MMC-HVDC 换流变压器复杂性涌流产生机理及其影响分析

郑 涛，何 瑞，潘志远，杨鑫慧

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京市 102206）

0 引言

中国超/特高压交直流输电技术快速发展，目前已建成世界上规模最大、电压等级最高的交直流混联电网［1］。其中，基于模块化多电平换流器的高压直流（MMC-HVDC）输电由于具有运行方式灵活、模块化设计及无换相失败风险等优点［2-5］，在柔性直流输电工程中得到了广泛应用。

换流变压器（简称为换流变）作为连接交流侧和直流侧的重要设备，其阀侧与换流器连接的穿墙套管有可能发生绝缘破损而导致阀侧接地故障，且一般为永久性故障，故障特性相对复杂［6］。现有文献对阀侧故障的研究主要集中在故障特性分析［7-10］和保护策略［11-12］方面。文献［7-10］详细分析了换流变阀侧单相接地故障后的故障特征，故障后上桥臂子模块将产生过电压，下桥臂将产生严重过电流，阀侧电流含有很大的直流分量并持续流向换流变，同时网侧交流断路器无法正常开断。文献［11］利用MMC 闭锁前的零序电流构造出一种换流变阀侧接地故障的快速识别判据。文献［12］针对换流变阀侧单相接地故障后网侧断路器无法正常开断的问题，结合张北柔性直流工程中安装阀侧断路器的工程背景［13］，提出了一种断路器选相跳闸保护策略：换流变阀侧发生单相接地故障后，第1 时限跳开阀侧非故障相断路器，第2 时限跳开网侧三相断路器，最后跳开阀侧故障相断路器。

文献［14-15］从磁链变化的角度对变压器外部故障切除后产生的恢复性涌流现象进行了详细的理论推导。对于MMC-HVDC 系统中换流变阀侧单相接地故障，其故障特性和一般情况下的变压器外部故障特性有所差异。换流变阀侧发生单相接地故障后，阀侧直流分量持续流向换流变，导致铁芯磁链发生偏移，进入到饱和区可能产生故障性涌流［16-18］；之后故障清除策略将跳开阀侧非故障相断路器，由于故障性涌流阶段的磁链积累，铁芯中含有大量剩磁并在阀侧非故障相断路器跳开后产生恢复性涌流。目前，鲜见针对换流变阀侧单相接地故障导致换流变接续产生故障性涌流及恢复性涌流（称为复杂性涌流）的现象进行系统研究。因此，亟须对换流变阀侧单相接地故障诱发复杂性涌流现象进行深入研究。

文献［19-20］详细分析了谐波在交流输电线路的传播特性，指出励磁涌流中的谐波在输电线路传播放大并引起线路末端产生谐波过电压。MMCHVDC 输电系统中换流变阀侧单相接地故障会导致复杂性涌流现象，其在故障性涌流阶段和恢复性涌流阶段的谐波特性与一般情况下的励磁涌流谐波特性有所不同，因而需要明确复杂性涌流对输电线路谐波过电压的影响。

综上，目前国内外针对MMC-HVDC 系统中换流变阀侧单相接地故障后产生复杂性涌流现象的机理及影响还未开展深入研究。本文结合张北柔性直流工程中配置的阀侧故障清除策略，从变压器磁链变化的角度分阶段推导了复杂性涌流的产生机理。在此基础上，进一步分析了复杂性涌流通过交流线路传播放大导致线路末端产生谐波过电压的问题并给出了一种复杂性涌流抑制方案。最后，通过PSCAD/EMTDC 仿真验证了理论分析的正确性。

