單節(jié)杉，任 敏，田鑫萃，束洪春，李 濤

MMC換流站閥側交流接地故障電流解析

單節(jié)杉，任 敏，田鑫萃，束洪春，李 濤

(昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650504)

對模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)換流站閥側交流接地故障特性進行研究發(fā)現(xiàn)：閥側交流系統(tǒng)發(fā)生金屬性接地故障時，故障點入地電流由下橋臂電容放電電流和上橋臂以及對端橋臂電容放電電流構成，網(wǎng)側交流系統(tǒng)不會饋入入地電流；帶過渡電阻接地故障時，網(wǎng)側交流系統(tǒng)將通過過渡電阻作用于故障點入地電流。詳細推導了三相接地故障和單相接地故障下的入地故障電流和橋臂電流的數(shù)學解析式。采用RTDS仿真驗證了該表達式的正確性。由于閥側交流出口處電位被鉗制為0，因此上橋臂的子模塊電容將產(chǎn)生過電壓。下橋臂與故障點構成放電電容回路，下橋臂流過的故障電流迅速增大，且無法通過斷路器切斷故障電流。因此，建議采取可靠的限流措施避免閥側故障對換流站等一次設備造成嚴重傷害。

柔性直流輸電；閥側交流；接地故障；故障回路；電流解析

0 引言

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)最早由德國學者 R. Marquardt和A. Lesnicar 提出，并于2010年11月在美國舊金山投運Trans Bay Cable首條柔性直流輸電工程。2011年上海南匯投運柔性直流工程是中國首條VSC直流工程，2015年中國廈門柔性直流工程的投運是世界首個真正意義上的真雙極直流系統(tǒng)。經(jīng)過60年的發(fā)展，世界首個四端柔性直流環(huán)形電網(wǎng)組網(wǎng)成功，標志著直流電網(wǎng)成為現(xiàn)實。2020年7月2日，烏東德混合多端高壓直流工程昆北站、龍門站雙極單閥組系統(tǒng)調(diào)試送電成功，標志著大容量柔性直流在大電網(wǎng)中的應用?？梢姡捎眉芸站€路的柔性直流電網(wǎng)已經(jīng)逐漸形成。由于架空線路故障率高，而直流系統(tǒng)是一個低慣量、弱阻尼系統(tǒng)，所以直流系統(tǒng)接地故障后，故障電流迅速上升，而且幅值很大，數(shù)毫秒內(nèi)超出換流器內(nèi)部元件過流保護閾值[1-8]。

換流站交流閥側故障作為特殊少有的故障類型[9-12]，主要為由穿墻套管絕緣老化、雷擊閃絡等引起的接地故障。如某年某月某日16時44分，某直流換流站穿墻套管故障引起極I高端換流器差動保護II段動作、極I差動保護II段動作。該故障引起的沖擊電流巨大，導致套管防爆膜完全炸裂脫落，套管內(nèi)部有熏黑痕跡，傘裙存在缺口。由于閥側故障接地點與直流側接地點構成故障電流的流通通路，換流器閉鎖前的沖擊電流很大甚至比直流線路故障更為嚴重，而該故障位于交流保護區(qū)，不能通過直流斷路器切除，極易對換流站造成損害，同時由于現(xiàn)有的限流裝置位于直流母線出口，對于這種情況下，不能對故障電流進行抑制[13-15]。目前對換流站交流閥側接地故障電流特性分析和研究的文獻較少，并且主要聚焦于換流閥閉鎖后的故障特性的分析，如文獻[16-18]對交流系統(tǒng)閥側故障特性進行了分析，推導了閉鎖后故障電流數(shù)學表達式并提出了相應的保護控制策略。文獻[19]對換流站閥側交流三相接地故障進行故障解析，而實際工程中關注的是單相接地故障，這種情況下解析推導故障電流表達式才有意義。文獻[20-21]分析了MMC換流站閥側交流接地故障，閉鎖前及閉鎖后過電壓的產(chǎn)生機理以及閉鎖時刻對過電壓的影響。文獻[22]對逆變側換流變壓器閥側接地故障進行理論分析和仿真試驗，并結合仿真試驗詳細分析了這些保護動作策略存在的問題，提出了相應的改進措施。

