LCC- HMMC 高压输电系统的LCC 侧直流故障分析

邵俊人 刘 熠 陈 迁 龙 磊 吴明位 吕永兵 张 林 辛业春

（1、中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局，云南 昆明650000 2、东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林132012）

我国资源分布和电力需求存在东西部不匹配的现状，决定了西电东送在我国能源传输中的必要性[1-2]。目前，电网换相换流器高压直流输电系统（即LCC-HVDC）存在着无法对弱交流系统供电、逆变站换相失败故障、运行过程中需要消耗大量无功功率等缺陷[3，4]；西门子公司发出的模块化多电平换流器直流输电系统（即MMC-HVDC）是以全控型电力电子器件为基础的电压源型换流器高压直流输电（即VSC-HVDC）的众多输电拓扑中最具有发展空间[5]。MMC-HVDC 在包含VSC-HVDC 全部优点的同时，又由于MMC 站的特殊拓扑结构，使得MMC-HVDC 输电系统可以更加优越的性能：器件开关频率低、通断功损小、节省交流滤波器组的花销以及其扩展性优良等性能。这些特性使得MMC-HVDC 更适合投入到高直流电压、大功率输电的电力系统。但是MMC-HVDC 的拓扑结构过于复杂导致造价过高经济性差、不易于迅速地处理直流故障的弊端，同时限制MMC-HVDC 在长距离大功率输电系统中的投入使用。

目前的输电系统，希望可以将LCC-HVDC 和MMC-HVDC的优点综合到一起，构建出一种混合型的直流输电系统成为了日益趋势。文献[5-7]提出的混合型高压直流输电系统，其送端采用传统直流输电方式LCC，受端采用模块化多电平换流器高压直流输电方式MMC，从而将LCC-HVDC 的技术成熟和成本低廉与MMC-HVDC 技术的良好调节性能综合起来。

本文为提升LCC-MMC 型混合直流输电系统的安全可靠性，而对系统的故障特性进行分析，从LCC 侧与MMC 侧两个角度分别进行其直流故障特性的分析以及提出应对策略。最终通过MATLBE 仿真平台搭建了仿真系统，对故障特性理论分析结论进行验证。

1 故障特性分析

本文以双端单极直流输电系统为例，所设计的混合直流输电系统接线图如图1 所示。其中，整流侧与逆变侧的网侧母线等值电压分别为US1、US2，整流侧变压器为T1a、T1b，交流系统的等值阻抗为ZS1、ZS2，逆变侧变压器为T2。其中，整流侧由12 脉动换流器构成，逆变侧则由MMC 构成，混合系统MMC 侧的拓扑结构图如图2 所示。

逆变侧由MMC 构成，如图2 所示。其由三相六桥臂构成，每个桥臂由一个电抗器丛及若干个半桥子模块构成。MMC 中子模块有三种工作模式，分别为投入模式、切除模式与闭锁模式。设置在逆变侧直流母线出口处的大功率二极管阀组为VDp，其作用为阻断发生直流故障时的故障电流通路[5]。

LCC 侧线路接地故障：

当LCC 侧发生直流接地故障的时候，整流侧LCC 的输出电压会迅速下降，并且随之出现较大的故障电流，该电流会随时间而下降，由于系统中储能元件和系统中磁效应的影响，输出电流不能瞬时完成变化，所以这个下降过程是一个震荡衰减的过程。

图1 双端混合直流输电系统的拓扑结构

图2 混合系统MMC 侧的拓扑结构图

2 数学模型

以12 脉动换流器为核心的混合直流输电系统整流侧的拓扑结构，设其换流变压器阀侧空载线电压有效值为U1、Ud1为直流电压、Ud2为逆变站直流电压、Qc1为换流器吸收的无功功率、触发延迟角为α、直流电换相重叠角为μ、直流功率为Pd1、每相换相电抗为Xr1、直流电流为Id、功率因数为cosφ，则可得[8]：

式中，i2m（m=a，b，c）为MMC 阀侧电流；v2m（m=a，b，c）为MMC内电动势；L 及R 分别为换流站等效电感以及等效电感的杂散电阻值。

3 仿真验证

整流侧直流故障仿真：

1.5s 时在整流侧直流出口处发生金属性接地故障。

图3 流故障仿真波形

由图3 可得，图3a 为整流侧直流电流变化曲线，在启动时没有明显的过电流现象，有明显的缓慢上升的过程，最后趋于平稳；在1.5s 时发生了接地短路故障，此时出现非常大的过电流接近正常运行时的2 倍，由于电流过大可能会造成系统失去稳定性；在1.65s 时，直流电流稳定在0A 的附近震荡。

图3b 为整流侧直流电压变化曲线，在启动时有明显的缓慢上升的过程，最后趋于平稳；在1.5s 时发生了接地短路故障，此时所测线路电压与大地电压相同为0V。

4 结论

根据以上分析可知，当LCC-MMC 双端系统中送端LCC 发生直接接地故障时，会造成电压大幅度下降到0V 附近，引起突然产生过大的故障电流，使得系统失去稳定性；当故障类型为永久性故障时，导致功率中断，该系统不能正常供电，导致供电失败的同时也会对设备造成一定的损坏，引起巨大的经济损失，必须考虑一定的保护装置对系统进行保护，为逆变侧的MMC 提供了功率传输所必须的稳定的直流电压。