一种实现柔直系统快速恢复的自取能故障阻尼器

谢晔源 ，曹冬明 ，李继红 ，朱铭炼 ，姜田贵 ，连建阳

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211002；2.国网浙江省电力公司，浙江 杭州 310007）

0 引言

模块化多电平换流器MMC（Modular Multi-level Converter）自 2001 年被提出［1-4］以来受到学术界和工业界的广泛关注。但对基于半桥结构的MMC的多端柔性直流输电系统，通常存在以下几个问题［5-8］。

a.不能抑制直流短路电流。在直流侧发生双极故障时，故障电流会达到10 kA以上并且流过绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的反并联二极管，烧毁器件。

b.直流侧故障隔离困难。目前对于直流故障的清除主要是借助于交流断路器，一旦发生直流侧故障，则需要将多端柔性直流系统中所有的换流站全部停运，且系统恢复时间长。

c.故障时阀侧交流电流出现直流分量。在换流器桥臂短路故障时会致使阀侧交流电流出现直流分量，致使交流开关可能不能分断。

针对半桥MMC的不足，基于全桥结构和组合结构的MMC被相继提出［9-14］，这些拓扑能在发生故障时通过闭锁换流阀，使得故障电流为子模块的电容充电，通过电容电压的抬升来抑制交流电源对短路点的电流。但是这些拓扑会带来损耗的增加和工程造价的提高，限制其应用和发展。

在直流线路上加装直流断路器可以快速隔离直流侧故障［15-18］，然而直流断路器造价昂贵，而且对于故障时阀侧交流电流出现直流分量的问题没有作用。

ABB公司提出一种在直流正负极出口串入由IGBT和阻尼电阻组成的直流开关的方案［19］，直流故障时利用阻尼电阻的限流作用，加速短路电流的衰减过程。该方案需要在直流出口布置安装开关，且需要由电力电子元件的串并联来实现的高压直流电子式开关，造价较为昂贵，对于安装场地要求较高。

文献［20-21］提出在MMC中串入IGBT和阻尼电阻组成的回路，在换流器或直流线路故障时投入阻尼电阻来加速衰减故障电流。这个回路因为没有储能元件，所以无法为IGBT的驱动及控制电路提供能量，目前只能从邻近的模块中取能，造成串联的各个模块阻抗不平衡，影响MMC的充电均衡度。

为此，本文从研究半桥MMC的故障机理出发，分析了故障电流的各个阶段构成，提出一种自取能模块化故障阻尼器拓扑。该拓扑在正常工作时可循环工作在流通状态和补能状态，实现阻尼器的自取能；在故障时工作在阻尼状态，提供额外的阻尼电阻，迅速衰减故障电流，加速了剩余健全换流器的重启过程，整个隔离故障和系统重启过程在数百毫秒内完成，实现柔性直流输电系统的故障快速恢复。该拓扑还可以在桥臂短路故障中起到抑制直流分量的作用，加快阀侧交流电流的过零，保证阀侧交流开关的可靠分断。最后本文搭建了基于舟山五端柔直工程的PSCAD／EMTDC数字仿真平台，对所提出的模块化故障阻尼器的功能进行了验证。

1 半桥MMC故障分析

由半桥子模块构成的MMC的基本拓扑如图1所示，每个MMC由3个相单元构成，每个相单元分为上下结构对称的2个桥臂单元，每个桥臂单元包括n个级联的半桥子模块和1个桥臂电抗器。

对于半桥MMC而言，不同的故障类型下对换流阀设备的电气应力也不同，通常考虑以下故障类型：换流站出口单极接地短路；换流站出口双极短路；桥臂间短路；阀单相接地短路；单桥臂短路；阀侧交流单相接地短路；阀侧交流两相短路；阀侧交流三相短路。