本文對MMC換流站交流閥側故障特性進行了研究，詳細推導了交流閥側發(fā)生三相接地故障和單相接地故障，換流站IGBT閉鎖前，直流側提供故障點電流以及橋臂電流的數(shù)學解析式。分析結果表明：對于對端換流站與故障點構成的放電回路，由于上橋臂電容初始電壓與故障電流方向相反，且故障回路存在平波電抗器等限流器件，故直流線路故障電流較小，但由于閥側交流出口處電位被鉗制為0，因此上橋臂的子模塊電容將產(chǎn)生極大的過電壓，導致子模塊電容擊穿，通過斷開近端直流斷路器可有效解決該問題[23-24]；而對于下橋臂與故障點構成的放電回路，下橋臂流過的故障電流迅速增大，且無法通過斷路器切斷換流站與故障點的聯(lián)系，因此建議采取可靠的限流措施，有效避免閥側故障對換流站等一次設備造成嚴重傷害，并降低對此類故障的保護要求。

1 架空線路MMC-HVDC結構

MMC結構特性使開關器件損耗、階躍電壓減小，波形質(zhì)量以及換流器運行性能提高。與VSC相比MMC內(nèi)的子模塊以級聯(lián)形式組成，同時將直流儲能電容分散到每個級聯(lián)的子模塊內(nèi)，而不是接在直流線路兩極之間。MMC-HVDC系統(tǒng)整流側和逆變側換流站結構相同，圖1為換流站拓撲及子模塊結構示意圖。MMC的三相電路由6個橋臂組成，同相由上下橋臂構成一個相單元，而每個橋臂由多個子模塊和一個橋臂電抗串聯(lián)構成，MMC系統(tǒng)通過控制子模塊工作狀態(tài)來維持電壓穩(wěn)定。

圖1 換流站拓撲及子模塊結構示意圖

MMC-HVDC系統(tǒng)的接地方式可以分為交流側接地以及直流側接地。交流側接地可以分為換流變壓器閥側繞組中性點接地以及換流器閥側電抗器中性點接地；直流側接地可以分為極線經(jīng)大電阻接地、極線經(jīng)大電容接地與經(jīng)接地極引線的接地幾種類型。經(jīng)接地極引線接地的雙極MMC-HVDC系統(tǒng)單側的兩個換流器之間通過接地極引線接地，該系統(tǒng)直流輸電線路發(fā)生單極接地故障時，非故障極仍可以正常運行。架空線路柔性MMC直流系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2 架空線路柔性MMC直流系統(tǒng)仿真模型

2 交流閥側三相接地故障電流解析

現(xiàn)場實際存在由于穿墻套管絕緣老化、雷擊閃絡等引起的閥側接地故障。故障引起的巨大沖擊電流導致套管防爆膜完全炸裂脫落，套管內(nèi)部有熏黑痕跡，傘裙存在缺口，如圖3所示。

圖3 套管防爆膜脫落實物圖

Fig. 3 Physical picture of casing explosion proof film falling off

2.1 下橋臂故障回路電流解析

閥側交流發(fā)生三相接地故障，按照電流的流通路徑可分為3個部分，其故障電流回路如圖4所示。

回路I：交流網(wǎng)側的饋入電流，對于對稱短路，不會提供入地電流(零序電流)。對于非金屬性接地，網(wǎng)側電流會影響橋臂電流。

回路II：下橋臂電容的放電電流，其放電回路由故障點→故障側下橋臂→接地極構成。

回路III：對端換流站以及故障側上橋臂的放電電流，其放電回路由上橋臂→直流線路→遠端換流站→遠端換流站接地極→故障點構成。

圖4 閥側交流發(fā)生三相接地故障電流回路

由于閥側故障接地點與直流側接地點構成橋臂電容放電電流的流通通路，故障沖擊電流很大，因此在下文分析直流側提供的故障點入地電流，同時當接地點過渡電阻為零時，交流網(wǎng)側沒有饋入入地電流，且回路II和回路III沒有耦合，可以獨立計算。對于過渡電阻的影響，將在仿真驗證時進行討論分析。

