唐 震

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

隨著全控型電力電子功率器件的發(fā)展，電壓源換流器VSC（voltage source converter）以及脈寬調(diào)制技術(shù)PWM（pulse width modulation）構(gòu)成的新型直流輸電技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外很多研究者對(duì)電壓源換流器高壓直流輸電VSCHVDC（voltage source converter based high-voltage direct current transmission）系統(tǒng)的技術(shù)原理、控制策略和技術(shù)特點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)行了分析研究[1]，特別在多端柔性直流輸電的控制策略以及直流電壓控制策略方面取得了很多成果，但對(duì)多端柔性直流輸電故障分析及保護(hù)策略等方面的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[2] 針對(duì)交流系統(tǒng)的不對(duì)稱和故障條件下的運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，但未涉及直流系統(tǒng)的故障。文獻(xiàn)[3] 模擬了雙端VSC-HVDC 內(nèi)部交流側(cè)單相

接地短路、相間短路故障，模擬了換流站內(nèi)部直流側(cè)出口短路故障，模擬換流閥短路故障，模擬換流閥開路故障，模擬了直流線路斷線、單極接地、雙極短路故障情況，但未涉及多端柔性直流輸電系統(tǒng)VSC-MTDC（voltage source converter based multi-terminal direct current） 的故障分析。

VSC-HVDC 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制，具有占地面積小、不需要無(wú)功補(bǔ)償、不存在換相失敗以及可以向無(wú)源系統(tǒng)供電等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，它在特高壓/高壓遠(yuǎn)距離輸電、背靠背聯(lián)網(wǎng)、分布式電源系統(tǒng)并網(wǎng)以及構(gòu)建城鄉(xiāng)直流配電網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，也是目前工程領(lǐng)域與學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。另外，電壓源換流器的直流輸電系統(tǒng)在系統(tǒng)潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，可以保持直流電壓極性不變，這種特性使得電壓源換流器在構(gòu)建多端柔性直流輸電系統(tǒng)時(shí)變得更加方便[4-5]。國(guó)內(nèi)浙江舟山海島供電工程、廣東汕頭南澳接入示范工程及張北柔性直流工程等多個(gè)多端柔性直流輸電工程在近幾年已投入商業(yè)運(yùn)行。為了更好地推進(jìn)VSC-MTDC 在電力系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用，本文對(duì)直流系統(tǒng)單極接地、雙極故障、斷線故障和交流系統(tǒng)單相接地、相間短路以及三相短路進(jìn)行了仿真研究，為多端柔性直流輸電控制策略的制定以及保護(hù)裝置的研制提供豐富翔實(shí)的仿真數(shù)據(jù)。

1 電壓原換流器高壓直流輸電的運(yùn)行原理[6-7]

在雙、多端柔性直流輸電系統(tǒng)中，各端的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是完全相同的。雙端系統(tǒng)中一端換流站運(yùn)行于整流狀態(tài)，另一端換流站運(yùn)行于逆變狀態(tài)，通過(guò)連接兩端的直流輸電線路實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)間有功功率的交換；多端系統(tǒng)由2 個(gè)以上換流站構(gòu)成，各個(gè)換流站的運(yùn)行狀態(tài)由整個(gè)多端系統(tǒng)的功率平衡決定。為了簡(jiǎn)單明了，這里以單端換流站為例對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行原理進(jìn)行介紹。單端系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 單端VSC-HVDC 輸電系統(tǒng)

圖1 中，Us為交流電網(wǎng)電壓；Uc為換流站輸出電壓的基頻分量；δ 為換流站交流側(cè)電壓基波相位超前交流側(cè)系統(tǒng)電壓相位的角度；R、L為變壓器和電抗器的等效電阻、電感；Pc為換流站有功功率；Ps為交流電網(wǎng)的有功功率；Udc為直流側(cè)正負(fù)極電壓；Idc為直流輸電線路電流；Pdc為直流功率。

當(dāng)只考慮輸出電壓的基波分量，根據(jù)圖1 列出的交流側(cè)轉(zhuǎn)換到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下?lián)Q流站的數(shù)學(xué)模型為

式中：下標(biāo)d、q分別表示電壓、電流轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系下的d、q軸分量；ω 為電網(wǎng)基波相量的角頻率。

