羅永捷，李耀華，李子欣，王 平

(1．中國科學院電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室，中國科學院電工研究所，北京100190;

2．中國科學院大學，北京100049)

1 引言

與基于晶閘管相控換流器的傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)(LCC-HVDC)相比，基于電壓源型換流器的柔性直流輸電(VSC-HVDC)具有不存在換相失敗風險、潮流反轉(zhuǎn)時直流電壓極性不變、有功和無功獨立解耦控制等諸多優(yōu)點，有較高的經(jīng)濟性和靈活性，非常適于構(gòu)建多端系統(tǒng)［1-4］。多端柔性直流輸電(MTDC)

系統(tǒng)具有多個受端和送端，能夠?qū)⒎植际侥茉摧斔椭炼鄠€負荷中心，具有傳輸損耗低、潮流控制靈活、能夠連接異步電網(wǎng)且易于擴展等優(yōu)點［5-7］。世界首個多端柔性直流輸電系統(tǒng)——中國廣東南澳大規(guī)模海上風電接入示范工程已于2013年底投入運行。

直流短路故障是柔性直流輸電系統(tǒng)最嚴重的故障之一。一方面，當前工程中常用的兩電平或三電平VSC和半橋型模塊化多電平換流器(HB-MMC)無法實現(xiàn)直流短路故障的快速清除;另一方面，適用于高壓大容量場合的直流斷路器制造工藝尚不成熟。因此通常采用分斷交流斷路器的方式，斷開交直流系統(tǒng)的連接，以清除故障電流、保護換流閥。但交流斷路器屬于機械開關(guān)，響應(yīng)速度慢;發(fā)生短路故障且斷路器未分斷期間，故障點等效為交流電網(wǎng)三相短路，急劇增大的短路電流對交流系統(tǒng)穩(wěn)定性和換流閥的安全有嚴重影響;此外，清除故障后，直流系統(tǒng)重新恢復(fù)功率輸送需要預(yù)充電、解鎖等復(fù)雜的時序配合。上述問題使得工程中通常采用造價昂貴的電纜作為輸電線路以降低故障率，阻礙了多端柔性直流輸電的發(fā)展和應(yīng)用［8-12］。

基于上述原因，直流短路故障保護日益成為多端柔性直流輸電系統(tǒng)的研究熱點。德國學者Rainer Marquardt將MMC拓撲分為:①半橋型HB-MMC，功率半導(dǎo)體器件少、損耗低，但是缺乏直流故障穿越能力;②全橋型FB-MMC和雙鉗位子模塊型DCMMC，具備直流故障穿越能力，但功率半導(dǎo)體器件多、損耗較高。文獻［13］研究了DC-MMC的直流故障穿越機理，即模塊電容在故障回路提供的反電勢足夠大，利用二極管單向?qū)ㄌ匦酝瓿晒收想娀∏袛?。文獻［14］比較了各種MMC拓撲的參數(shù)和性能，以混合串聯(lián)全橋型和半橋型模塊的方式，實現(xiàn)減少開關(guān)器件數(shù)量。文獻［15］利用FB-MMC直流母線電壓在一定范圍內(nèi)可控的特性，提出一種降低直流母線電壓以實現(xiàn)直流側(cè)單極對地短路和雙極短路故障穿越的保護策略。

換流站的協(xié)調(diào)控制也對多端直流輸電系統(tǒng)故障保護有重要影響。協(xié)調(diào)控制通常包括主從式控制、偏差控制和下垂控制等。主從式控制依賴于換流器與控制系統(tǒng)間的高速通信，主站發(fā)生故障后系統(tǒng)無法正常運行。偏差控制對控制器參數(shù)選擇有較為嚴格的限制，容易出現(xiàn)系統(tǒng)震蕩。下垂控制策略為多點控制，不依賴于換流站間的高速通信，可靠性較高［16］。

針對MTDC直流故障保護存在的問題，本文基于FB-MMC拓撲，首先建立換流器數(shù)學模型，對換流器級保護策略進行改進。然后，提出一種適用于多端柔性直流輸電系統(tǒng)的“換流閥短時閉鎖+重解鎖雙STATCOM并聯(lián)運行”直流故障保護策略，能夠?qū)崿F(xiàn)短路故障電流快速清除，并且避免交流斷路器跳閘和系統(tǒng)停運。結(jié)合多端系統(tǒng)的直流電壓下垂控制，實現(xiàn)故障后MTDC系統(tǒng)快速恢復(fù)和N－1運行。最后，在PSCAD/EMTDC中驗證所提出故障保護策略的有效性。