图1 半桥MMC拓扑及故障类型Fig.1 Topology of half-bridge MMC and its fault types

通过仿真分析柔性直流系统在单极接地、双极接地和桥臂对地短路等各种典型故障工况下短路故障电流，可以得到如下结论：

a.双极短路（图1中F1所示）产生的故障电流最大，且衰减最慢，其余故障的故障电流均可在换流站闭锁或者交流断路器跳开后消失；

b.单桥臂短路（图1中F2所示），换流站交流系统侧会产生较大直流电流偏置，导致交流电流过零点延迟，影响系统正常停运。

图2（a）对双极短路故障的机理进行了分析，故障电流的发展过程分为4个阶段：故障发生数微秒内，模块的电容对故障点放电，形成数十kA的尖峰电流①；数十微秒后IGBT保护切除电流①，此时流过桥臂电抗器的电流通过桥臂的反并联二极管续流②，并呈现衰减趋势；在交流开关跳开之前交流电源提供稳态的短路电流③；交流开关跳开后，桥臂电抗器仍然向短路点提供短路电流，并经过数十秒衰减到零。图 2（c）描述了直流双极短路（F1）下桥臂电流的波形，其各个阶段与图2（a）一一对应。

同理，图2（b）对单桥臂短路故障的机理进行了阐述，假设A相上桥臂短路，首先换流器将闭锁，由对端的正极电压通过A相上桥臂的短路点放电，构成故障电流①，B、C两相交流电压分别在本相正半周通过A相上桥臂短路点放电，构成故障电流②③。三部分的故障电流将导致阀侧交流电流出现直流偏置，如图 2（d）所示，t0时刻发生 F2故障，t1时刻 B 相阀侧电流过零，B相阀侧交流开关分断，此时C相电流将变化为与A相反向，并在回路阻抗的作用下衰减，在t2时刻当A、C两相阀侧电流过零时，A、C相阀侧交流开关相继分断。

图2 半桥MMC典型故障分析Fig.2 Analysis for typical faults of half-bridge MMC

但实际的交流开关分断能力是有限的，它依靠压气罩或储气室的运动来提供吹弧压力，使电弧在过零时熄灭。阀侧交流开关从开始吹气到结束有一定时间限制（一般为40～80 ms），各相电流的过零和开断必须在这个时间内完成，如果不能保证某相电弧过零，而交流开关压气室的压力释放后已经无法保证继续吹弧，则该相的电弧可能会继续燃烧一段时间，等待自然熄弧或是外部切除故障。在图2（d）中，t0时刻发生故障，假设交流开关在t0+40 ms时触头开始动作分断，储气室吹弧，在t1时刻B相电流过零，B相电弧熄灭，t0+120 ms左右吹弧结束，此时A、C两相电流出现较大直流偏置，A、C两相阀侧交流开关无法开断故障电流，故障电流会较长时间流过MMC，致使设备损坏。

2 基于桥臂阻尼的故障限流方案

基于以上分析可以看出，故障发生后短路回路中的阻抗可以帮助衰减故障电流，对换流器的可靠保护和快速恢复均有一定的帮助。在MMC拓扑中，每个桥臂均会设置一定的冗余模块，而且结构上也较为方便地配置了模块空位，是较为理想的增设阻尼电阻场所。因此考虑在MMC的桥臂位置增加阻尼电阻Rdamp来抑制故障电流。

桥臂阻尼电阻Rdamp越大，故障电流衰减得越快。但桥臂阻尼电阻越大，需要的桥臂阻尼单元数越多，成本越高。需要在满足系统恢复时间目标的前提下，选择合适的电阻值，将短路电流在一定的时间内衰减到谐振型直流开关可分断的范围内，实现对故障的隔离，进而实现对柔性直流输电系统的快速恢复。

以下通过对故障电流衰减回路进行分析，说明桥臂阻尼电阻参数设计过程。

故障阻尼器在换流器闭锁后投入，等效电路如图 3（a）所示。图中，Lb、RLb分别为桥臂电抗电感值和电阻值；LPpole及RPpole分别为正极平抗加上正极极线后的等效电感及电阻；LNpole及RNpole分别为负极平抗加上负极极线后的等效电感及电阻；Lline及Rline分别为线路电感及电阻；Lgnd及Rgnd分别为线路对地故障时大地回路等效电感及电阻；Rv为阀闭锁后的等效电阻，为功率子模块二极管并联旁路晶闸管通态电阻的M倍（M为桥臂子模块总数）；VDMMC为阀闭锁后功率子模块的二极管；Rdamp为桥臂阻尼器的电阻；Cline为线路等效极间分布电容。此时子模块电容因换流器闭锁被切除，交流电源 Us通过VDMMC、Rdamp、LPpole及RPpole、Lline及Rline、短路点构成回路，直流线路的分布电容等效为一个电容，并布置在极线平抗的后部；由于电源侧有二极管的存在，所以电路可以等效为两部分，分别提供短路电流：一是交流电源Us对短路点构成的LR回路放电，产生的电流记作Id1；二是分布电容对短路点构成的LCR回路放电，产生的电流记作Id2。两者之和为流过短路点的电流Id。

