制保护策略

3.1 短路电流清除原理

FB-MMC拓扑具备直流故障清除能力。发生直流短路故障后，所有换流阀功率模块中的开关器件立即关断，功率模块处于闭锁状态，根据初始时刻桥臂电流方向的不同，存在两种电流回路，如图4所示。在桥臂电感的续流作用下，桥臂电流为模块电容充电，因此所有闭锁状态的模块电容均以充电状态串入放电回路。正常状态下MMC桥臂电容电压高于交流线电压峰值，所以闭锁后桥臂电流将迅速减小至零，实现故障电流清除。

图4 FB-MMC模块闭锁状态电流回路Fig．4 Current path of blocked FB-MMCmodule

3.2 换流器级保护策略

发生短路故障时，故障电流急剧增大，在很短时间内上升至桥臂电流额定值十倍以上，严重威胁换流阀的安全。因此，换流器级直流故障保护策略的关键在于限制故障电流以保护MMC中半导体开关器件和功率模块电容。

短路故障电流包括直流分量和交流分量，其中直流分量为功率模块电容放电电流。当MMC直流侧发生短路故障时，处于投入状态的功率模块电容通过短路点形成放电回路。由于均压算法的作用，所有功率模块轮流投入和切除，因此上下桥臂模块电容可等效看做以并联的形式串入放电回路。放电电流主要依靠桥臂电抗器限制;通常出于限制换流阀体积和成本的考虑，模块电容值较小、放电速度快，导致故障电流直流分量迅速增大。故障电流交流分量为交流电网通过直流侧短路故障点形成等效三相短路故障的馈入电流。换流阀闭锁能够快速抑制故障电流，实现直流侧故障清除。

但是，MMC-MTDC换流阀闭锁后，若不断开交流断路器，由于功率模块参数的差异性，会导致电容电压逐渐发散，最终因电容电压超过安全阈值而使整个MMC-MTDC系统退出运行。利用FB-MMC能够输出+UC、－UC、0三种电平的特性，提出一种改进的换流器直流故障保护策略。

如图3所示FB-MMC，由于上下桥臂对称性，分别对上下三相桥臂建立数学模型。以上桥臂为例，其数学模型为:

三相平衡电网满足uao+ubo+uco=0。在直流短路故障发生后，MTDC系统尚未恢复功率传输，因此有iau+ibu+icu=0。对式(4)求和，有:

只考虑基波分量，在三相电压平衡的工况下，uoP=0。同理，对下桥臂可得uoN=0。对式(4)进行Park变换可得:

式中，iud，q、uud，q和eud，q分别为上桥臂电流、桥臂电压和交流电压的dq轴分量。

由数学模型可知，当三相上桥臂独立控制时，可通过控制桥臂参考电压，使三相上桥臂连接公共点(直流母线正极)与电网电压中性点等电位;同理，三相下桥臂连接公共点(直流母线负极)也与电网电压中性点等电位，从而使得FB-MMC直流侧极间电压uPN为零。直流极间电压为零是不使用高压大容量直流断路器，利用现有直流隔离开关对故障点进行可靠隔离的前提条件。换流器级保护策略控制框图如图5所示。

图5 换流器级保护策略控制框图Fig．5 Control scheme of converter protection strategy

换流器级保护策略分为两个阶段:①MTDC发生直流短路故障后，FB-MMC换流阀立即闭锁，清除故障电流;②确认故障电流清除后，换流阀重新解锁，上下桥臂独立控制运行，等待系统级保护策略完成故障隔离。在第二阶段中，FB-MMC等效为两个星型级联H桥STATCOM并联运行。在故障电流清除、故障点隔离以及系统恢复期间，换流器均处于受控状态，避免了闭锁状态下的模块电容电压超过安全阈值的问题，提高了系统安全性和可靠性。

3.3 系统级保护策略

基于FB-MMC拓扑的直流故障清除能力，在换流器级保护策略基础上设计MTDC系统级保护策略。

在高压大容量直流断路器尚不成熟的情况下，本文的重点为通过换流器合理控制，利用现有的隔离开关进行故障隔离，同时完成多端系统的快速恢复;对故障检测和定位不做深入研究。文献［12］将现有VSC-MTDC“握手原则”引入FB-MMC多端柔性直流输电系统，一旦MTDC检测到直流短路故障，所有FB-MMC立即闭锁，潜在故障线路隔离开关跳开;在确认故障电流衰减至零后，全部健全隔离开关闭合，FB-MMC解锁运行。该方法存在的问题是:①故障隔离后，要求剩余健全线路能满足功率传输的需求，这在不具备冗余直流线路的MTDC系统中难以实现;②发生永久性直流故障时，很难在文中所述的10ms内完成故障清除，而长时间的闭锁仍将导致交流断路器跳闸和系统停运。

