应用于远距离架空线直流输电的混合MMC直流故障清除方式比较分析

许树楷，周月宾，杨柳，张楠，曹琬钰

(1. 直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院)，广州510663；2. 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心，广州 510663)

0 引言

在高压直流输电系统的受端采用MMC[1 - 3]，可以避免晶闸管换流器所带来的换相失败风险和降低对受端电网强度的要求。例如，在我国乌东德电站送电广东广西特高压混合直流输电工程中，在两个受端分别采用了±800 kV/5 000 MW和±800 kV/3 000 MW的MMC，直流线路为约1 500 km长度的架空线[4 - 6]。

常规半桥MMC无法自己清除直流短路故障电流。在远距离大容量直流输电系统中，直流架空线成为不可避免的选择，因此直流故障清除也成为最关键问题之一[7 - 12]。目前的一类技术路线是采用高压直流断路器，但高压直流断路器在技术成熟度、成本和体积等方面还仍存在较大挑战。另一类技术路线是改进MMC拓扑结构使其具备直流故障自清除能力。例如，箝位双子模块MMC通过在两个半桥子模块间加入箝位电路实现故障电流阻断[11 - 13]。类似地，交叉箝位子模块、二极管箝位子模块等多种新的拓扑方案也被提出[14 - 16]。全桥子模块具有固有直流故障电流阻断能力[16 - 18]，但是与半桥子模块相比需要二倍数量开关器件。相对于全部采用全桥子模块的MMC，采用半桥子模块与全桥子模块结合的混合MMC可以减小所需开关器件数量[19 - 21]。由于全桥子模块的结构设计和实现与半桥子模块相近，并且混合MMC的运行原理与控制方式也与半桥MMC相近，因此目前在实际应用中对混合MMC具有较高的接受程度。在乌东德特高压直流输电工程中，为了实现长架空线直流线路故障清除，两个受端换流器就是采用了混合MMC拓扑。

在已有基于混合MMC清除直流故障研究中，大多采用换流器闭锁方式实现直流故障清除[21 - 22]。混合MMC闭锁后，全桥子模块电容串入直流故障电流回路，通过全桥子模块电容的反压阻断直流故障电流。另外，现有研究多关注如何使MMC拓扑具有直流故障自清除能力，对长距离线路对直流故障清除特性的影响的研究较少。当故障距离较远时，直流线路电感大，存储的能量非常大，会导致故障清除时间相对较长。当故障的清除时间较长时，故障电流可能会发生多次在MMC桥臂间换相的过程中[21 - 22]，使得故障电流清除过程的动态过程变得非常复杂。当长距离输电线路中的存储能量较大时，还会引起混合MMC全桥子模块电容上出现较大的电压升高[22 - 23]。如果不能对考虑长架空线影响的直流故障清除动态过程进行准确描述，就难以准确估算故障清除时间和全桥子模块过压，也无法正确对混合MMC的参数进行设计。

另一方面，由于全桥子模块可以输出负电平，混合MMC的直流输出电压在一定范围内连续可调。因此，在直流故障发生后，也可以不采用换流器闭锁方式，而是通过调节混合MMC的直流电压来主动控制和清除故障电流，本文将其称为直流故障主动清除方式[23 - 25]。在主动清除方式中，由于直流故障清除过程中MMC仍维持运行，直流线路中储存的能量可以被输送到交流电网中，而不是转移到全桥子模块的电容中，在采用合适的控制策略的前提下，可以避免全桥子模块的过电压问题。但是，架空线距离同样对主动清除方式的故障清除特性有重要影响。为了提高故障清除速度，换流器应能够输出足够的负向直流电压，使直流故障电流迅速降至0，因此也需要建立准确的模型描述线路长度、桥臂全桥子模块比例与故障清除速度之间的关系。另外，故障清除过程中直流线路电压和MMC电容电压的控制策略也是实现快速故障清除和避免电容过压的关键环节。