1 MMC-HVDC 基本结构

以MMC-HVDC 系统正极受端为例，MMC 的拓扑结构如附录A 图A1 所示，包含有6 个桥臂，每个桥臂由一个桥臂电阻R、一个桥臂限流电抗L以及N个子模块（SM）构成，GND 为系统站内接地点。限流电抗器可以抑制各相桥臂瞬时电压不同产生的相间环流，同时可以减小故障时流经桥臂的冲击电流。MMC 通过控制投入和切除的子模块数量来拟合出所需交流电压。附录A 图A1 中虚线框中所示为子模块的内部结构图，C0为子模块内部的电容器，VT1和VT2为上部绝缘栅双极型晶体管（IGBT），D 和D'为反并联二极管，ACCB 为交流断路器。

2 换流变阀侧单相接地故障特性及故障清除策略

当换流变阀侧单相接地故障发生在受端时，送端将持续给受端输送功率，导致故障特性更为严重，因此，本文将以受端发生故障为例进行分析。故障发生后，由于二极管的单向导通特性，阀侧电流中含有大量直流分量并持续流向换流变，并导致网侧断路器无法正常开断。因此，有必要明确现有工程针对换流变阀侧单相接地故障的故障清除策略。

2.1 换流变阀侧单相接地故障特性分析

换流变阀侧发生单相接地故障后，故障接地点将通过上、下桥臂分别与对侧及本侧换流站接地极形成故障回路，当任一桥臂电流达到阀过流保护整定值后，控制系统会将IGBT 闭锁。由于故障发生至MMC 内部IGBT 闭锁时间很短（3～5 ms）［7］，同时闭锁后上桥臂充电电流较小，阀侧电流主要是从接地极流经下桥臂的故障电流，本文主要以下桥臂故障回路进行分析，闭锁后的下桥臂电流流经途径如图1 所示。

图1 闭锁后下桥臂电流Fig.1 Current of lower arm after locking

A 相故障瞬间，A 相电压ua变为零，非故障相电压ub和uc变为线电压，如图1 所示。对于故障相下桥臂，故障电流经系统站内接地点、二极管D4、桥臂电阻、桥臂电抗流入故障接地点K，当故障电流衰减为零后D4自然关断。对于非故障相下桥臂，二极管D2和D6将分别在uca和uba负半周时导通，非故障相电流将通过故障接地极经非故障相下桥臂流进换流变，故障电流回路可简化为一阶RL 电路，非故障相下桥臂的等效电压、电流方程如式（1）所示。

式中：uab和uac为阀侧线电压；U为阀侧线电压有效值；φab和φac分 别 为 闭 锁 时 刻 线 电 压uab和uac的相位。

假设初始条件为ivb（0+）=ivb（0-）=ivc（0+）=ivc（0-）=0，求解式（1），忽略桥臂电阻，可得到非故障相阀侧电流为：

阀侧电流波形图如附录A 图A2 所示，可见，由于二极管的单向导通性，流入换流变的B、C 相阀侧电流始终为正且含有较大的直流分量。

阀侧电流在阀侧绕组内的流通路径如附录A图A3 中所示，其中ivab、ivbc、ivca为三相阀侧绕组电流，图A3（a）、（b）分别为D6、D2导通时阀侧电流在阀侧绕组内的流通路径。如图A3（a）所示，当D6导通时，阀侧电流ivb分别经由A 相阀侧绕组（黄线所示）与B、C 相阀侧绕组（蓝线所示）两条路径流入故障接地点，与接地极形成回路；同理，当D2导通时，C相阀侧电流ivc分别经由B、A 相阀侧绕组（黄线所示）与C 相阀侧绕组（蓝线所示）两条路径流入故障接地点，与接地极形成回路。

由于阀侧电流在阀侧绕组中两条路径的电流分配关系与各路径中阻抗大小呈反比关系，换流变阀侧各绕组电流如式（3）所示。

式中：In= 2U/(3ωL)。由于阀侧A、C 相绕组电流分别含有负、正极性的直流偏置，A、C 相网侧电流也分别含有负、正极性的直流偏置［5］。网侧电流波形见附录A 图A4，可见，A、C 相网侧电流过零点难以出现，使得对应的网侧交流断路器无法正常开断。

