多端柔性直流输电故障特征仿真分析

唐 震

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

随着全控型电力电子功率器件的发展，电压源换流器VSC（voltage source converter）以及脉宽调制技术PWM（pulse width modulation）构成的新型直流输电技术得到了快速发展。目前，国内外很多研究者对电压源换流器高压直流输电VSCHVDC（voltage source converter based high-voltage direct current transmission）系统的技术原理、控制策略和技术特点已经进行了分析研究[1]，特别在多端柔性直流输电的控制策略以及直流电压控制策略方面取得了很多成果，但对多端柔性直流输电故障分析及保护策略等方面的研究相对较少。文献[2] 针对交流系统的不对称和故障条件下的运行特性进行了分析，但未涉及直流系统的故障。文献[3] 模拟了双端VSC-HVDC 内部交流侧单相

接地短路、相间短路故障，模拟了换流站内部直流侧出口短路故障，模拟换流阀短路故障，模拟换流阀开路故障，模拟了直流线路断线、单极接地、双极短路故障情况，但未涉及多端柔性直流输电系统VSC-MTDC（voltage source converter based multi-terminal direct current） 的故障分析。

VSC-HVDC 系统能够实现有功功率和无功功率的独立控制，具有占地面积小、不需要无功补偿、不存在换相失败以及可以向无源系统供电等诸多优点。因此，它在特高压/高压远距离输电、背靠背联网、分布式电源系统并网以及构建城乡直流配电网等领域具有广泛的应用前景，也是目前工程领域与学术领域的研究热点。另外，电压源换流器的直流输电系统在系统潮流反转时，可以保持直流电压极性不变，这种特性使得电压源换流器在构建多端柔性直流输电系统时变得更加方便[4-5]。国内浙江舟山海岛供电工程、广东汕头南澳接入示范工程及张北柔性直流工程等多个多端柔性直流输电工程在近几年已投入商业运行。为了更好地推进VSC-MTDC 在电力系统中的研究和应用，本文对直流系统单极接地、双极故障、断线故障和交流系统单相接地、相间短路以及三相短路进行了仿真研究，为多端柔性直流输电控制策略的制定以及保护装置的研制提供丰富翔实的仿真数据。

1 电压原换流器高压直流输电的运行原理[6-7]

在双、多端柔性直流输电系统中，各端的物理拓扑结构是完全相同的。双端系统中一端换流站运行于整流状态，另一端换流站运行于逆变状态，通过连接两端的直流输电线路实现交流系统间有功功率的交换；多端系统由2 个以上换流站构成，各个换流站的运行状态由整个多端系统的功率平衡决定。为了简单明了，这里以单端换流站为例对柔性直流输电系统的运行原理进行介绍。单端系统的主电路结构如图1 所示。

图1 单端VSC-HVDC 输电系统

图1 中，Us为交流电网电压；Uc为换流站输出电压的基频分量；δ 为换流站交流侧电压基波相位超前交流侧系统电压相位的角度；R、L为变压器和电抗器的等效电阻、电感；Pc为换流站有功功率；Ps为交流电网的有功功率；Udc为直流侧正负极电压；Idc为直流输电线路电流；Pdc为直流功率。

当只考虑输出电压的基波分量，根据图1 列出的交流侧转换到dq旋转坐标系下换流站的数学模型为

式中：下标d、q分别表示电压、电流转换到dq坐标系下的d、q轴分量；ω 为电网基波相量的角频率。

由式（1） 可知，在引入耦合项ωLid、ωLiq后，使得d、q轴电流解耦和系统功率控制解耦，提高系统稳定性的同时也实现了快速功率响应，再引入ud、uq前馈项后便可构成内环电流解耦控制器。在dq坐标系下，换流器交流侧有功功率、无功功率可用式（2） 表示。

当电网三相对称，电压矢量Us选取为d轴方向时，usq＝0，usd＝Us。忽略电抗器和换流器损耗时，换流站交直流两侧的有功功率相等，即

式中：Pdc和Idc分别为直流侧功率和电流。

由式（3） 可知，当换流站交流侧有功功率与直流侧功率不相等时，为了平衡系统功率，直流电容将会进行充、放电，从而导致系统直流电压上升、下降，直流电压最终会达到一个新的稳定值。因此，定直流电压控制的换流站可以认为是一个有限容量的系统功率平衡节点。