由式（1） 可知，在引入耦合項(xiàng)ωLid、ωLiq后，使得d、q軸電流解耦和系統(tǒng)功率控制解耦，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了快速功率響應(yīng)，再引入ud、uq前饋?lái)?xiàng)后便可構(gòu)成內(nèi)環(huán)電流解耦控制器。在dq坐標(biāo)系下，換流器交流側(cè)有功功率、無(wú)功功率可用式（2） 表示。

當(dāng)電網(wǎng)三相對(duì)稱，電壓矢量Us選取為d軸方向時(shí)，usq＝0，usd＝Us。忽略電抗器和換流器損耗時(shí)，換流站交直流兩側(cè)的有功功率相等，即

式中：Pdc和Idc分別為直流側(cè)功率和電流。

由式（3） 可知，當(dāng)換流站交流側(cè)有功功率與直流側(cè)功率不相等時(shí)，為了平衡系統(tǒng)功率，直流電容將會(huì)進(jìn)行充、放電，從而導(dǎo)致系統(tǒng)直流電壓上升、下降，直流電壓最終會(huì)達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定值。因此，定直流電壓控制的換流站可以認(rèn)為是一個(gè)有限容量的系統(tǒng)功率平衡節(jié)點(diǎn)。

單端換流器由高頻開關(guān)器件絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor） 以及正弦脈寬調(diào)制方式構(gòu)成整個(gè)換流器，換流器的單相電路如圖2 所示。

圖2 換流器的單相電路

其工作原理見圖3。圖3 中，a 相正弦脈寬調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation） 的調(diào)制參考波Pra 與三角載波Car 進(jìn)行數(shù)值比較，當(dāng)參考波數(shù)值大于三角載波，觸發(fā)a 相的換流橋臂T2＋導(dǎo)通并關(guān)斷T2－，反之則觸發(fā)橋臂的T2－導(dǎo)通并關(guān)斷T2＋。在上下橋臂開關(guān)的交替導(dǎo)通與關(guān)斷下，VSC 交流出口電壓將產(chǎn)生幅值為±Udc/2 的脈沖序列，Udc為換流站的直流側(cè)電壓。該脈沖序列中的基頻 電壓分量與調(diào)制參考波相位一致，幅值為Udc/2。由于調(diào)制參考波的幅值與相位可通過(guò)PWM 的脈寬調(diào)制比M（VSC 交流輸出基頻相電壓幅值與直流電壓的比值） 以及移相角度實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，因此換流站交流輸出電壓基頻分量的幅值與相位亦可通過(guò)這兩個(gè)變量進(jìn)行調(diào)節(jié)[8]。

圖3 正弦脈寬控制原理圖

2 多端柔性直流輸電系統(tǒng)

VSC-MTDC 有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但已投運(yùn)的工程大多采用可控性能好、擴(kuò)展性強(qiáng)的多端并聯(lián)結(jié)構(gòu)。對(duì)于直流輸電線路而言，由于沒(méi)有電抗且電阻較小，因此并聯(lián)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓接近相等。為了保證系統(tǒng)潮流的平衡，在多端系統(tǒng)中必須至少有一端換流站采用定直流電壓控制，其余換流站采用定有功功率控制。本文僅以四端兩電平柔性直流輸電系統(tǒng)為例開展分析研究，其系統(tǒng)如圖4 所示。四端系統(tǒng)中，換流站1 和換流站2 為整流站，換流站3 與換流站4 為逆變站。換流站交流側(cè)與交流等值系統(tǒng)相連；T1、T2、T3、T4為換流變壓器。

圖4 并聯(lián)結(jié)構(gòu)四端柔性直流輸電系統(tǒng)圖

四端系統(tǒng)中各換流站功率方向以交流系統(tǒng)注入換流站為參考正方向，系統(tǒng)中4 個(gè)換流站的結(jié)構(gòu)完全一樣。直流側(cè)電容值取C=600 μF；各換流站之間電纜長(zhǎng)度均為5 km。4 個(gè)換流站的參數(shù)和控制方式見表1。

表1 4 個(gè)換流站參數(shù)表

采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)雖然可以抑制低次諧波，但會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生高次諧波。因此，對(duì)于柔性直流輸電系統(tǒng)，必須在交流系統(tǒng)側(cè)加裝交流濾波器。交流側(cè)所含諧波主要為N±2 和2N±K（N為載波比）。為了消除諧波的影響，本文設(shè)計(jì)了一組調(diào)諧31 次諧波的二階濾波器，其品質(zhì)因數(shù)為30。

