基于模块化多电平换流器的直流系统故障电流分析及故障穿越测试

曾淑殷华, 王渝红, 陈 勇

(四川大学电气工程学院，成都 610065)

随着电网技术的逐步发展，基于电压源变换的直流输电(voltage source converter based，VSC-HVDC)技术越来越受青睐，它是一种以电压源换流器为核心的输配电技术；并且可以实现大区域电网间的非同步互联及隔离并且具有不存在换相失败、有功功率的快速解耦控制、输出电压电流谐波含量低等优势。模块化多电平换流器(madular multilevel converter, MMC)技术的应用提升了柔性直流输电工程的电压等级和输电能力，由于其模块化结构，高效率和低输出电压谐波含量，被认为是最有前景的高压直流输电系统[1-2]。

文献[3]着重于MMC-HVDC系统中双极短路故障机理及暂态特性研究，并说明了故障条件下的控制和保护方法以及相应的故障检测和诊断方法。文献[4]模拟了不同的直流故障并提出了全桥型MMC-HVDC直流短路故障穿越控制的保护策略。文献[5]分析了MMC-HVDC的故障特征，但它只是表示终端总线单相接地故障和直流线对地故障并不是很深入。文献[6-8] 通过对短路故障的暂态特性建立数学模型,进而分析MMC-HVDC系统直流母线上双极短路故障的暂态特性,推导出故障电流的数学表达式,并提出利用比例因子的方法来改进等效电容值,从而使故障电流计算值更精确。基于等效电路分析了直流极对极短路的故障电流特性，但等效电路的等效电容不准确。绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)是MMC子模型的主要元件，其抗过压和过流的能力远低于晶闸管，直流侧极间短路是MMC最严重的故障之一。文献[9-11] 阐述了直流短路电流计算方法的中外标准差异分析，证明了循环电流在换流器内部循环不会影响输出电流，但会增加换流器桥臂的损耗。介绍了在发生极对极短路故障时阻断子模型之前的瞬态过程，分析了短路电流特征，推导出了放电电流公式。

当发生直流极间短路故障时，MMC交流侧有功功率无法传输到直流母线，此时，MMC不仅要防止直流短路故障扩展到MMC的交流侧，还要清除直流侧故障电流。如果MMC能够以失去交流电流控制能力为代价控制直流故障为零，那么将其称为直流短路故障阻断能力。在这种情况下，交流电网应通路器去耦。如果MMC还可以通过交流电网侧无功功率的控制将直流故障电流控制为零，那么这就称为直流短路故障穿越能力。具有直流短路故障穿越能力的MMC可以在直流短路故障情况下作为STATCOM工作，以支持交流电网正常运行。其中文献[12]阐述了输出电流控制器、循环电流控制器、PWM和分类的细节。文献[13-15]提出了直流故障穿越能力的低损耗MMC拓扑并研究了柔性直流故障穿越的能力。

基于临界故障电阻分析，研究了MMC的传输系统的直流短路穿越的能力。MMC使用全桥FB单元。模拟两种运作模式。在第一种模式中，通过在故障期间注入无功功率，一旦故障被清除就恢复其正常操作，如果故障期间的直流链路电阻不为零，则第二模式可运行且功率设备可以承受故障电流。在此模式下，MMC受控制在故障期间传输有功功率，而不会影响其正常运作。

1 MMC-HVDC系统基本原理及模型

如图1(a)所示，MMC中的每个相由两个相同的臂组成，即上臂和下臂。每个臂由N个单元或子模块和具有内部电阻R0的电感器L0串联组成。可以根据所需的输出电压插入旁路。每个单元可以是半桥HB或全桥FB。

如上所述，每个单元可以是半桥HB或全桥FB。HB只能产生正电压，但FB可产生正电压和负电压。在正常操作中电桥仅提供正电压，然而在直流链路中发生短路的情况下，HB单元不提供保护，而FB单元可以阻止短路并提供穿越能力。

如图1(b)所示，输出电压Vx可以定义为上桥臂和下桥臂电压之间的差值。它可以通过KVL定律应用于等效电路的上下环路获得，如式(1)所示。

图1 MMC模型结构和半桥和全桥子模块Fig.1 MMC model structural and half bridge and full bridge submodules

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(4)

图2显示了FB-MMC方框图，使用式(4)产生上桥臂和下桥臂参考电压。 然后，PWM模块计算上桥臂和下桥臂中所需的插入子模块数量Nup、Nlow通过排序算法根据子模块的电容器电压选择要插入的单元，并生成到子模块开关的选通信号。输出电流控制器、循环电流控制器、PWM和分类的细节参考文献[12]。