单端换流器由高频开关器件绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor） 以及正弦脉宽调制方式构成整个换流器，换流器的单相电路如图2 所示。

图2 换流器的单相电路

其工作原理见图3。图3 中，a 相正弦脉宽调制SPWM（sinusoidal pulse width modulation） 的调制参考波Pra 与三角载波Car 进行数值比较，当参考波数值大于三角载波，触发a 相的换流桥臂T2＋导通并关断T2－，反之则触发桥臂的T2－导通并关断T2＋。在上下桥臂开关的交替导通与关断下，VSC 交流出口电压将产生幅值为±Udc/2 的脉冲序列，Udc为换流站的直流侧电压。该脉冲序列中的基频 电压分量与调制参考波相位一致，幅值为Udc/2。由于调制参考波的幅值与相位可通过PWM 的脉宽调制比M（VSC 交流输出基频相电压幅值与直流电压的比值） 以及移相角度实现调节，因此换流站交流输出电压基频分量的幅值与相位亦可通过这两个变量进行调节[8]。

图3 正弦脉宽控制原理图

2 多端柔性直流输电系统

VSC-MTDC 有多种拓扑结构，但已投运的工程大多采用可控性能好、扩展性强的多端并联结构。对于直流输电线路而言，由于没有电抗且电阻较小，因此并联系统中各节点的电压接近相等。为了保证系统潮流的平衡，在多端系统中必须至少有一端换流站采用定直流电压控制，其余换流站采用定有功功率控制。本文仅以四端两电平柔性直流输电系统为例开展分析研究，其系统如图4 所示。四端系统中，换流站1 和换流站2 为整流站，换流站3 与换流站4 为逆变站。换流站交流侧与交流等值系统相连；T1、T2、T3、T4为换流变压器。

图4 并联结构四端柔性直流输电系统图

四端系统中各换流站功率方向以交流系统注入换流站为参考正方向，系统中4 个换流站的结构完全一样。直流侧电容值取C=600 μF；各换流站之间电缆长度均为5 km。4 个换流站的参数和控制方式见表1。

表1 4 个换流站参数表

采用正弦脉宽调制技术虽然可以抑制低次谐波，但会在系统中产生高次谐波。因此，对于柔性直流输电系统，必须在交流系统侧加装交流滤波器。交流侧所含谐波主要为N±2 和2N±K（N为载波比）。为了消除谐波的影响，本文设计了一组调谐31 次谐波的二阶滤波器，其品质因数为30。

图5 换流站3 有功改变时各换流站电压和功率

3 多端柔性直流输电系统仿真

3.1 正常运行及策略切换仿真

在多端柔性直流输电系统中，必须有一个换流站采用定直流电压控制，为此在PSCAD/EMTD仿真平台上搭建如图4 所示的四端柔性直流输电系统，其中换流站1 采用直流电压控制，换流站2、3、4 均采用定有功功率控制，系统直流电压为±6 kV。

系统指令如下：0～3.0 s 期间换流站1 无功指令Q1=0.3 Mvar；换流站2 有功指令P2=0.7 MW；换流站3 有功指令P3=-1.0 MW；换流站4 有功指令P4=-0.5 MW。3.0 s 时刻换流站3 有功功率由-1.0 MW 改变为-2.0 MW，5.0 s 返回原值。仿真结果见图5（图中Vdc1、Vdc2、Vdc3、Vdc4、P1、P2、P3、P4中的数字1、2、3、4 表示换流站）。

从图5 可以看出，在3.0 s 时刻换流站3 发生-1.0～-2.0 MW 的有功功率指令变化，整个系统的功率缺额全部由定直流电压控制的换流站1 来承担，其他换流站并不参与调节，因此换流站1相当于系统的平衡节点，如果这个换流站因事故或满载切换为定功率模式失去了直流电压的控制能力，整个系统将失去稳定。由此可以看出，单个换流站采用直流电压控制时整个系统的可靠性较差。因此，有文献提出适用于VSC-MTDC 系统的多换流站直流电压偏差控制策略，其实是在主导换流站失去直流电压控制能力时，备用换流站在直流电压偏差过大时转为定直流电压控制，以维持直流电压达到稳定整个系统的目的。不足之处在于对直流潮流变化的响应速度不够快速且容易导致该换流站过载。

