全桥型MMC-HVDC直流侧双极短路故障保护策略研究
2023-01-06陈福伟李朝霞
陈福伟，李朝霞
（西藏农牧学院 水利土木工程学院，西藏 林芝 860000）
与基于晶闸管相控换流器的传统直流输电技术相比，基于电压源换流器的柔性直流输电（voltage sourced converter based high voltage direct current transmission，VSC-HVDC）具有不存在换相失败和有功及无功功率可实现独立解耦控制等诸多优点[1-2]，可实现较高的灵活性和实用性，在多端柔性直流输电中特点显著。目前应用于柔性直流输电的VSC拓扑，主要包括两电平、三电平等传统VSC和模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）[3]。
模块化多电平换流器具有谐波含量少、开关频率低、模块化程度高等优点在直流输电领域具有广阔的应用前景[4]。根据MMC子模块拓扑结构不同，基础的模块化多电平换流器可分为半桥型子模块（Half-Bridge Sub-Module，HBSM）、全桥型子模块（Full-Bridge Sub-Module，FBSM）及 和 箝 位 双 子 模 块（Clamping Double Sub-Module，CDSM）[5-7]3种类型。HBSM所需器件少损耗小，在实际工程中得到广泛应用，但其不能阻断直流侧故障电流。与FBSM比较，HBSM在发生直流侧故障时，不能够产生负电平，所以无法在换流器直流侧输出极间零电压。CDSM虽然也可清除直流侧故障，但其存在器件数量多，工业成本高、控制难度大等缺点。
本文主要研究全桥子模块MMC拓扑结构，重点分析MMC工作原理，介绍基础的子模块电容电压控制，并阐明全桥型MMC直流侧双极短路故障下故障电流的快速清除保护策略。以全桥型MMC-HVDC直流侧双极短路故障为例，分析直流故障特性。最后，通过PSCAD/EMTDC软件仿真验证全桥型子模块换流器能够有效阻断直流侧双极短路故障电流，完成故障电流的快速清除，证明保护策略的有效性。
1 全桥型MMC拓扑结构
三相模块化多电平换流器的拓扑结构如图1所示，其中点O为零电位参考点，L0为桥臂电抗器，Idc为直流电流。Udc为直流电压，uVa为交流出口处a相输出电压，iVa为交流侧相电流。每个桥臂由电抗器L0和n个子模块组成，共6个桥臂，同相的上下2桥臂组成相单元。
图1 三相模块化多电平换流器拓扑结构
全桥子模块拓扑结构如图2所示。全桥子模块由4个IGBT、4个反并联二极管和1个电容器组成。正常运行调制状态可分为3种，投入状态、切除状态和闭锁状态。处于投入状态时，子模块端口电压可产生正电平和负电平。全桥子模块正常运行状态下开关状态见表1。当T1、T4导通，T2、T3闭锁时，电容C处于投入状态，端口电压usm为Uc；当T2、T3导通，T1、T4闭锁时，电容C处于投入状态，端口电压usm为-Uc。处于切除状态时，子模块端口电压可产生零电平。当T1、T3导通，T2、T4闭锁时，电容C处于切除状态，端口电压usm为0；当T2、T4导通，T1、T3闭锁时，电容C处于切除状态，端口电压usm为0。
表1 全桥子模块开关状态
图2 全桥子模块拓扑结构
处于闭锁状态时，IGBT全部关断。当ism为正时，电流流过二极管D1、D4，端口电压usm为Uc；当ism为负时，端口电压usm为-Uc。闭锁状态下，子模块电容电压提供反向电动势，能够让故障电流快速衰减，从而达到清除故障电流的目的[8]。全桥子模块可以输出Uc、0、-Uc3个电平。与传统的半桥型子模块相比，全桥型子模块可以输出负电平。
2 全桥型MMC运行原理
全桥型MMC单相等效电路如图3所示。以a相为例，R0为桥臂等效电阻，uVa为a相在V点的输出电压，iVa为相电流。upa和una分别为a相上、下桥臂子模块级联电压，ipa和ina分别为上、下桥臂电流。
图3 全桥型MMC单相等效电路
式中：I2f为负序性质的相间环流[9]。
设idiffa为a相内部环流，udiffa为a相内部不平衡压降。
从V点到a相正负极直流母线分别应用基尔霍夫电压定律（Kirchhoff Voltage Laws，KVL）得
将式（5）和式（6）相加并代入式（1）和式（2）得
定义虚拟点M电动势为ea
通过调节ea就可以直接控制输出电流iVa。全桥型MMC同半桥型MMC都为电压源换流器，可以使用电流矢量控制。因此可以在dq坐标系下实现有功无功的独立解耦控制，且ea为内环电流控制所产生的a相调制波。
根据式（4）结合a相应用KVL得
因此a相上下桥臂参考电压分别为
由此得出任意时刻MMC上下桥臂投入的子模块数量
即桥臂正弦电压调制波uref与电容电压平均值UCAV的比值再取整。计算后获得所需导通的子模块数目，结合触发控制，就可以实现功率传输。