虽然闭锁清除方式和主动清除方式都可以实现混合MMC的直流故障清除，但是对于两种方式的故障清除特性差异、参数设计要求以及适用场合等仍缺乏全面的分析和比较，故障清除方式的选择和混合MMC参数设计等仍缺乏明确的依据。本文结合乌东德特高压混合直流输电工程，分别针对两种故障清除方式分析了故障清除过程的精确动态模型，研究了架空线路长度和桥臂全桥子模块比例对故障清除速度和子模块过电压的影响。针对主动清除方式，还提出了故障清除过程中直流电压和子模块电容电压的控制策略，可以基于混合MMC直流电压的动态变化清除故障电流，并且在将长架空线路能量转移到交流电网的同时实现子模块电容电压的稳定控制，避免子模块电容出现过压。以基于混合MMC的1 500 km远距离直流输电系统作为研究实例，通过对多种工况的理论分析和数字仿真，对两种不同方式的直流故障清除特性进行了详细比较研究，提出了直流故障清除方式的选择原则和混合MMC参数的设计依据。

1 混合MMC闭锁清除方式分析

1.1 闭锁清除方式动态过程模型

图1所示为混合MMC的基本结构。

图1 混合MMC基本拓扑结构Fig.1 Basic topology structure of hybrid MMC

桥臂中全桥子模块的比例定义如下：

(1)

式中：N为每个桥臂中的子模块总数；Nfb为全桥子模块数目。

混合MMC采用闭锁清除方式时，当直流故障发生后，故障电流快速上升。一旦故障电流达到过流保护阈值，混合MMC中的所有开关都会被闭锁。图2显示了混合MMC闭锁后的故障电流等效电路。所有半桥子模块都通过下二极管被旁路，所有全桥子模块的电容串入故障电流回路，并产生反向电压来阻断故障电流。在直流故障清除过程中的任意时刻，直流故障电流流过至少一相中的一个上臂，以及另一个相中的一个下臂。图2所示为故障电流通路的一个特例，在此特例中故障电流流过A相上桥臂和B相下桥臂。故障清除过程中故障电流具体流经哪个桥臂主要是由三相交流电压的大小决定的。可以认为故障电流是流过瞬时交流电压最高的一相的上桥臂，以及瞬时交流电压最低的一相的下桥臂。在图2中，x和y分别用于表示故障电流回路中上下臂的所在的相，其中x=a、b、c，y=a、b、c，且x≠y；而ufb_x_p和ufb_y_p分别表示上下臂中所有全桥子模块电容器电压的总和。

在直流线路距离较短时，故障清除速度较快，因此故障电流在不同桥臂中换相的现象并不明显。但是，直流线路距离较长时，故障清除时间也较长，在故障清除过程中故障电流就会发生在桥臂间换相的现象。如图2所示，在故障电流清除过程中的任意时刻，等效电路为二阶RLC电路。但是故障电流的换相将导致故障清除过程中二阶RLC电路的通路发生变化，电路的状态变量也发生变化，并且存在不连续性问题。

图2 闭锁清除方式的等效电路Fig.2 Equivalent circuit for the clearing mode of the converter-blocking

如图3所示，在三相交流电压的每个交叉点处，故障电流将从一个桥臂换相到另一个桥臂。为了解决故障电流换相引起的电路变化和状态变量不连续性问题，根据三相交流电压的交点，文献[21]中提出将动态过程划分为若干阶段，建立分段描述的动态模型。在每个阶段的开始，故障电流回路中的两个桥臂中将有一个换相为新的桥臂，新插入到故障回路的桥臂的全桥子模块电容电压之和用ufb(k)(t)表示，其中k表示阶段编号。由于在上一个阶段已经被故障电流充电，因此原桥臂的全桥子模块电容电压比新插入的桥臂的电压高ΔU(k)。在每个阶段，两个桥臂的电压升高速度是相同的，因此，以ufb(k)(t)和idc(k)(t)为状态变量，第k阶段的动态方程可以表示为：

(2)

式中：0≤t

图3 闭锁清除过程示意图Fig.3 Sketch diagram of the fault blocking clearing process

文献[21]中也提出了上述分段动态方程的实用时域解求解方法，可以逐阶段地求解直流故障电流和全桥子模块电容电压和，进而准确估计故障清除时间和全桥子模块电容过电压。本文将引用上述结论对故障清除时间和子模块过电压进行分析。