2.2 换流变阀侧单相接地故障清除策略

由2.1 节分析可知，换流变阀侧发生单相接地故障后，网侧断路器无法正常开断，因此，工程上采取换流变阀侧配置断路器并令阀侧断路器先行开断的方式，如图2 所示。具体跳闸策略如下［12］：故障后第1 时限跳开阀侧非故障相断路器，第2 时限跳开网侧三相断路器，最后跳开阀侧故障相断路器。

图2 断路器配置示意图Fig.2 Circuit breaker configuration diagram

根据图2 可知，换流变阀侧发生单相接地故障后，由于非故障相阀侧电流存在过零点，可在故障后第1 时限跳开阀侧非故障相断路器。但在阀侧非故障相断路器跳开之前，阀侧电流中含有大量直流分量，流进换流变会引起铁芯磁链发生偏移，进而可能产生故障性涌流［16-18］；同时，由于故障性涌流阶段的磁链积累，阀侧非故障相断路器跳开时铁芯中含有大量剩磁，进而可能诱发恢复性涌流。因此，换流变阀侧发生单相接地故障后，根据现有断路器选相跳闸策略，将导致换流变先后产生故障性涌流和恢复性涌流。目前尚未见针对上述换流变复杂性涌流问题的研究，因此本文将对该问题开展详细分析。

3 换流变复杂性涌流的产生机理及其特征

针对换流变阀侧单相接地故障诱发复杂性涌流现象，根据复杂性涌流的发展阶段，将其产生过程分为故障性涌流阶段和恢复性涌流阶段。由式（3）可知，换流变阀侧发生单相接地故障后，C 相阀侧绕组电流含有正向直流偏置，其铁芯产生的直流偏磁也为正。因此，本文将以C 相为例分析复杂性涌流的产生机理及其特征。

3.1 故障性涌流阶段

换流变的等值电路模型如图3 所示，阀侧与网侧电压、电流关系可用式（4）表示。其中，R2和L2分别为换流变阀侧回路的电阻和电感。

图3 换流变电路模型Fig.3 Circuit model of converter transformer

式中：ψ为换流变铁芯磁链；u为系统等效电势；um和im分别为换流变励磁支路电势和励磁电流；i1和i2分别为换流变网侧绕组、阀侧绕组电流；R1和L1分别为换流变网侧回路的电阻和电感；Rm和Lm分别为励磁电阻和励磁电感。

正常运行时，假设系统等效电势为：

式中：α为t=0 时刻C 相等效电势相角。忽略网侧回路的电阻和电感，励磁支路的电势um可近似认为与u相等，即：

在t=0 时刻换流变阀侧发生单相接地故障，故障时刻铁芯磁链不会突变，因而故障瞬间的磁链可表示为：

根据式（3），可得换流变阀侧单相接地故障后C

相阀侧绕组电流如式（9）所示：可见，阀侧绕组电流i2含有直流分量Idc和交流分量iac。由于换流变阀侧绕组电流中直流分量无法传变到网侧，阀侧绕组电流中的直流分量（图3 中黄线所示）将全部流经励磁支路；交流分量分别经由励磁支路（图3 中蓝色虚线所示）和理想变压器支路（图3 中蓝色点线所示）。假设交流分量在励磁支路的分流系数为k，则流经励磁支路的电流为Idc+kiac，励磁支路电势可通过式（4）求得。

式（11）即为故障性涌流阶段的换流变铁芯磁链近似表达式，如图4 中故障性涌流阶段的磁链波形图所示。在故障性涌流阶段，阀侧直流分量持续流向换流变导致铁芯磁链不断积累，铁芯工作点将逐渐进入到饱和区，从而产生故障性涌流。

图4 换流变铁芯磁链Fig.4 Flux of converter transformer core

3.2 恢复性涌流阶段

根据第2.2 节阀侧故障清除策略可知，换流变阀侧单相接地故障后将先跳开阀侧非故障相断路器。假设在τ时刻阀侧非故障相断路器跳开，断路器跳开前后换流变铁芯磁链不会突变，则有：