图2 MMC控制框图Fig.2 MMC control block diagram

2 MMC直流极间短路特性分析

以HB-MMC模型为例，分析了极间短路的特性。当故障发生时，两个换流站都通过续流二极管注入短路电流，就像三相短路一样，同时子模型电容器通过上IGBT放电。桥臂的电流是两种电流的叠加，电容器的放电电流是其主要成分[13]。几毫秒后，换流器闭锁，电容器停止放电，但交流电网仍然通过续流二极管注入短路电流。以单相为例，在子模块被阻塞之前，它主要是一个电容放电过程，且是一个二阶等效电路。等效放电电路如图3所示。

图3 放电电流示意图Fig.3 Discharge point current diagram

从图3可以推导出电压和电流计算公式：

uc=A1ep1t+A1ep2t

(5)

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原始状态：

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可以导出等效电容器电压：

(8)

式(8)中：

(9)

(10)

从式(10)中可以推导出放电电流达到峰值的时间和峰值。

(11)

(12)

3 直流短路阻断和故障穿越

柔性直流输电系统正常运行的一个重要准则是输入和输出功率的平衡。若输入功率大于输出功率会引起直流电压升高，反之直流电压降低，系统不能正常工作。当换流站近区交流系统发生三相短路故障后，换流站的输送功率会瞬间大幅下降。在直流极对极故障下MMC的保护响应与传统的直流转换器不同。直流链路的电容不会直接连接到传输线，而是分布在整个换流器中。因此直流传输线发生短路故障时，换流器会闭锁，可以避免高放电电流系统,可以在故障清除后立即恢复正常操作，这提高了保护系统的有效性。

MMC在故障情况下的保护响应取决于电桥设计和控制策略。如果使用HB-MMC，即使在检测到故障时电源开关被阻断，故障电流也会通过续流二极管循环并产生不可逆转的损坏。在这种情况下，HB-MMC需要辅助开关，如晶闸管或三端双向可控硅开关，以在故障期间旁路(和保护)续流二极管，提供一个替代电流路径，以减少续流二极管上的承受力(图4)。

图4 阻断模式下HB-MMC中的短路电流路径等效电路Fig.4 Short-circuit current path equivalent circuit in HB-MMC in blocking mode

在FB-MMC的情况下,一旦检测到故障，关闭电源开关将自然地抑制故障电流。在这种情况下，故障电流通过续流二极管，为子模块电容器充电，然后总的电容器电压变得大于AC线电压，最终阻断故障电流。因此，不需要包括辅助开关或其他保护措施[14-15]。

零功率传输(STATCOM操作)FB单元可以产生双极性电压使FB-MMC不仅能够阻止直流故障电流，还能够实现故障穿越。当检测到直流故障时，FB-MMC可以通过设置上桥臂的直流偏移值V，产生交流电压，使交流侧的有功电流等于零(以及相应的直流电流也为零)，下臂参考电压等于零。而交流侧电压和无功功率不受故障影响。因此在故障期间，MMC作为STATCOM运行，以无功功率支持电网，而在MMC的AC和DC侧之间没有有效功率传输。

(13)

4 故障穿越有效电力传输

在容错控制系统中，如果发生故障，控制器必须决定阻止转换器并隔离故障线路或者穿越故障并继续支撑电网正常运行。选择方法将取决于故障的性质(永久性或瞬时性故障)和传输线类型(电缆或架空线)。如果使用电缆，故障通常由外部机械应力引起，故障是永久性的，需要完全隔离故障电缆；如果使用架空输电线路，故障通常是由雷击或外部污染引起的，故障是瞬时性的可以自清除，则故障穿越技术是首选[16-17]。

从前部分可以得出结论，如果在直流链路中发生永久的极对极短路故障，则不能在AC与MMC的DC端口之间传输电力。在这种情况下，MMC控制的目标是使DC电流等于零而不中断MMC的操作(即禁用控制或触发保护)。这样做可以在故障被清除后立即恢复正常操作。在非永久性(瞬时性)短路故障的情况下，如果DC故障电阻不为零，则有可能通过DC链路传输有功功率。该功率的一部分

将馈送故障，剩余的功率将被传输至DC线路。该策略适用于故障穿越，其中将MMC的AC侧的功率尽可能多地传输给MMC的DC侧。

在DC故障下传输有功功率是一项具有挑战性的任务，因为MMC的操作必须适应故障的特性。故障阻抗取决于传输系统(地下、海底电缆或架空传输线)的性质和故障类型(极对地、极对极或极对极接地故障)。故障电阻的偏移值在0.123～0.246 pu变化[18]，将取0.123 pu来验证。

图5示出了在传输线中点发生直流短路故障时，MMC-HVDC传输系统的直流等效电路，故障电阻为Rsc。应用基尔霍夫电压定律(KVL)，逆变器和整流器电流irect、iinv可以导出。