2 MTDC運行原理

2.1 多端系統(tǒng)連接方式

多端柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。典型的連接風電場和交流電網(wǎng)MTDC系統(tǒng)包括直流網(wǎng)絡(luò)、交流電網(wǎng)和換流站。直流系統(tǒng)連接方式可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)［2］，如圖2所示。目前工程中一般采用并聯(lián)方式。

圖1 MTDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．1 Structure of MTDC system

2.2 換流器數(shù)學模型

全橋型FB-MMC由六個橋臂構(gòu)成，每橋臂包括N個功率模塊(SM)和橋臂電感L，上下兩個橋臂構(gòu)成一個相單元，如圖3所示。圖3中uio為交流輸出電壓，其中o為假想的交流相電壓中點，i=a，b，c;Udc為直流母線電壓。

圖2 MTDC系統(tǒng)連接方式［2］Fig．2 Connection of MTDC system

圖3 MMC電路拓撲Fig．3 Circuit topology of MMC

FB-MMC功率模塊由4個全控型半導(dǎo)體開關(guān)器件和直流電容構(gòu)成，包括四種工作狀態(tài):輸出+UC、－UC、0和閉鎖狀態(tài)。正常運行狀態(tài)下，全橋型模塊與半橋型模塊工作方式相同，輸出電壓為+UC或0。

以A相為例，F(xiàn)B-MMC交流輸出電壓uao可表示為:

式中，uau和ual為上下橋臂電壓。橋臂電流iau和ial表示為:

式中，ia為A相電流;idc和idiff為直流分量和環(huán)流分量。

上下橋臂參考電壓uau_ref和ual_ref分別表示為:

式中，Udc為直流母線電壓;um為橋臂電壓交流分量幅值;ω為工頻角頻率;δ為相位角。

3 控制保護策略

3.1 短路電流清除原理

FB-MMC拓撲具備直流故障清除能力。發(fā)生直流短路故障后，所有換流閥功率模塊中的開關(guān)器件立即關(guān)斷，功率模塊處于閉鎖狀態(tài)，根據(jù)初始時刻橋臂電流方向的不同，存在兩種電流回路，如圖4所示。在橋臂電感的續(xù)流作用下，橋臂電流為模塊電容充電，因此所有閉鎖狀態(tài)的模塊電容均以充電狀態(tài)串入放電回路。正常狀態(tài)下MMC橋臂電容電壓高于交流線電壓峰值，所以閉鎖后橋臂電流將迅速減小至零，實現(xiàn)故障電流清除。

圖4 FB-MMC模塊閉鎖狀態(tài)電流回路Fig．4 Current path of blocked FB-MMCmodule

3.2 換流器級保護策略

發(fā)生短路故障時，故障電流急劇增大，在很短時間內(nèi)上升至橋臂電流額定值十倍以上，嚴重威脅換流閥的安全。因此，換流器級直流故障保護策略的關(guān)鍵在于限制故障電流以保護MMC中半導(dǎo)體開關(guān)器件和功率模塊電容。

短路故障電流包括直流分量和交流分量，其中直流分量為功率模塊電容放電電流。當MMC直流側(cè)發(fā)生短路故障時，處于投入狀態(tài)的功率模塊電容通過短路點形成放電回路。由于均壓算法的作用，所有功率模塊輪流投入和切除，因此上下橋臂模塊電容可等效看做以并聯(lián)的形式串入放電回路。放電電流主要依靠橋臂電抗器限制;通常出于限制換流閥體積和成本的考慮，模塊電容值較小、放電速度快，導(dǎo)致故障電流直流分量迅速增大。故障電流交流分量為交流電網(wǎng)通過直流側(cè)短路故障點形成等效三相短路故障的饋入電流。換流閥閉鎖能夠快速抑制故障電流，實現(xiàn)直流側(cè)故障清除。

但是，MMC-MTDC換流閥閉鎖后，若不斷開交流斷路器，由于功率模塊參數(shù)的差異性，會導(dǎo)致電容電壓逐漸發(fā)散，最終因電容電壓超過安全閾值而使整個MMC-MTDC系統(tǒng)退出運行。利用FB-MMC能夠輸出+UC、－UC、0三種電平的特性，提出一種改進的換流器直流故障保護策略。

如圖3所示FB-MMC，由于上下橋臂對稱性，分別對上下三相橋臂建立數(shù)學模型。以上橋臂為例，其數(shù)學模型為:

三相平衡電網(wǎng)滿足uao+ubo+uco=0。在直流短路故障發(fā)生后，MTDC系統(tǒng)尚未恢復(fù)功率傳輸，因此有iau+ibu+icu=0。對式(4)求和，有:

只考慮基波分量，在三相電壓平衡的工況下，uoP=0。同理，對下橋臂可得uoN=0。對式(4)進行Park變換可得:

式中，iud，q、uud，q和eud，q分別為上橋臂電流、橋臂電壓和交流電壓的dq軸分量。

由數(shù)學模型可知，當三相上橋臂獨立控制時，可通過控制橋臂參考電壓，使三相上橋臂連接公共點(直流母線正極)與電網(wǎng)電壓中性點等電位;同理，三相下橋臂連接公共點(直流母線負極)也與電網(wǎng)電壓中性點等電位，從而使得FB-MMC直流側(cè)極間電壓uPN為零。直流極間電壓為零是不使用高壓大容量直流斷路器，利用現(xiàn)有直流隔離開關(guān)對故障點進行可靠隔離的前提條件。換流器級保護策略控制框圖如圖5所示。

圖5 換流器級保護策略控制框圖Fig．5 Control scheme of converter protection strategy

換流器級保護策略分為兩個階段:①MTDC發(fā)生直流短路故障后，F(xiàn)B-MMC換流閥立即閉鎖，清除故障電流;②確認故障電流清除后，換流閥重新解鎖，上下橋臂獨立控制運行，等待系統(tǒng)級保護策略完成故障隔離。在第二階段中，F(xiàn)B-MMC等效為兩個星型級聯(lián)H橋STATCOM并聯(lián)運行。在故障電流清除、故障點隔離以及系統(tǒng)恢復(fù)期間，換流器均處于受控狀態(tài)，避免了閉鎖狀態(tài)下的模塊電容電壓超過安全閾值的問題，提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。

3.3 系統(tǒng)級保護策略

基于FB-MMC拓撲的直流故障清除能力，在換流器級保護策略基礎(chǔ)上設(shè)計MTDC系統(tǒng)級保護策略。

在高壓大容量直流斷路器尚不成熟的情況下，本文的重點為通過換流器合理控制，利用現(xiàn)有的隔離開關(guān)進行故障隔離，同時完成多端系統(tǒng)的快速恢復(fù);對故障檢測和定位不做深入研究。文獻［12］將現(xiàn)有VSC-MTDC“握手原則”引入FB-MMC多端柔性直流輸電系統(tǒng)，一旦MTDC檢測到直流短路故障，所有FB-MMC立即閉鎖，潛在故障線路隔離開關(guān)跳開;在確認故障電流衰減至零后，全部健全隔離開關(guān)閉合，F(xiàn)B-MMC解鎖運行。該方法存在的問題是:①故障隔離后，要求剩余健全線路能滿足功率傳輸?shù)男枨?，這在不具備冗余直流線路的MTDC系統(tǒng)中難以實現(xiàn);②發(fā)生永久性直流故障時，很難在文中所述的10ms內(nèi)完成故障清除，而長時間的閉鎖仍將導(dǎo)致交流斷路器跳閘和系統(tǒng)停運。

針對上述問題，在本文提出的換流器級保護策略的基礎(chǔ)上，提出“換流閥短時閉鎖+重解鎖雙STATCOM并聯(lián)運行”控制策略。該策略可分為以下四個步驟。

(1)故障電流清除。MTDC發(fā)生直流短路故障后，F(xiàn)B-MMC換流閥立即閉鎖，清除故障電流。

(2)等效雙STATCOM并聯(lián)運行。故障電流清除后，F(xiàn)B-MMC在短時間內(nèi)重新解鎖，控制模式由式(3)所示MMC運行轉(zhuǎn)換為式(6)所示雙STATCOM并聯(lián)運行。

(3)故障隔離。直流線路所置隔離開關(guān)對故障點(故障線路)進行隔離。

(4)系統(tǒng)恢復(fù)。健全部分MTDC中換流器由雙STATCOM并聯(lián)運行轉(zhuǎn)換為MMC運行，系統(tǒng)運行在N-1模式。

系統(tǒng)級保護策略控制流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)級保護策略Fig．6 Control scheme of system protection strategy

在永久性直流短路故障情況下，換流閥閉鎖能在很短時間內(nèi)完成故障電流清除;而由于FB-MMC重新解鎖后以雙STATCOM并聯(lián)的方式運行，能夠長時間保證直流側(cè)極間電壓和直流電流為零，為故障清除和隔離提供了有利條件。

故障隔離后重新恢復(fù)系統(tǒng)運行，MTDC需要運行于N-1狀態(tài)。采用直流電壓下垂控制，通過測量本地直流母線電壓對功率分配進行調(diào)節(jié)，因而不依賴于換流站間的高速通信，可靠性較高。當故障發(fā)生并完成故障線路隔離后，系統(tǒng)剩余部分通過調(diào)整各個換流站功率分配和直流電壓參考值，仍能維持直流網(wǎng)絡(luò)電壓相對穩(wěn)定。

4 仿真分析

4.1 仿真模型及參數(shù)