圖5 換流站3 有功改變時(shí)各換流站電壓和功率

3 多端柔性直流輸電系統(tǒng)仿真

3.1 正常運(yùn)行及策略切換仿真

在多端柔性直流輸電系統(tǒng)中，必須有一個(gè)換流站采用定直流電壓控制，為此在PSCAD/EMTD仿真平臺(tái)上搭建如圖4 所示的四端柔性直流輸電系統(tǒng)，其中換流站1 采用直流電壓控制，換流站2、3、4 均采用定有功功率控制，系統(tǒng)直流電壓為±6 kV。

系統(tǒng)指令如下：0～3.0 s 期間換流站1 無(wú)功指令Q1=0.3 Mvar；換流站2 有功指令P2=0.7 MW；換流站3 有功指令P3=-1.0 MW；換流站4 有功指令P4=-0.5 MW。3.0 s 時(shí)刻換流站3 有功功率由-1.0 MW 改變?yōu)?2.0 MW，5.0 s 返回原值。仿真結(jié)果見圖5（圖中Vdc1、Vdc2、Vdc3、Vdc4、P1、P2、P3、P4中的數(shù)字1、2、3、4 表示換流站）。

從圖5 可以看出，在3.0 s 時(shí)刻換流站3 發(fā)生-1.0～-2.0 MW 的有功功率指令變化，整個(gè)系統(tǒng)的功率缺額全部由定直流電壓控制的換流站1 來(lái)承擔(dān)，其他換流站并不參與調(diào)節(jié)，因此換流站1相當(dāng)于系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)，如果這個(gè)換流站因事故或滿載切換為定功率模式失去了直流電壓的控制能力，整個(gè)系統(tǒng)將失去穩(wěn)定。由此可以看出，單個(gè)換流站采用直流電壓控制時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性較差。因此，有文獻(xiàn)提出適用于VSC-MTDC 系統(tǒng)的多換流站直流電壓偏差控制策略，其實(shí)是在主導(dǎo)換流站失去直流電壓控制能力時(shí)，備用換流站在直流電壓偏差過(guò)大時(shí)轉(zhuǎn)為定直流電壓控制，以維持直流電壓達(dá)到穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)的目的。不足之處在于對(duì)直流潮流變化的響應(yīng)速度不夠快速且容易導(dǎo)致該換流站過(guò)載。

3.2 故障仿真

3.2.1 單極接地故障

單極接地故障是直流系統(tǒng)最常見的故障，一般形式為對(duì)地閃絡(luò)或者永久性故障，對(duì)直流輸電而言屬于非對(duì)稱性故障。系統(tǒng)在3.0 s 時(shí)刻，發(fā)生正極永久性接地故障，故障點(diǎn)設(shè)置在圖4VSCMTDC 系統(tǒng)Line1 末端。仿真結(jié)果見圖6（圖6 中數(shù)字按順序表示線路始末端換流站，p、m 分別表示正、負(fù)極，下同）。

從圖6 可以看出，在3.0 s 時(shí)刻Line1 末端發(fā)生單極接地故障后，因電容的充放電，故障極有很大的浪涌電流，穩(wěn)態(tài)電流與故障前相同，分別為：I1p2=0.009 kA，I2p3=0.067 kA，I3p4=0.017 kA，I4p1=0.059 kA；電流最大瞬時(shí)值分別達(dá)到-3.15 kA、-2.53 kA、-1.15 kA 和1.06 kA；故障極電容電壓下降至0。由于直流電壓控制器的作用，非故障極電容電壓上升為12.1 kV，但極間電壓不變。輸送功率在故障時(shí)刻也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)暫態(tài)的突變過(guò)程并逐步趨于穩(wěn)定且與故障前相同。當(dāng)有過(guò)渡電阻時(shí)，故障極電壓將不再為0，浪涌電流最大值也隨之降低。

3.2.2 極間短路故障

極間短路是VSC-HVDC 最嚴(yán)重的故障。故障時(shí)刻3.0 s，故障極為極間。故障點(diǎn)設(shè)置在VSCHVDC 系統(tǒng)Line1 末端。仿真結(jié)果見圖7。