3.2 故障仿真

3.2.1 单极接地故障

单极接地故障是直流系统最常见的故障，一般形式为对地闪络或者永久性故障，对直流输电而言属于非对称性故障。系统在3.0 s 时刻，发生正极永久性接地故障，故障点设置在图4VSCMTDC 系统Line1 末端。仿真结果见图6（图6 中数字按顺序表示线路始末端换流站，p、m 分别表示正、负极，下同）。

从图6 可以看出，在3.0 s 时刻Line1 末端发生单极接地故障后，因电容的充放电，故障极有很大的浪涌电流，稳态电流与故障前相同，分别为：I1p2=0.009 kA，I2p3=0.067 kA，I3p4=0.017 kA，I4p1=0.059 kA；电流最大瞬时值分别达到-3.15 kA、-2.53 kA、-1.15 kA 和1.06 kA；故障极电容电压下降至0。由于直流电压控制器的作用，非故障极电容电压上升为12.1 kV，但极间电压不变。输送功率在故障时刻也会出现一个暂态的突变过程并逐步趋于稳定且与故障前相同。当有过渡电阻时，故障极电压将不再为0，浪涌电流最大值也随之降低。

3.2.2 极间短路故障

极间短路是VSC-HVDC 最严重的故障。故障时刻3.0 s，故障极为极间。故障点设置在VSCHVDC 系统Line1 末端。仿真结果见图7。

从图7 可以看出，在3.0 s 时刻Line1 末端发生极间故障后，因电容的放电，双极电压降为0，双极有很大的放电电流，最大电流瞬时值达到（正负极绝对值相同）I1p2=3.06 kA，I2p3=2.53 kA，I3p4=1.15 kA，I4p1=1.08 kA，稳态电流接近于0，输送功率经短暂振荡衰减至0。当有过渡电阻时，故障极电压将不再为0，双极的浪涌电流最大值也随之降低。

3.2.3 正极断线故障

柔性直流输电的极断线故障虽在实际工程中并不常见，但属于非对称运行状态，某些运行方式下，可能影响系统正常运行。故障时刻3.0 s，故障点设置在VSC-MTDC 系统Line1 末端正极。仿真结果见图8。

从图8 可以看出，多端直流系统发生断线故障后，断线线路的故障极电流I1p2由0.009 kA 降为0，I2p3由0.067 kA 降为0.058 kA，I3p4由-0.017 kA降为-0.026 kA，I4p1由-0.059 kA 降为-0.068 kA；非故障极电流维持正常运行，电流不变。各个换流站的直流电压基本维持不变，系统潮流发生变化，系统总体维持平衡，可以说对系统影响并不大。如果断线线路输送潮流较大时，将会对整个系统的稳定产生较大影响，因此也应在策略上采取防范措施。为了与双端系统进行比较，下面我们对双端系统发生断线故障进行仿真分析。

图6 单极接地故障波形

图7 Line1 末端极间短路故障波形

图8 Line1 末端正极断线故障波形

在由换流站1 和换流站2 构成的双端系统中，两换流站之间线路末端正极线路上发生正极永久性断线故障，故障起始时刻3.0 s。假设换流站1端采用定电压控制且工作在整流状态、换流站2端采用定功率控制且工作在逆变状态，这时的仿真结果见图9。

直流线路断线后，送端换流站1 侧Vdcp1短暂升高至10 kV 后稳定在高于正常水平的8.4 kV，Vdcm1逐渐升高至-4.1 kV，极间电压升高至高于正常运行的12.5 kV；受端换流站2 侧Vdcp2逐渐降低至-3.5 kV，Vdcm2逐渐升高至-3.5 kV，极间电压降为0。从故障检测的角度来看，直流线路断线故障是比较容易识别的，因此其监测系统判断直流线路发生断线故障后，触发控制保护装置，将停运换流站并断开输电线路进行检修。