為了驗證本文提出的直流故障保護策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了三端柔性直流輸電系統(tǒng)模型并進行了仿真分析。仿真模型參數(shù)如表1所示，電纜參數(shù)如表2所示。

表1 仿真模型參數(shù)Tab．1 Parameters of simulationmodel

表2 電纜參數(shù)Tab．2 Parameters of cable

圖7 直流故障仿真結(jié)果Fig．7 Simulation results of DC fault

4.2 直流短路故障仿真

對故障危害最為嚴重的永久性直流雙極短路故障進行仿真驗證。MTDC系統(tǒng)運行至0.3s時刻，線路L3距離換流站3直流端30km處發(fā)生短路故障。故障前MTDC系統(tǒng)正常工作于功率傳輸狀態(tài)，其中換流站2和換流站3分別向交流電網(wǎng)饋入300MW和500MW有功功率，換流站1從交流電網(wǎng)吸收有功功率維持功率平衡。

正常運行狀態(tài)下，換流站級控制采用式(3)所示MMC控制策略，系統(tǒng)級控制采用直流電壓下垂控制。

故障狀態(tài)下，換流站級控制采用圖5所示“換流閥短時閉鎖+重解鎖雙STATCOM并聯(lián)運行”控制策略，系統(tǒng)級控制采用圖6所示保護策略。

換流站1和換流站2的仿真結(jié)果如圖7所示。在此仿真條件下，故障前換流站1和換流站2分別向交流電網(wǎng)吸收250MW有功功率。故障發(fā)生后，線路L3利用隔離開關(guān)進行故障隔離，換流站3退出運行，MTDC系統(tǒng)運行于N-1模式;此時換流站1向交流電網(wǎng)發(fā)出250MW有功功率，換流站2向交流電網(wǎng)吸收250MW有功功率。對比換流站直流母線電壓可以看出，在直流電壓下垂控制策略作用下，故障發(fā)生前后系統(tǒng)直流母線電壓由679kV上升為727kV。因此，從系統(tǒng)層面分析，該故障控制策略能夠滿足MTDC系統(tǒng)故障穿越、快速恢復(fù)以及故障隔離后的N-1運行。

分析圖7可以看到，故障發(fā)生后，換流站1和換流站2的直流母線電壓迅速跌落為零，直流電流在極短時間內(nèi)(仿真測量約為600μs)急劇增大，峰值分別為6.617kA和6.587kA。相對應(yīng)的橋臂電流隨之增大，超過2kA的閉鎖保護閾值后，換流閥迅速閉鎖。

換流站閉鎖后，直流電流和換流器橋臂電流迅速衰減為零?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)過一定延時，確認故障電流可靠清除后，換流閥重解鎖。在閉鎖期間內(nèi)，模塊電容在驅(qū)動電路等負載損耗作用下，電壓逐漸降低并開始發(fā)散。換流閥重解鎖后，模塊電容電壓重新均衡并維持穩(wěn)定于額定值1600V。在重解鎖瞬間，由于模塊電容電壓差異性，產(chǎn)生一定沖擊電流，但其幅值在開關(guān)器件安全閾值以內(nèi)。

系統(tǒng)重解鎖后，換流站為雙STATCOM并聯(lián)運行模式，橋臂電流和模塊電壓處于可控狀態(tài);同時保持直流母線電壓為零，直流電流為零，為短路故障清除和故障隔離提供條件。在0.5s時刻，完成隔離開關(guān)動作，實現(xiàn)故障隔離。系統(tǒng)延時0.1s恢復(fù)運行?？梢钥吹剑瑩Q流站1出現(xiàn)功率反轉(zhuǎn)，其直流電流方向也與故障前相反。模塊電容電壓由額定值1600V上升至1660V附近波動。

綜合上述仿真結(jié)果，本文提出的多端直流輸電系統(tǒng)直流故障保護策略，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能:①故障電流快速清除;②系統(tǒng)交流斷路器不跳閘，換流器處于可控狀態(tài);③避免長時閉鎖造成的電容電壓發(fā)散問題;④系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)并運行于N-1狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文以FB-MMC-MTDC系統(tǒng)為研究對象，首先分析FB-MMC的數(shù)學模型，然后分別從換流器級和系統(tǒng)級層面對MTDC系統(tǒng)直流故障策略進行改進，提出一種“換流閥短時閉鎖+重解鎖雙STATCOM并聯(lián)運行”控制策略。為保證系統(tǒng)快速恢復(fù)和N－1運行的可靠性，采用直流電壓下垂控制。PSCAD仿真分析表明，本文提出的故障保護策略是有效可靠的，可以實現(xiàn)MTDC系統(tǒng)在直流短路故障下的安全運行以及快速恢復(fù)。

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