圖5 △側接地故障下故障點、下橋臂和接地極構成的電流流通通路

圖6 △側接地故障下故障點、下橋臂和接地極構成的電流流通通路的等效電路

考慮到下橋臂子模塊投切與控制系統(tǒng)密切相關，精確求取下橋臂故障電流較為復雜，而由于MMC閉鎖前電容放電過程極短，約為1～2 ms，因此本文忽略控制投切的影響，以故障臨界時刻的橋臂電壓、電流為初始條件，求解閉鎖前換流站提供的故障電流。

圖7 a相橋臂等效電源單獨作用下的等效電路

根據(jù)圖7即可得下橋臂a相提供的故障點入地電流為

2.2 上橋臂故障回路電流解析

回路III的故障電流流通路徑為上橋臂→直流線路→遠端換流站→遠端換流站接地極→故障點，如圖8所示。

圖8 △側接地故障上橋臂與對端換流站構成的電流流通通路

對于圖8所示的故障回路，其等效電路如圖9所示。

綜合圖10和圖11可知，對端換流站以及故障側上橋臂提供的故障點入地電流為

圖10 對端換流站等效電源對上橋臂的放電回路

圖11 上橋臂等效電源對換流站的放電回路

根據(jù)圖10可以得到對端換流站等效電源對上橋臂的放電回路電流為

根據(jù)圖11可以得到上橋臂等效電源對換流站的放電回路電流為

對端換流站以及故障側上橋臂提供的故障點入地電流為

由上述分析可知，交流閥側發(fā)生三相接地故障，直流側提供的入地故障電流為

3 交流閥側單相接地故障電流解析

實際工程中，單相接地故障概率高，現(xiàn)以閥側A相接地為例，故障點入地電流由交流側電勢激勵、電感元件和電容元件初始值激勵共同作用的結果。根據(jù)線性電路的疊加原理，分別解析出各激勵源單端作用下的響應，再根據(jù)線性相加即可得到總響應。

3.1 交流側等效電勢激勵下的響應

交流側等效電勢激勵作用下的短路電流如圖12所示。

根據(jù)電路疊加定理，當某一獨立電源作用時，其他獨立電源應為零值。因此，當交流側等效電勢激勵單獨作用時，橋臂電容等效激勵電壓為零，因此，其電容值為零相當于短路，對圖12進行簡化后的等效電路如圖13所示。