总体而言，断线故障对于多端系统和双端系统产生的影响并不一样，因此应针对实际拓扑采用不同的控制策略来保证整个系统的稳定运行。

3.2.4 交流侧单相接地故障

交流侧单相接地是实际工程中常见的故障，在中低压系统发生单相接地故障时，一般对系统影响并不严重。在VSC-MTDC 系统中VSC2 的变压器6 kV 侧发生A 相永久性接地故障，故障时刻3.0 s。仿真结果见图10。

由图10 可以看出，交流侧单相接地故障发生后，VSC-MTDC 系统各直流线路的直流电压、电流均发生突变，由于单相接地属非对称故障，故电流中出现了大量的谐波分量。Line1～Line4 线路谐波电流最大幅值分别为：0.25 kA （故障前0.009 1 kA）、0.3 kA（故障前0.067 kA）、0.1 kA（故障前0.017 kA） 和0.15 kA（故障前0.059 kA），由此可见谐波电流最大幅值发生在故障换流站所连接的线路上；故障发生后各换流站正负极直流电压幅值变化基本在±（6±0.5） kV。输送功率仅在换流站1（直流电压控制） 和换流站2 有突变，换流站2 注入功率因谐波产生一定幅度的波动，其余线路并没有变化，这与电流变化的情况相对应。如果故障能够自行消失，系统能够回到初始运行状态。

3.2.5 交流侧三相短路故障

交流侧三相故障在实际工程中并不常见，一旦发生危害很大。在VSC-MTDC 系统VSC2 的变压器6 kV 侧发生永久性三相短路故障，故障时刻3.0 s。仿真结果见图11。

图9 双端系统断线故障波形

图10 交流系统单相接地故障波形

图11 交流系统三相短路故障波形

由图11 可以看出，交流侧发生三相短路故障后，换流站2 注入系统有功功率从0.7 MW 经振荡后降为0，使得VSC-MTDC 系统各直流线路的电压、电流均发生变化。其中Line1 线路电流由0.009 kA 上升为0.053 kA；Line2 线路电流由0.067 kA 下降为0.053 kA；Line3 线路电流由0.017 kA 上升为0.032 kA；Line4 线路电流由0.059 kA 上升为0.074 kA；电压除在故障瞬间有扰动外，按照潮流情况变化不大。故障换流站注入功率降为0 后，直流电压控制换流站功率增大，其余换流站输送功率没有变化。

4 结论

本文以电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD（power system computer aided design） 建立的VSCMTDC 模型为基础，仿真研究了多端柔性直流输电系统中直流侧单极接地、极间短路、断线故障以及交流侧单相接地、三相短路故障情况，分析了故障特征，得出如下结论。

a） 多端柔性直流输电系统发生单极接地故障时，将会产生一个很大的浪涌电流，故障极电容电压逐渐下降至0，非故障极电容电压将上升为正常情况下的2 倍，但极间电压不变。输送功率在故障时刻也会出现一个暂态的突变过程并逐步趋于稳定且输送功率与故障前相同。

b） 多端直流系统发生断线故障后，断线线路的故障极电流降为0，系统潮流也随之发生变化，可以说对系统影响并不大；双端系统发生断线后，送端换流站侧稳态直流电压将会高于正常水平，受端换流站侧电压则持续降低。总体而言，断线故障对于多端系统和双端系统产生的影响并不一样，因此应针对实际拓扑采用不同的控制策略来保证整个系统的稳定运行。

c） 交流侧单相接地故障发生后，VSC-MTDC系统直流电压变化不大，各线路电流均发生突变，且电流中出现大量谐波分量；输送功率的突变仅在与故障点相关的输电线路上，其余线路并没有变化。可见，如故障能够自行消失的话，对系统影响不大且故障消失后能够回到初始运行状态。由于单相接地故障的非对称性，造成了电流中出现了大量的谐波分量。

d） 交流侧发生三相短路故障后，VSC-MTDC系统各直流线路的电压、电流均发生变化，故障换流站与直流电压控制换流站之间线路电流减少，其余换流站均出现电流增大的情况。故障换流站输送功率经振荡后降为0，直流电压控制换流站功率增大，其余换流站输送功率没有变化。