從圖7 可以看出，在3.0 s 時(shí)刻Line1 末端發(fā)生極間故障后，因電容的放電，雙極電壓降為0，雙極有很大的放電電流，最大電流瞬時(shí)值達(dá)到（正負(fù)極絕對(duì)值相同）I1p2=3.06 kA，I2p3=2.53 kA，I3p4=1.15 kA，I4p1=1.08 kA，穩(wěn)態(tài)電流接近于0，輸送功率經(jīng)短暫振蕩衰減至0。當(dāng)有過(guò)渡電阻時(shí)，故障極電壓將不再為0，雙極的浪涌電流最大值也隨之降低。

3.2.3 正極斷線故障

柔性直流輸電的極斷線故障雖在實(shí)際工程中并不常見，但屬于非對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，某些運(yùn)行方式下，可能影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。故障時(shí)刻3.0 s，故障點(diǎn)設(shè)置在VSC-MTDC 系統(tǒng)Line1 末端正極。仿真結(jié)果見圖8。

從圖8 可以看出，多端直流系統(tǒng)發(fā)生斷線故障后，斷線線路的故障極電流I1p2由0.009 kA 降為0，I2p3由0.067 kA 降為0.058 kA，I3p4由-0.017 kA降為-0.026 kA，I4p1由-0.059 kA 降為-0.068 kA；非故障極電流維持正常運(yùn)行，電流不變。各個(gè)換流站的直流電壓基本維持不變，系統(tǒng)潮流發(fā)生變化，系統(tǒng)總體維持平衡，可以說(shuō)對(duì)系統(tǒng)影響并不大。如果斷線線路輸送潮流較大時(shí)，將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響，因此也應(yīng)在策略上采取防范措施。為了與雙端系統(tǒng)進(jìn)行比較，下面我們對(duì)雙端系統(tǒng)發(fā)生斷線故障進(jìn)行仿真分析。

圖6 單極接地故障波形

圖7 Line1 末端極間短路故障波形

圖8 Line1 末端正極斷線故障波形

在由換流站1 和換流站2 構(gòu)成的雙端系統(tǒng)中，兩換流站之間線路末端正極線路上發(fā)生正極永久性斷線故障，故障起始時(shí)刻3.0 s。假設(shè)換流站1端采用定電壓控制且工作在整流狀態(tài)、換流站2端采用定功率控制且工作在逆變狀態(tài)，這時(shí)的仿真結(jié)果見圖9。

直流線路斷線后，送端換流站1 側(cè)Vdcp1短暫升高至10 kV 后穩(wěn)定在高于正常水平的8.4 kV，Vdcm1逐漸升高至-4.1 kV，極間電壓升高至高于正常運(yùn)行的12.5 kV；受端換流站2 側(cè)Vdcp2逐漸降低至-3.5 kV，Vdcm2逐漸升高至-3.5 kV，極間電壓降為0。從故障檢測(cè)的角度來(lái)看，直流線路斷線故障是比較容易識(shí)別的，因此其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷直流線路發(fā)生斷線故障后，觸發(fā)控制保護(hù)裝置，將停運(yùn)換流站并斷開輸電線路進(jìn)行檢修。

總體而言，斷線故障對(duì)于多端系統(tǒng)和雙端系統(tǒng)產(chǎn)生的影響并不一樣，因此應(yīng)針對(duì)實(shí)際拓?fù)洳捎貌煌目刂撇呗詠?lái)保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.4 交流側(cè)單相接地故障

交流側(cè)單相接地是實(shí)際工程中常見的故障，在中低壓系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，一般對(duì)系統(tǒng)影響并不嚴(yán)重。在VSC-MTDC 系統(tǒng)中VSC2 的變壓器6 kV 側(cè)發(fā)生A 相永久性接地故障，故障時(shí)刻3.0 s。仿真結(jié)果見圖10。