圖12 交流側等效電勢激勵源的短路電流

圖13 交流側等效電勢激勵源作用下簡化等效電路

由圖13可知，a相提供的短路電流滿足的回路方程為

求解式(15)，得到

由圖14可知，a、b和c相電流滿足

基于上述分析，得到交流激勵等效作用下的上橋臂電流為

下橋臂電流為

3.2 直流側儲能元件等效激勵下的響應

從近端換流站看，a相所連接的下橋臂與故障點、接地極構成放電回路I，同時，b、c相橋臂通過a相上橋臂、故障點、接地極構成放電回路II，如圖14所示。

圖14 閥側A相接地下近端換流站橋臂電流通路

對于圖14所示的放電回路I，將其轉(zhuǎn)換成運算電路模型如圖15所示。

由圖15可知，放電回路I提供的故障點入地電流為

式(21)對應的時域表達式為

對于圖14所示的放電回路II，將其轉(zhuǎn)換成運算電路模型如圖16所示。

由圖16可知，放電回路II提供的故障點入地電流為

式(25)對應的時域表達式為

式中：

上橋臂電流為

下橋臂電流為

直流側提供的故障點入地電流為

綜上所述，交流系統(tǒng)閥側交流側電勢激勵、電感元件和電容元件初始值激勵共同作用的上橋臂電流為

下橋臂電流為

總的故障點入地電流為

4 仿真驗證

利用RTDS搭建如附錄圖A1所示的基于RTDS的MMC仿真模型，其中MMC1、MMC2為定直流電壓和定交流電壓控制，換流器MMC3、MMC4為定有功功率和定交流電壓控制。換流器采用半橋子模塊且參數(shù)一致，單個換流站主回路參數(shù)如附錄表A1所示。

為驗證上述理論分析的正確性，現(xiàn)設MMC1換流站交流閥側發(fā)生三相接地短路故障(ABCG)和單相接地故障(AG)進行仿真分析，仿真電流與計算電流的結果如圖17和圖18所示。

圖17 閥側三相接地故障直流側提供的故障點入地電流

直流故障電流上升快、幅值大，考慮限流器在內(nèi)，保護需在1～3 ms出口動作，目前性能較好的混合式DCCB動作時間約為3～5 ms，可認為清除故障電流的極限時間為8 ms，因此要保證該時間段內(nèi)故障電流小于換流站閉鎖值。結合模型參數(shù)，取橋臂電流5 kA換流站閉鎖電流。由圖17和圖18可知，當交流系統(tǒng)閥側發(fā)生接地故障，由于回路阻尼小，故障相下橋臂電容放電過沖電流大，且無法通過斷路器切斷故障電流，極易對換流站等一次設備產(chǎn)生極大的過應力。

1) 過渡電阻影響分析

在上述分析中均沒有考慮接地點過渡電阻影響，現(xiàn)以三相接地故障帶有過渡電阻為例，分析故障點入地電流，其故障回路等效電路如圖19所示。

圖19 閥側交流發(fā)生三相帶過渡電阻接地故障等效電路

根據(jù)圖19、回路電壓定理以及節(jié)點電流可以得到過渡電阻下故障點入地電流，具體推導過程在附錄A中展示。當閥側交流發(fā)生三相帶過渡電阻的接地故障時，網(wǎng)側交流系統(tǒng)將通過過渡電阻作用于故障點入地電流。不同過渡電阻下的橋臂電流和故障點入地電流如圖20所示。

2) 故障時刻的影響

不同故障時刻下的入地故障電流的仿真曲線和計算曲線如圖21所示。為直觀地比較不同故障時刻對故障電流的影響，將不同故障時刻下的電流波形對齊。

3) 控制方式的影響

在上述仿真中，MMC1、MMC2為定直流電壓和定交流電壓控制，換流器MMC3、MMC4為定有功功率和定交流電壓控制?，F(xiàn)討論不同控制方式下的閥側故障下電流特性。例如將MMC4改為定無功功率控制方式，即

而定交流電壓控制為

圖22 不同控制方式下閥側故障電流特性

由圖22可以看出，在不同的控制策略下，各特征量的穩(wěn)態(tài)值差別很小。精確計及控制系統(tǒng)對故障電流的影響較為困難，通常交流網(wǎng)側故障下，為避免換流閥提供的故障電流過大從而導致?lián)Q流閥閉鎖，指令值的限幅值略大于額定值，閥側交流接地故障強度高，控制系統(tǒng)對故障電流影響極小(類似于直流側故障)，因此本文忽略了控制系統(tǒng)的作用。

由上述分析可知，故障點過渡電阻和故障時刻會影響故障點入地電流的大小。

5 結論

本文詳細推導了MMC換流站交流閥側發(fā)生三相接地故障和單相接地故障下的橋臂電流的數(shù)學解析式，采用RTDS仿真平臺搭建了雙端柔性直流輸電系統(tǒng)的仿真模型，驗證了橋臂電流數(shù)學解析式的正確性，并得出如下結論：