3 全桥型MMC故障保护机制
3.1 子模块电容电压平衡控制
电容电压控制属于MMC阀控层级。电容电压控制应尽量操作简单，能适应子模块数量过多的场景应用。由于电力电子器件的开关频率严重影响换流器的损耗，以及器件的开关特性和死区时间不同所导致的直流电压波动等特点，桥臂投切过程中应保证需要改变的子模块数量尽量少。在工程应用中由控制器发出一定工作频率的触发脉冲，电容电压控制和触发控制互相配合，共同完成子模块电容电压平衡控制。
子模块电容电压平衡控制策略主要作用对象为桥臂，控制子模块的投入切除状态。整个子模块电容电压平衡控制的流程框图如图4所示。不断地跟踪测量桥臂中所有子模块电容电压值，再对其进行由负到正的升序排列。然后通过确定桥臂电流iarm的方向，就可以判断出处于投入的子模块的充放电状态。再结合需要导通的子模块数，就可以实现子模块的电容电压控制。最后，桥臂电流经过子模块时，选择导通电容电压较低或较高的子模块组对其充电或放电，使其电容电压升高或降低，同时未选择导通的子模块电容电压保持不变。
图4 子模块电容电压平衡控制策略
3.2 全桥型MMC直流侧故障保护策略
MMC-HVDC直流侧故障主要类型分为单极短路接地故障，双极短路故障和断线故障，其中最严重的最有代表性的为直流侧双极短路故障[10]。直流侧故障保护策略流程图如图5所示。当系统检测到发生直流侧故障时，首先闭锁换流站，全桥子模块处于闭锁状态。系统根据发生永久性故障还是瞬时性故障的判断做出不同的控制策略。在全桥型子模块闭锁状态下，由于全桥型MMC子模块的结构特点，上下桥臂分别产生极性相反的电压，使短路点的电动势为零，换流器直流侧输出极间电压为零，故障电流逐渐衰减为零，尝试解锁换流站，如果换流站多次解锁失败，说明故障依然存在，则认为发生永久性故障，否则认为发生瞬时性故障。发生永久性故障时，断开交流侧断路器，隔离故障，并停机进行检修；发生瞬时性故障时，换流器成功解锁，系统恢复正常运行状态。该控制策略一般可以在发生直流侧故障时极短时间内实现直流侧故障的快速清除，使设备得到充分保护，让系统保持正常运行。
图5 直流侧故障保护策略
当直流侧发生故障时，子模块闭锁，判断出为暂时性故障时，提供反向电动势的电容电压，换流器直流侧输出极间电压为零，可以对直流侧故障电流快速清除，同时还能够阻断交流侧电源向直流侧故障点的馈流作用。子模块电容电压Uc满足式（14）
式中：Um为交流线电压幅值；UcN为子模块电容电压额定值；M为调制比，0＜M≤1。
4 仿真验证
利用仿真软件PSCAD/EMTDC搭建仿真模型来验证全桥型MMC-HVDC的直流侧双极短路故障下故障保护策略的有效性。因为直流侧故障中双极短路故障最具有代表性，所以选择该故障类型进行仿真验证。因为全桥型MMC-HVDC的系统保护策略能够实现直流侧故障电流自清除，但是在永久性故障下需要交流侧断路器跳闸并进行停机检修，所以选择暂时性故障进行仿真验证。利用PSCAD/EMTDC软件搭建如图6所示的全桥型MMC-HVDC仿真模型。主要仿真参数见表2。
图6 全桥型MMC-HVDC仿真模型
表2 全桥型MMC-HVDC仿真参数
故障发生点选取换流站1和换流站2线路中点处，8 s时发生双极短路暂态故障，设置故障逻辑持续时间为0.01 s。由于系统故障检测通讯需要一定时间，设置换流站直流侧故障识别时间为0.1 ms，换流站解锁时间在直流故障发生2 s以后。换流站1设置为定直流电压控制，换流站2设置为定有功功率控制。
由图7—图11可知，全桥型MMC在8 s前稳定运行，8 s时引入直流侧双极短路故障，直流侧电压瞬间减小到零，交流侧有功功率降低，无功功率升高，交流侧三相电流明显降低。由图12—图13可知，闭锁换流器前，桥臂电流减小，故障电流迅速升高，超过阀侧允许的最大保护电流。8 s后直流侧故障电流迅速升高，换流站闭锁后，0.01 s后直流故障电流降到0，子模块电容电压也处于稳定状态。故障设置后未触发交流侧断路器，8.2 s后换流站解锁，系统重启，直流电压、有功无功功率和三相电流等都慢慢恢复，系统处于正常运行状态。全桥型MMC-HVDC清除直流侧故障的时间远小于传统的半桥型MMC，且不需要断开交流侧断路器来实现，而是依赖全桥型的子模块特性实现故障自清除和系统正常运行状态的恢复。
图7 直流侧电压
图8 直流侧故障电流
图9 交流侧有功功率
图10 交流侧无功功率
图11 交流侧三相电流
图12 a相上桥臂电流
图13 子模块电容电压
5 结论
本文从全桥型模块化多电平换流器的基本拓扑结构出发，重点介绍全桥型MMC工作原理，简述子模块电容电压控制，分析直流侧双极短路故障情况下，全桥型MMC-HVDC阻断故障电流的保护原理。最后，通过PSCAD/EMTDC软件仿真验证了全桥子模块换流器能够有效阻断直流侧双极短路故障电流，证明了保护策略的有效性。