阀侧非故障相断路器跳开后，换流变网侧电压又恢复为系统电压，换流变励磁支路电势又近似等于电源电势（同样忽略网侧回路的电阻和电感），换流变在阀侧非故障相断路器跳开后的铁芯磁链可表示为：

式（13）即为恢复性涌流阶段的换流变铁芯磁链近似表达式，如图4 中恢复性涌流阶段的磁链曲线所示。恢复性涌流阶段铁芯磁链由直流磁链ψ1p和交流磁链ψmsin(ωt+α)两部分组成，其中直流磁链主要与故障后阀侧直流电流流入换流变的时间（即故障发生至阀侧非故障相断路器跳开时间）有关。阀侧非故障相断路器跳开后，换流变铁芯磁链仍有部分时间进入饱和区，从而产生恢复性涌流。由于MMC-HVDC 系统中换流变阀侧单相接地故障后，铁芯磁链在故障性涌流阶段持续积累，导致阀侧非故障相断路器跳开时铁芯含有大量剩磁，产生的恢复性涌流要比一般情况下的恢复性涌流更加严重。

4 复杂性涌流引发谐波过电压的机理分析及抑制方案

由上文分析可知，换流变阀侧发生单相接地故障后，根据现有选相跳闸策略，将会诱发复杂性涌流。复杂性涌流中含有大量谐波，在一定条件下通过交流输电线路传播放大可能会导致线路末端产生谐波过电压。本文采用在MMC 桥臂串联晶闸管对模块（TM）和阻尼模块（DM）的方案［21-22］，通过在故障性涌流阶段快速切除故障回路，进而达到抑制复杂性涌流的目的。

4.1 复杂性涌流引发谐波过电压的机理分析

复杂性涌流中含有幅值较高的谐波，通过交流输电线路传播到线路末端，可能在末端产生谐波过电压。由文献［23］可得，距离线路末端l处的首端h次谐波电压如式（15）所示。

线路末端的谐波电压放大倍数Kh为：

式 中：ZLh=U̇2h/İ2h，为 输 电 线 路 的h次 谐 波 负 载 阻抗。可见，线路末端谐波电压放大倍数与线路参数、线路长度及负载阻抗有关。复杂性涌流中含有幅值较高的谐波，在一定的线路长度和负载下可能被显著放大，进而在线路末端产生谐波过电压。

换流变阀侧单相接地故障后，阀侧直流分量持续流向换流变，导致铁芯磁链中的直流偏置不断积累，因此本文分析的复杂性涌流要比变压器空载合闸涌流更为严重。同时，复杂性涌流导致的谐波过电压现象可能会造成一次设备绝缘损坏，甚至引发连锁故障，因此亟须提出复杂性涌流的抑制方案。

4.2 复杂性涌流抑制方案

根据第3 章分析可知，故障后阀侧直流电流流入换流变的时间越长，复杂性涌流越严重，需要在故障性涌流阶段快速切除故障回路。因此，本文提出一种在MMC 桥臂串联晶闸管对模块和阻尼模块的快速阻断方案［24］，如图5 所示。图中，iup、idown分别为上下桥臂三相电流。

图5 晶闸管对模块和阻尼模块方案Fig.5 Scheme of thyristor-pair modules and damping modules

在原有换流阀上桥臂增加TM，下桥臂增加TM 和DM。其中，TM 由2 个反并联晶闸管构成，DM 由阻尼电阻、晶闸管和IGBT 组成。

当检测到换流变阀侧接地故障后，SM 和DM中IGBT 将被闭锁，DM 和TM 中晶闸管的触发脉冲将被移除。SM 和DM 中IGBT 将在第1 时间闭锁（故障后3～5 ms），由图1 可知，因二极管的单向导通特性，非故障相下桥臂故障电流将通过故障接地极经非故障相下桥臂流进换流变，DM 中IGBT 闭锁后将投入阻尼电阻，进而降低下桥臂故障电流幅值。TM 中晶闸管的触发脉冲被移除后，晶闸管在上下桥臂电流过零点之后不再导通（故障后20～40 ms 内），因而利用TM 可切除上下桥臂故障回路。该方案可在故障后1～2 个工频周期内快速切除上下桥臂故障回路，减小阀侧直流电流流入换流变的时间，达到抑制复杂性涌流的效果。