从式（1）中可以看到故障阻尼器的电阻起到抑制Id1分量的作用，而并不影响分布电容放电的振荡过程。

图3（b）为阀侧交流开关跳开后的等效电路，图中I0为交流开关跳开时刻衰减回路初始电流。此时电路只存在电感对短路点的续流回路，可等效为LR一阶系统。此时换流站内等效电阻Rsta和等效电抗Lsta分别为：

图3 直流双极短路故障下的桥臂阻尼等效电路Fig.3 Equivalent circuits of bridge-arm damping for DC bipolar short circuit

整个电流衰减回路的时间常数为：

无桥臂阻尼电阻（Rdamp=0）时，线路出口故障时，电流衰减回路时间常数为站内等效电路的时间常数，基本接近站内电抗器的时间常数，而站内电抗器品质因数可达400以上，相应时间常数高达数秒以上。

安装桥臂阻尼电阻后，出口故障时，电流衰减回路时间常数减小为数十毫秒，当直流电流衰减到一定数值以内时，可以通过开关予以切除故障点，通过阀侧交流开关的快速重合和换流器解锁，可以重新恢复健全系统的功率传输能力。

对于两端柔直系统，采用如下的估算及仿真校核结合步骤选取桥臂阻尼器参数：交流系统设定为中远期极端大方式，计算线路出口故障的最大短路电流Id0，得到故障电流衰减公式如下。

故障电流在设定的时间tset（一般为几百毫秒）以内衰减到直流开关分断值IRDS（一般为几百安培），则有 i（t=tset）＜IRDS，结合 Rsta和 Lsta由式（2）给定，τ由式（3）给定，则可以计算出Rdamp的值。

3 自取能模块化故障阻尼器及工作原理

在前文对桥臂阻尼方案分析的基础上，综合考虑其在MMC的各个工作状态阶段下的可靠性，以及兼顾安装、美观等因素，提出自取能模块化故障阻尼器拓扑，该拓扑结构的模块安装于MMC的上、下桥臂上，如图4所示，可以和普通半桥子模块外形、安装尺寸完全一致，实现即插即用，兼顾了可靠性和维护方便的问题。

图4 自取能模块化故障阻尼器拓扑Fig.4 Topology of self-powered modular fault damper

新型的自取能模块化故障阻尼器由2个IGBT（VT1、VT2）及其反并联二极管（VD1、VD2）、阻尼电阻（Rdamp）、避雷器（可选）、二极管（VD3）、储能电容（C1）和旁路开关（K1）构成。

自取能模块化故障阻尼器拓扑电路的工作状态为启动充电状态、双向电流流通状态、正向电流补能状态、故障电流阻尼状态或者故障旁路状态。

a.启动充电状态：阻尼器流过正向电流时，控制系统不发出控制信号，旁路开关K1断开，开关管VT1和开关管VT2也断开；正向电流流经二极管VD3、储能电容C1和续流二极管VD1，使储能电容C1通过二极管VD3、续流二极管VD1充电。阻尼器充电过程中反向电流通过Rdamp和VD2流通。

b.双向电流流通状态：正向电流时控制系统发出开关管VT1关断和VT2开通命令，电流流经开关管VT2、续流二极管VD1；反向电流时控制系统发出开关管VT1开通和VT2关断命令，电流流经开关管VT1、续流二极管VD2，电流双向流通。