1.2 闭锁清除方式故障清除时间分析

实际故障清除时间可由式(3)进行计算[21]。

(3)

式中变量δ、ωd和β分别由式(4)—(6)进行计算。

(4)

(5)

(6)

其中

(7)

图4所示为根据式(3)计算得到的在不同故障距离下故障清除时间随桥臂中全桥子模块比例变化的曲线。可以看出，闭锁清除方式总体上具有较快的直流故障清除速度。在相同故障距离下，桥臂中全桥子模块的比例越高，故障清除速度越快。在全桥子模块比例相同时，故障距离越大，所需的故障清除时间就越长。

图4 闭锁清除方式故障清除时间随全桥子模块比例和故障点距离变化的曲线Fig.4 Curves of fault clearing time varing with the proportion of full-bridge submodule and fault point distance

1.3 闭锁清除方式全桥子模块过电压分析

换流器闭锁后，线路电感和桥臂电感中存储的能量将转移到全桥子模块，并引起全桥子模块电容的电压uc升高。在故障清除过程中，随着三相交流电压的变化，6个桥臂交替插入故障电流回路，直流故障电流也是对6个桥臂的全桥子模块电容交替充电，并且每个桥臂插入故障电流回路的持续时间最多为2个阶段。如果换流器闭锁正好发生在三相交流电压的交点，某个桥臂在前两个阶段中将持续被故障电流充电，这个桥臂出现的电容过电压将是整个故障清除过程中最大的。故障清除过程中出现的电容电压最大值可估算如下[21]。

(8)

其中

(9)

图5为在不同故障距离下，全桥子模块的最大可能过压程度随桥臂中全桥子模块比例变化的计算结果曲线。可以看出，直流故障距离越大，存储在直流线路中的能量也越大，转移到全桥子模块电容后引起的过压程度也越高。当全桥子模块比例为50%、故障距离为1 500 km时，最大可能的过压程度达到了约62%，对MMC的安全性带来较大威胁，这是闭锁清除方式面临的一个主要问题。虽然提高桥臂中全桥子模块的比例可降低每个全桥子模块电容的过压程度，但也会带来成本和体积的增加。

图5 闭锁清除方式故障清除过程全桥子模块过压随全桥子模块比例和故障点距离变化的曲线Fig.5 Curves of fault clearing time varing with the proportion of full-bridge submodule and over voltage fault point distance

2 混合MMC主动清除方式的分析与控制

2.1 混合MMC直流电压可调范围分析

因为全桥子模块可以产生负电平输出，混合MMC具有可调的直流母线电压，图6说明了混合MMC能够产生可调直流电压的原理。如图6(a)所示，在正常运行时的混合MMC的桥臂电压输出方式与常规半桥MMC相同。此情况下，桥臂输出电平状态上边界为桥臂级联子模块数目N，下边界为0。桥臂电压的直流分量就是桥臂上下输出边界的中心线，这也决定了MMC的直流母线电压。桥臂输出电压上下边界之差则决定了MMC交流输出电压的范围。由于全桥子模块可以输出负电平，当混合MMC中存在Nfb个全桥子模块时，桥臂输出电平状态的下边界最多可以变为-Nfb。这种情况下，在不影响MMC交流输出电压范围的约束条件下，图6(a)的桥臂输出电压上、下边界可以同时向负方向平移，向下平移的程度可以通过调节所输出的负电平幅度连续可调，这也等效于使MMC直流侧电压连续可调。

如图6所示，在桥臂中含有的全桥子模块数目为Nfb的情况下，MMC直流电压向下可调的限值如下。

(10)

式中UdcN为直流额定电压。根据式(10)，图7给出了MMC直流电压可调下限随全桥子模块比例系数变化的曲线。也就是说，当全桥子模块比例系数为ηfb时，在图7所示的斜线对应点的上方范围内MMC直流电压可以连续可调。例如，当ηfb=50%时，MMC直流电压的可调范围为0～UdcN；当ηfb=75%时，MMC直流电压的可调范围为-0.5UdcN～UdcN。

图6 混合MMC的桥臂电压示意图Fig.6 Sketch diagram of arm voltages of the hybrid MMC

图7 混合MMC输出负直流电压的范围与桥臂全桥子模块数目比例之间的关系曲线 Fig.7 Relationship curve between the negative DC voltage range and the bridge arm full-bridge submodule quantity