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5 对故障电阻Rsc的灵敏度分析

在前面的讨论中，使用故障电阻Rsc的估计值来调电流控制器。但是实际工程中阻抗误差是未知的，必须预测估计值和实际值之间的偏差。如果故障电流控制器产生故障，会影响FRT性能。如果要使用零极点消除，PI控制器参数取决于系统传递函数，如式(18)所示。

图5 故障下的直流输电线路等效电路Fig.5 Equivalent circuit of HVDC transmission line under fault

(18)

如果Rsc估计值与实际值偏差太大，那么控制器零点将不会与系统的真实极点抵消。可能会出现控制器零点小于或大于实际极点。

(19)

当控制器零点小于实际极点时，系统会出现欠阻尼响应。在控制器零大于实际极点的情况下，系统可能具有过阻尼响应。Rsc的偏差越大，过冲越大。

6 仿真结果

对于所提出概念的初步验证，使用PSCAD/EMTDC构建了两端FB-MMC直流系统，如图7所示，主要参数如表1所示。

从故障发生至清除可分为两个阶段：①故障检测阶段。故障发生后直流电流上升，模块电容放电导致电压下降。②故障穿越阶段。换流器闭锁后，直流侧故障电流下降直至零，直流网络储存的能量回馈至模块电容里，导致电容电压上升[2]。

图7 MMC-HVDC的仿真拓扑结构Fig.7 The simulation topology of MMC-HVDC

表1 FB-MMC的主要参数Table 1 Main parameters of FB-MMC

图8显示了STATCOM工作模式下的仿真结果。在t=0.3 s发生了永久性极间故障，在t=0.305 s时启用故障穿越(fault ride through， FRT)。在t=0.4 s时清除故障。如图8所示，当直流侧线路电压设置为零时可以抑制短路电流。此时逆变器电流、整流器电流和短路电流Iinv、Irect、Isc也等于零。此时逆变器作为STATCOM运行，穿越期间逆变器有功功率为零，但无功功率仍然在支持电网正常运行。此时，全桥子模块产生将交流电压将系统电压维持在其目标值所需的电压范围内，逆变器的桥臂电容电压不受故障的影响，并且在故障期间所有桥臂电容的电压的平均值保持在目标值范围内，因此可以在故障清除后立即恢复正常操作。

图8 STATCOM模式下的仿真结果Fig.8 Simulation results in STATCOM mode

图9展示了使用在故障期间向逆变器传输有功功率的控制策略时直流链路中的故障的仿真结果。在这种情况下的阻抗误差Rsc=0.123 pu。根据式(16)计算短路电阻Rsc。如图9所示，在t=0.3 s时发生瞬时性极间短路故障，FRT在t=0.305 s时启用，经过0.1 s故障清除了，其中故障穿越时传输线两侧的直流线路侧电压已经减小至最小值约500 V，这是控制整流器电流irect和逆变器电流iinv工作所需的最小值。且逆变器电流大约为0.4 kA左右，整流器电流大约为0.3 kA左右，短路电流为0.1 kA左右，此时逆变器传输的有功功率约为0.12 MW。除此之外，逆变器还通过注入无功功率来支持电网正常运行，且在故障期间桥臂电容器电压仍然受系统控制。

图10显示了当故障电阻越大，越有利于故障电流的抑制。当限流电抗器的值越小则故障电流上升速度越大，闭锁时刻的故障电流初始值就越大。若限流电抗器过大，则在交流断路器断开以后，故障电流衰减太慢，不利于设备的绝缘恢复，此外限流电抗器太大也会影响直流系统的动态响应速度[19]。

图9 有功功率传输的FRT仿真结果Fig.9 FRT simulation results of active power transmission

图10 故障电阻和限流电抗器对故障电流的影响仿真曲线Fig.10 Simulation curve of influence of fault resistance and current limiting reactor on fault current

7 结论

以直流极对极短路为例，分析了短路电流特性，特别是电容器放电电流。然后导出放电电流计算公式。基于临界故障电阻灵敏度的分析，提出了一种基于FB-MMC的HVDC传输系统的容错控制策略。描述了操作原理、数学模型和控制系统，并实施了两种不同的故障穿越策略。第一种模式用于发生永久性故障，MMC作为STATCOM运行，在故障期间为公共电网提供无功功率；第二种操作模式可用于非永久性故障和较大的故障电阻情况下，故障期间有功功率通过直流链路传输。使用PSCAD/EMTDC构建了具有两个并网FB-MMC站的完整HVDC传输系统。通过使用该模型的模拟已经证实了所提出的概念的可行性。此外，还进行了关于短路电阻变化影响的简要研究。结果表明，如果短路电阻的估计值偏离其实际值，则会产生具有相对较高过冲的阻尼振荡。