针对上述问题，在本文提出的换流器级保护策略的基础上，提出“换流阀短时闭锁+重解锁双STATCOM并联运行”控制策略。该策略可分为以下四个步骤。

(1)故障电流清除。MTDC发生直流短路故障后，FB-MMC换流阀立即闭锁，清除故障电流。

(2)等效双STATCOM并联运行。故障电流清除后，FB-MMC在短时间内重新解锁，控制模式由式(3)所示MMC运行转换为式(6)所示双STATCOM并联运行。

(3)故障隔离。直流线路所置隔离开关对故障点(故障线路)进行隔离。

(4)系统恢复。健全部分MTDC中换流器由双STATCOM并联运行转换为MMC运行，系统运行在N-1模式。

系统级保护策略控制流程如图6所示。

图6 系统级保护策略Fig．6 Control scheme of system protection strategy

在永久性直流短路故障情况下，换流阀闭锁能在很短时间内完成故障电流清除;而由于FB-MMC重新解锁后以双STATCOM并联的方式运行，能够长时间保证直流侧极间电压和直流电流为零，为故障清除和隔离提供了有利条件。

故障隔离后重新恢复系统运行，MTDC需要运行于N-1状态。采用直流电压下垂控制，通过测量本地直流母线电压对功率分配进行调节，因而不依赖于换流站间的高速通信，可靠性较高。当故障发生并完成故障线路隔离后，系统剩余部分通过调整各个换流站功率分配和直流电压参考值，仍能维持直流网络电压相对稳定。

4 仿真分析

4.1 仿真模型及参数

为了验证本文提出的直流故障保护策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了三端柔性直流输电系统模型并进行了仿真分析。仿真模型参数如表1所示，电缆参数如表2所示。

表1 仿真模型参数Tab．1 Parameters of simulationmodel

表2 电缆参数Tab．2 Parameters of cable

图7 直流故障仿真结果Fig．7 Simulation results of DC fault

4.2 直流短路故障仿真

对故障危害最为严重的永久性直流双极短路故障进行仿真验证。MTDC系统运行至0.3s时刻，线路L3距离换流站3直流端30km处发生短路故障。故障前MTDC系统正常工作于功率传输状态，其中换流站2和换流站3分别向交流电网馈入300MW和500MW有功功率，换流站1从交流电网吸收有功功率维持功率平衡。

正常运行状态下，换流站级控制采用式(3)所示MMC控制策略，系统级控制采用直流电压下垂控制。

故障状态下，换流站级控制采用图5所示“换流阀短时闭锁+重解锁双STATCOM并联运行”控制策略，系统级控制采用图6所示保护策略。

换流站1和换流站2的仿真结果如图7所示。在此仿真条件下，故障前换流站1和换流站2分别向交流电网吸收250MW有功功率。故障发生后，线路L3利用隔离开关进行故障隔离，换流站3退出运行，MTDC系统运行于N-1模式;此时换流站1向交流电网发出250MW有功功率，换流站2向交流电网吸收250MW有功功率。对比换流站直流母线电压可以看出，在直流电压下垂控制策略作用下，故障发生前后系统直流母线电压由679kV上升为727kV。因此，从系统层面分析，该故障控制策略能够满足MTDC系统故障穿越、快速恢复以及故障隔离后的N-1运行。

分析图7可以看到，故障发生后，换流站1和换流站2的直流母线电压迅速跌落为零，直流电流在极短时间内(仿真测量约为600μs)急剧增大，峰值分别为6.617kA和6.587kA。相对应的桥臂电流随之增大，超过2kA的闭锁保护阈值后，换流阀迅速闭锁。

换流站闭锁后，直流电流和换流器桥臂电流迅速衰减为零。控制系统经过一定延时，确认故障电流可靠清除后，换流阀重解锁。在闭锁期间内，模块电容在驱动电路等负载损耗作用下，电压逐渐降低并开始发散。换流阀重解锁后，模块电容电压重新均衡并维持稳定于额定值1600V。在重解锁瞬间，由于模块电容电压差异性，产生一定冲击电流，但其幅值在开关器件安全阈值以内。

系统重解锁后，换流站为双STATCOM并联运行模式，桥臂电流和模块电压处于可控状态;同时保持直流母线电压为零，直流电流为零，为短路故障清除和故障隔离提供条件。在0.5s时刻，完成隔离开关动作，实现故障隔离。系统延时0.1s恢复运行。可以看到，换流站1出现功率反转，其直流电流方向也与故障前相反。模块电容电压由额定值1600V上升至1660V附近波动。

综合上述仿真结果，本文提出的多端直流输电系统直流故障保护策略，能够实现以下功能:①故障电流快速清除;②系统交流断路器不跳闸，换流器处于可控状态;③避免长时闭锁造成的电容电压发散问题;④系统能够快速恢复并运行于N-1状态。

5 结论

本文以FB-MMC-MTDC系统为研究对象，首先分析FB-MMC的数学模型，然后分别从换流器级和系统级层面对MTDC系统直流故障策略进行改进，提出一种“换流阀短时闭锁+重解锁双STATCOM并联运行”控制策略。为保证系统快速恢复和N－1运行的可靠性，采用直流电压下垂控制。PSCAD仿真分析表明，本文提出的故障保护策略是有效可靠的，可以实现MTDC系统在直流短路故障下的安全运行以及快速恢复。

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