c.正向电流补能状态：在正向电流时，控制系统发出开关管VT1开通和VT2关断命令，使正向电流通过二极管VD3、续流二极管VD1为储能电容C1充电。

d.故障电流阻尼状态：在阻尼器拓扑电路外部故障下，控制系统发出开关管VT1和VT2关断命令，故障电流流过续流二极管VD2和阻尼电阻Rdamp，以抑制故障电流。

e.故障旁路状态：当阻尼器拓扑电路内部故障时，控制系统控制旁路开关K1开通，以将故障电流抑制阻尼器拓扑电路切除。

结合图1和图4对带模块化故障阻尼器的半桥MMC的工作原理进行说明：充电阶段，阻尼电阻投入，会影响充电电流和充电速度，但是考虑到阻尼电阻比交流侧的充电电阻小很多，因此该影响可以忽略不计；直流双极短路发生后，换流器闭锁，投入阻尼器，增大了交流系统对故障点的阻抗，可以减小故障电流峰值，且在交流开关跳开后，故障电流通过桥臂电抗器、平波电抗器、阻尼电阻以及回路中的寄生阻抗形成回路，回路整体呈现阻感特性，故障电流呈一阶指数特性衰减，衰减的时间常数为Lsta／Rsta，其他参数不变的前提下，投入阻尼器可以减小故障电流衰减时间；在桥臂短路故障时，阻尼电阻投入，故障电流通过桥臂电抗器、阻尼电阻以及回路中的寄生阻抗，直流分量得到衰减，有助于阀侧交流开关的可靠跳开。

故障阻尼器设计为嵌入式安装，在工程中的安装方式非常灵活，MMC由6个桥臂构成，每个桥臂由若干个阀段组成，每个阀段又包括了若干个模块，故障阻尼器设计的外观和接口设计和常规功率模块完全一致，非常利于工程实施或改造；另外所提的自取能阻尼器不需要从相邻模块取能，完全实现了独立安装和独立控制。

4 仿真验证

为了验证本文提出的故障阻尼器的有效性，利用PSCAD／EMTDC搭建了如图5（a）所示的舟山五端柔直工程系统仿真，对称双极结构，直流电压为±200 kV，额定功率为 400 MW／300 MW／100 MW／100 MW／100 MW（舟山 ／岱山 ／忂山 ／洋山 ／泗礁），阀侧交流电压为205 kV，桥臂电感分别为90 mH／120 mH ／360 mH ／360 mH ／360 mH。

舟山／岱山／忂山／洋山／泗礁五站均配置桥臂故障阻尼器，分别对各个换流站的出口进行双极短路仿真，得到直流短路电流衰减到100 A与不同阻尼电阻关系的曲线。图5（b）的上、下图分别显示了舟山、岱山换流站出口短路时各站电流衰减到100 A的时间，控制该时间在100～200 ms，同样的方法对其余三站进行仿真分析，选取五站阻尼电阻分别为6Ω／8 Ω ／15 Ω ／15 Ω ／20 Ω。

图5 舟山五端柔直工程故障阻尼电阻设计Fig.5 Design of fault damping resistor for Zhoushan five-terminal VSC-HVDC project

在额定运行条件下，分不带阻尼器和带阻尼器2种条件分别在舟山和泗礁出口模拟直流双极短路故障，得到对应换流站直流极线电流，如图 6（a）、（b）所示。可以看到阻尼器对本站故障电流的衰减效果是很明显的，以同样衰减到100 A考虑，舟山站出口短路不带故障阻尼器时持续时间为4 000 ms，加装故障阻尼器后电流衰减时间为150 ms；泗礁站出口短路不带故障阻尼器时持续时间为7500 ms，加装故障阻尼器后电流衰减时间为100 ms，因此所装故障阻尼器大幅缩短了故障换流站的切除时间，为整个柔直系统快速恢复创造了条件。

图6 直流双极短路故障下阻尼器应用效果Fig.6 Effects of modular fault damper during DC bipolar short circuit

图7显示了不带阻尼器和带阻尼器2种条件下舟山MMC换流阀A相上桥臂直通故障时，阀侧三相电流的波形。在不带阻尼器时交流开关三相相继跳开的时间差Δt1为80 ms，交流开关的灭弧能力不能得到保障，存在A相触头不能分断的危险；带阻尼器时交流开关三相相继跳开的时间差Δt2为20 ms，可以确保交流开关的三相均可靠跳开。

图7 单桥臂短路故障下阻尼器应用效果Fig.7 Effects of modular fault damper during single-bridge short circuit

5 结语

在MMC拓扑中加装桥臂故障阻尼器能加快故障电流的衰减，为直流侧开关开断故障电流创造了条件，实现柔直系统的快速恢复。另外，桥臂故障阻尼器在桥臂短路故障时有效衰减故障电流的直流分量，保证了阀侧交流开关的可靠跳开，增强了柔直系统的运行可靠性。

本文提出的故障阻尼器拓扑，解决了阻尼电路的高电位取能问题，不需要从相邻模块取能，完全实现了独立安装和独立控制，非常利于工程实施或改造。

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