2.2 主动清除方式的直流电压和及子模块电容电压控制策略

图8给出了混合MMC主动直流故障清除方式的等效电路。当检测到直流故障发生后，混合MMC并不闭锁，而是仍然处于运行状态，只是切换到负压输出状态，迫使直流故障电流下降，直至下降到零。图9所示为主动直流故障清除过程的电压电流示意图。当发生直流故障后，混合MMC输出负压，使直流故障电流在负压的作用下开始下降。直流负压越大，直流故障电流下降速度越快。

图8 主动清除故障过程等效电路 Fig.8 Equivalent circuit of the active-clearing process

图9 主动清除方式故障清除过程示意图 Fig.9 Fault-clearing process of the active-clearing approach

在主动清除方式过程中，如图10所示。

图10 主动清除方式控制框图 Fig.10 Control block diagram of the active-clearing approach

需要通过一个闭环控制器将故障电流控制到零。一旦检测到直流故障，混合MMC就切换到故障电流闭环控制模式。为了使故障电流迅速降为0，可利用较大的比例系数(kp)产生直流端口参考电压。根据每个桥臂中全桥子模块的比例，将直流端口电压限制在 [Uneg_lim,UdcN] 范围。然后，直流故障电流可以被控制在0附近，直到直流故障被清除。

MMC交流侧电流可以仍采用dq坐标系下的解耦控制方法。子模块电容电压是MMC交、直流侧有功功率平衡的体现。如图10所示的控制框图，将子模块电容电压闭环控制作为外环控制，产生d轴电流参考分量，以子模块电容电压保持额定值为目标，将直流线路中的额外能量传送到交流电网中。这可以避免闭锁方式下的全桥子模块电容过压问题，也是主动清除方式的主要优势。q轴电流参考分量仍可以由无功功率外环控制产生，在故障清除期间可以根据交流电网的需要提供动态无功功率支撑。

2.3 主动清除方式的故障清除时间分析

如图8所示，主动方式直流故障清除过程中的等效电路为一阶RL电路，其中等效电感Leq可由式(11)进行计算。

(11)

此一阶电路的时间常数可由式(12)进行计算。

(12)

这样，直流故障电流变化的动态过程可由式(13)表示。

(13)

通过求解式(13)可以计算出故障电流下降到0所需的时间，可由式(14)表示。

(14)

式中：Ipeak为故障电流过流保护动作值；I∞为RL电路的稳态解，可由式(15)进行计算。

(15)

将式(15) 代入式(14)，故障清除时间可由式(16)进行计算。

(16)

图11所示为根据式(16)计算得到的在不同故障距离下故障清除时间随桥臂中全桥子模块比例变化的曲线。可以看出，在全桥子模块比例只是略高于50%的情况下，混合MMC所能输出的负压较低，直流故障的清除速度较慢，尤其是在故障距离较大时更为明显。随着桥臂中全桥子模块的比例升高，混合MMC的负压输出能力也提高，故障清除速度变得更快。与闭锁清除方式相比较，主动清除方式的故障清除速度较慢，尤其是在全桥子模块的比例较低的情况下。

图11 主动清除故障时间随全桥子模块比例和故障点距离变化的曲线Fig.11 Curves of the active clearing fault time varing with full-bridge submodule and fault point distance

3 闭锁清除方式与主动清除方式的仿真研究与对比分析

如前文所分析，闭锁清除方式具有相对较快的故障清除速度，但是长架空线的能量转移将使全桥子模块电容上出现较大的过压。主动清除方式可以通过将线路能量传递到交流电网避免故障清除过程中的子模块电容过压，但是故障清除速度相对较慢。两种故障清除方式的故障清除时间和电容电压过压程度与故障距离和全桥子模块的比例也密切相关。为了进一步比较两种故障清除方式的特点，并为故障清除方式的选择和混合MMC的参数设计提供依据，以乌东德混合直流输电工程±800 kV/5 000 MW双极MMC为研究对象，基于PSCAD/EMTDC进行数字仿真研究。±800 kV/5 000 MW的双极MMC每极由两个400 kV/1 250 MW混合MMC串联，构成800 kV/2 500 MW的受端换流器。为了简单起见，在研究中将两个串联的400 kV/1 250 MW MMC视为一个800 kV/2 500 MW的MMC，主要参数如表1所示。混合MMC在故障发生之前处于定直流电压控制模式下，并传输2 500 MW的有功率。