由圖10 可以看出，交流側(cè)單相接地故障發(fā)生后，VSC-MTDC 系統(tǒng)各直流線路的直流電壓、電流均發(fā)生突變，由于單相接地屬非對(duì)稱故障，故電流中出現(xiàn)了大量的諧波分量。Line1～Line4 線路諧波電流最大幅值分別為：0.25 kA （故障前0.009 1 kA）、0.3 kA（故障前0.067 kA）、0.1 kA（故障前0.017 kA） 和0.15 kA（故障前0.059 kA），由此可見諧波電流最大幅值發(fā)生在故障換流站所連接的線路上；故障發(fā)生后各換流站正負(fù)極直流電壓幅值變化基本在±（6±0.5） kV。輸送功率僅在換流站1（直流電壓控制） 和換流站2 有突變，換流站2 注入功率因諧波產(chǎn)生一定幅度的波動(dòng)，其余線路并沒(méi)有變化，這與電流變化的情況相對(duì)應(yīng)。如果故障能夠自行消失，系統(tǒng)能夠回到初始運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.5 交流側(cè)三相短路故障

交流側(cè)三相故障在實(shí)際工程中并不常見，一旦發(fā)生危害很大。在VSC-MTDC 系統(tǒng)VSC2 的變壓器6 kV 側(cè)發(fā)生永久性三相短路故障，故障時(shí)刻3.0 s。仿真結(jié)果見圖11。

圖9 雙端系統(tǒng)斷線故障波形

圖10 交流系統(tǒng)單相接地故障波形

圖11 交流系統(tǒng)三相短路故障波形

由圖11 可以看出，交流側(cè)發(fā)生三相短路故障后，換流站2 注入系統(tǒng)有功功率從0.7 MW 經(jīng)振蕩后降為0，使得VSC-MTDC 系統(tǒng)各直流線路的電壓、電流均發(fā)生變化。其中Line1 線路電流由0.009 kA 上升為0.053 kA；Line2 線路電流由0.067 kA 下降為0.053 kA；Line3 線路電流由0.017 kA 上升為0.032 kA；Line4 線路電流由0.059 kA 上升為0.074 kA；電壓除在故障瞬間有擾動(dòng)外，按照潮流情況變化不大。故障換流站注入功率降為0 后，直流電壓控制換流站功率增大，其余換流站輸送功率沒(méi)有變化。

4 結(jié)論

本文以電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD（power system computer aided design） 建立的VSCMTDC 模型為基礎(chǔ)，仿真研究了多端柔性直流輸電系統(tǒng)中直流側(cè)單極接地、極間短路、斷線故障以及交流側(cè)單相接地、三相短路故障情況，分析了故障特征，得出如下結(jié)論。

a） 多端柔性直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的浪涌電流，故障極電容電壓逐漸下降至0，非故障極電容電壓將上升為正常情況下的2 倍，但極間電壓不變。輸送功率在故障時(shí)刻也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)暫態(tài)的突變過(guò)程并逐步趨于穩(wěn)定且輸送功率與故障前相同。

b） 多端直流系統(tǒng)發(fā)生斷線故障后，斷線線路的故障極電流降為0，系統(tǒng)潮流也隨之發(fā)生變化，可以說(shuō)對(duì)系統(tǒng)影響并不大；雙端系統(tǒng)發(fā)生斷線后，送端換流站側(cè)穩(wěn)態(tài)直流電壓將會(huì)高于正常水平，受端換流站側(cè)電壓則持續(xù)降低?？傮w而言，斷線故障對(duì)于多端系統(tǒng)和雙端系統(tǒng)產(chǎn)生的影響并不一樣，因此應(yīng)針對(duì)實(shí)際拓?fù)洳捎貌煌目刂撇呗詠?lái)保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

c） 交流側(cè)單相接地故障發(fā)生后，VSC-MTDC系統(tǒng)直流電壓變化不大，各線路電流均發(fā)生突變，且電流中出現(xiàn)大量諧波分量；輸送功率的突變僅在與故障點(diǎn)相關(guān)的輸電線路上，其余線路并沒(méi)有變化?？梢姡绻收夏軌蜃孕邢У脑?，對(duì)系統(tǒng)影響不大且故障消失后能夠回到初始運(yùn)行狀態(tài)。由于單相接地故障的非對(duì)稱性，造成了電流中出現(xiàn)了大量的諧波分量。

d） 交流側(cè)發(fā)生三相短路故障后，VSC-MTDC系統(tǒng)各直流線路的電壓、電流均發(fā)生變化，故障換流站與直流電壓控制換流站之間線路電流減少，其余換流站均出現(xiàn)電流增大的情況。故障換流站輸送功率經(jīng)振蕩后降為0，直流電壓控制換流站功率增大，其余換流站輸送功率沒(méi)有變化。