5 仿真分析

为验证本文理论分析，建立了真双极直流输电模型，系统拓扑如附录A 图A5 所示，仿真参数如附录B 表B1 所示，以受端站阀侧A 相接地故障为例，故障时刻设置为2.0 s。

5.1 换流变复杂性涌流的仿真分析

由附录A 图A6 可见，换流变阀侧发生单相接地故障后，阀侧直流分量持续流进换流变，导致铁芯磁链持续积累，工作点进入饱和区后产生故障性涌流。在故障性涌流初始阶段，涌流含有明显间断角，之后铁芯磁链进入深度饱和区，涌流为含有直流偏置的正弦波。故障后100 ms，B、C 相阀侧断路器跳开，由于故障性涌流阶段磁链持续积累，B、C 相阀侧断路器跳开时铁芯含有大量剩磁，工作点仍有一部分处于饱和区，进而产生恢复性涌流。故障后大约180 ms 网侧三相断路器跳开，换流变被隔离。

5.2 复杂性涌流引发谐波过电压及抑制方案的仿真分析

5.2.1 复杂性涌流引发谐波过电压的仿真分析

输电线路首末端2、3、4 次谐波电压幅值见附录A 图A7。故障性涌流初始阶段，涌流含有明显间断角，2、3、4 次谐波电压含量较高，并经过输电线路传播在线路末端产生谐波放大效应；然后，铁芯进入深度饱和区，涌流为含有直流偏置的正弦波，导致谐波含量降低。当进入恢复性涌流阶段时，涌流含有明显间断角，谐波含量很高并在线路末端放大。

5.2.2 复杂性涌流控制方案策略的仿真分析

采用在桥臂串联晶闸管对模块和阻尼模块的方案后，上、下桥臂电流及涌流波形如附录A 图A8 所示。故障后大约3 ms 闭锁SM 及DM 中的IGBT，晶闸管对模块触发脉冲被移除后，上桥臂TM 大约在2.01 s 完全关断，下桥臂TM 大约在2.02 s 完全关断，该方案在故障发生的1～2 个周期内完全切断上下桥臂故障回路。从附录A 图A6（c）和附录A 图A8（c）对比可以看出，采用晶闸管对模块和阻尼模块的方案后，涌流幅值明显降低。

6 结语

本文针对MMC-HVDC 系统中换流变阀侧发生单相接地故障后诱发复杂性涌流现象，从磁链变化的角度分析了复杂性涌流的产生机理，研究了复杂性涌流对输电线路谐波过电压的影响，并给出了一种复杂性涌流抑制策略。

1）换流变阀侧发生单相接地故障后，阀侧直流分量持续流向换流变，导致铁芯饱和产生故障性涌流；然后，故障清除策略将跳开阀侧非故障相断路器，由于故障性涌流阶段的磁链积累，铁芯中含有大量剩磁并在阀侧非故障相断路器跳开后产生恢复性涌流，导致复杂性涌流现象。

2）复杂性涌流中含有大量谐波，在一定条件下通过交流输电线路传播放大并导致线路末端产生谐波过电压。采用在MMC 上下桥臂串联晶闸管对模块和阻尼模块的方案，可在故障性涌流阶段迅速切除故障回路，进而抑制复杂性涌流的产生。

3）本文采用的复杂性涌流抑制方案需在换流器内部加装较多子模块，在实际工程应用时操作较为烦琐，后续拟针对复杂性涌流的抑制策略开展进一步的研究。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。