表1 仿真系统的主要参数Tab.1 Main Parameters of the simulated system

3.1 全桥子模块比例为50%时的仿真结果

对于闭锁清除方式和主动清除方式，理论上所需全桥子模块比例ηfb的最小值都是0.5。首先针对ηfb=0.5时，对两种直流故障清除方式进行了仿真研究，故障距离D=1 500 km。

图12为ηfb=0.5时闭锁清除方式的故障清除过程仿真结果。

图12 闭锁方式直流故障清除过程仿真结果(D=1 500 km，ηfb=0.5时)Fig.12 Simulated waveforms of the converter-blocking approach when ηfb=0.5 and D=1 500 km

如图12所示，在t0时刻发生直流故障。当直流线路电流在时间t1超过过电流保护阈值(即4 kA)时，过流保护被触发，混合MMC发生闭锁。混合MMC闭锁后，直流故障电流继续流过各个桥臂的续流二极管和全桥子模块电容。全桥子模块产生反向电压，起到阻断故障电流的作用。与前述的分析一致，如图12中的上、下桥臂电流波形所示，直流故障电流在三相瞬时交流电压的每个交叉点处从一个桥臂换相到另一个桥臂。如图12中的全桥子模块电容电压波形所示，随着故障电流从一个桥臂换相到另一个桥臂，6个桥臂中的全桥子模块电容也交替着被故障电流充电，并引起电容电压上升。在仿真中也对最严重的全桥子模块过电压情况进行了研究。换流器闭锁发生在usc和usa的交叉点附近。在前两个阶段中，A相上臂的全桥子模块电容被持续充电，因此最大的过电压情况也出现在此桥臂的全桥子模块电容上。图12所示故障清除过程的仿真结果与前面的动态模型分析完全一致。

图13为ηfb=0.5时主动方式直流故障主动清除过程的仿真波形。

图13 主动方式直流故障清除过程仿真结果(D=1 500 km，ηfb=0.5时)Fig.13 Simulated waveforms of the active-clearing approach when ηfb=0.5 and D=1 500 km

如图13所示，当故障电流达到过流保护阈值，MMC就切换到故障电流主动清除控制模式。由于全桥子模块数目比例为50%，故障清除过程中可产生直流电压最低只能调节到0，此时直流故障电流相当于自然衰减，故障清除时间非常长。与闭锁清除方式不同，混合MMC在故障清除过程中保持运行，正常工作电流流过桥臂。由于混合MMC保持运行，因此线路中能量是被输送到交流电网，而不是被全桥子模块直流电容器吸收。在直流主动清除过程中全桥子模块未出现明显的过电压。

3.2 全桥子模块比例为75%时的仿真结果

将全桥子模块比例提高到ηfb=0.75，对两种直流故障清除方式进行仿真研究，故障距离仍为D=1 500 km。图14为ηfb=0.75时闭锁清除方式的故障清除过程仿真结果，故障清除过程与3.1节所述类似。但是与如图12所示的ηfb=0.5时的情况相比，可以看出当全桥子模块比例提高后，故障清除速度变得更快，全桥子模块电容上的过压程度也有所降低，但是过压程度仍然比较高。

图14 闭锁方式直流故障清除过程仿真结果(D= 1 500 km，ηfb=0.75时)Fig.14 Simulated waveforms of the converter-blocking approach when ηfb=0.75 and D=1 500 km

图15为ηfb=0.75时主动清除方式的故障清除过程仿真结果。

图15 主动方式直流故障清除过程仿真结果(D=1 500 km，ηfb=0.75时)Fig.15 Simulated waveforms of the active-clearing approach when ηfb=0.75 and D=1 500 km

故障清除过程也与3.1节所述类似。但是与图13所示的ηfb=0.5时的情况相比，当ηfb=0.75时，故障清除过程中可产生最大直流负压为-0.5UdcN(即-400 kV)，这可以使故障清除速度大大加快。虽然故障清除速度仍慢于同等情况下闭锁清除方式，但是已经达到了可以相比的程度。在主动故障清除方式下，全桥子模块电容电压仍然未出现明显的过压。

3.3 故障清除方式的比较和选择原则分析

为了对所提出闭锁清除方式和主动清除方式的故障清除时间和电容过电压的计算模型进行验证，针对不同的全桥子模块比例进行了大量仿真。图16(a)为在故障距离为1 500 km时，两种清除方式的故障清除时间随全桥子模块比例的变化的仿真结果与理论计算结果的对比曲线。在控制策略适当的情况下，可以认为主动清除方式不存在全桥子模块过电压的问题，因此图16(b)仅给出了闭锁清除方式下的全桥子模块过电压程度的仿真结果与理论计算结果的对比曲线。图16中的仿真结果和理论计算结果非常一致，这也说明了所提出的两种清除方式的直流故障清除过程的动态模型的准确性，可以利用该动态模型对故障清除时间和全桥子模块电容过电压进行准确估算。

图16 故障清除时间和全桥子模块过压理论计算和数字仿真结果对比(D=1 500 km时)Fig.16 Comparison of fault-clearing time and full-bridge submodule overvoltage between simulated and calculated results (D=1 500 km)

对于闭锁清除方式和主动清除方式，理论上所需全桥子模块比例的最小值都是0.5。根据前述的仿真结果及分析，在全桥子模块比例较小时(例如ηfb=0.5时)，闭锁清除方式所面临的主要问题是全桥子模块电容过压很大，对器件安全带来很大的威胁；主动清除方式所面临的主要问题则是故障清除时间非常大，可以达到几百毫秒甚至更大。在全桥子模块比例提高到一定程度时(例如ηfb=0.75时)，闭锁清除方式的电容过压可以降低，但是数值仍然较高；主动清除方式的故障清除时间虽然仍大于闭锁清除方式，但是两者数值已经开始比较接近，并且达到了可以接受的程度，并且主动清除方式不存在全桥子模块电容过压的问题。

因此，在长架空线应用场合，综合故障清除速度和子模块电容过压程度的考虑，主动清除方式是一种更优的选择。在选择全桥子模块比例时，为了获得可以接受的故障清除速度，全桥子模块比例应适当高于0.5的最低要求值。根据图16(a)，建议全桥子模块比例至少大于0.6。

4 结语

基于混合MMC清除直流线路故障时，可以采用闭锁清除方式或主动清除方式。在选择故障清除方式和设计混合MMC参数时，必须考虑长架空线路电感对故障清除时间和子模块电容过电压的影响。针对闭锁清除方式，动态模型需要考虑故障清除过程中故障电流在桥臂间的换相现象，以准确估算故障清除速度和子模块电容过电压。对于主动清除方式，全桥子模块的比例决定了混合MMC的输出负压能力，并决定了故障清除速度。针对主动清除方式，所提出的直流电压和子模块电容电压的控制策略，可以实现混合MMC直流电压的动态变化以清除故障电流，并且在将长架空线路能量转移到交流电网的同时实现子模块电容电压的稳定控制，避免子模块电容出现过压。

基于动态模型分析了故障距离和桥臂全桥子模块比例对故障清除时间和子模块电容过电压的影响。以一个基于混合MMC的1 500 km远距离架空线直流输电系统作为研究实例，通过理论分析和数字仿真，对两种不同清除方式的直流故障清除过程和性能进行了比较研究。在全桥子模块比例较小时，闭锁清除方式所面临的主要问题是全桥子模块电容过压程度很大，主动清除方式所面临的主要问题则是故障清除速度较慢。因此两种清除方式都需要将全桥子模块比例提高到一定程度，在这种情况下，主动清除方式的故障清除时间虽然仍大于闭锁清除方式，但是故障清除速度已经比较接近，达到了可以接受的程度。并且主动清除方式不存在因线路能量转移而引起的全桥子模块电容过压的问题。因此，在长架空线应用场合，综合故障清除速度和子模块电容电压过压程度的考虑，主动清除方式是一种更优的选择。