1) 閥側交流系統(tǒng)發(fā)生三相接地故障，其入地電流成分與過渡電阻有關。對于金屬性接地故障，故障點入地電流由下橋臂電容放電電流和上橋臂以及對端橋臂電容放電電流構成，網(wǎng)側交流系統(tǒng)不會饋入入地電流；對于帶過渡電阻接地故障，網(wǎng)側交流系統(tǒng)將通過過渡電阻作用于故障點入地電流。

2) 閥側交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，故障點入地電流由交流側電勢激勵、電感元件和電容元件初始值激勵共同作用的結果。

3) 閥側交流發(fā)生接地故障，交流出口處電位被鉗制為0，因此上橋臂的子模塊電容將產(chǎn)生極大的過電壓，導致子模塊電容擊穿，通過斷開近端直流斷路器可有效解決該問題。

4) 對于下橋臂與故障點構成的放電回路，下橋臂流過的故障電流迅速增大，且無法通過斷路器切斷換流站與故障點的聯(lián)系，因此建議采取可靠的限流措施能有效避免閥側故障對換流站等一次設備造成嚴重傷害，并降低對此類故障的保護要求。

附錄A

圖A1 基于RTDS的MMC仿真模型的搭建

Fig. A1 Construction of MMC simulation model based on RTDS

表A1 換流站主回路參數(shù)

Table A1 Main circuit parameters of converter station

參數(shù)數(shù)值 換流器額定容量/MVA750 網(wǎng)側交流母線電壓/kV175 直流電壓/kV320 連接變壓器額定容量/MVA900 電壓比230/175 短路阻抗百分比/%10.5 子模塊額定電壓/kV8.5 單個橋臂子模塊數(shù)目76 子模塊電容值/mF5.1 橋臂電抗器電感/mH50 平波電抗器電感/mH100 極址電阻Rg/W15

根據(jù)圖19和回路電壓定理，得到回路II的電壓方程為

故障回路II的電壓方程為

回路III的電壓方程為

故障點入地電流為

將式(1)再求一次微分，寫成矩陣的形式為

式中：

對于式(A6)的解析表達式較難獲取，但可通過電流初值迭代式(A6)，得到其數(shù)值解。

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Analysis of grounding fault current at the AC valve side of an MMC converter station

SHAN Jieshan, REN Min, TIAN Xincui, SHU Hongchun, LI Tao

(Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650504, China)

In this paper, the AC grounding fault characteristics on the valve side of an MMC converter station are studied. It is found that when the metal grounding fault occurs in the AC system on the valve side, the grounding current at the fault point is composed of the capacitor discharge current of the lower bridge arm andthe capacitor discharge current of the upper bridge arm and the opposite bridge arm, and the grid side AC system will not feed the grounding current. For a grounding fault with transition resistance, the AC system at the grid side will act on the grounding current at the fault point through the transition resistance. The mathematical expressions of grounding fault current and bridge arm current under a three-phase grounding fault and single-phase grounding fault are derived in detail. The correctness of the expression is verified by RTDS simulation. Since the potential at the valve side AC outlet is clamped to 0, the sub module capacitance of the upper bridge arm will produce an overvoltage. For the discharge capacitor circuit composed of the lower bridge arm and the fault point, the fault current flowing through the lower bridge arm increases rapidly and cannot be cut off through the circuit breaker. Therefore, it is recommended to take reliable current limiting measures to avoid serious damage to primary equipment caused by a valve side fault, such as to the converter station.

flexible DC transmission; AC valve side; ground fault; fault circuit; current analysis

10.19783/j.cnki.pspc.211709

國家自然科學基金地區(qū)項目資助(52167011)；國家自然科學基金重點項目資助(52037003)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52167011).

2021-12-15；

2022-05-21

單節(jié)杉(1979—)，男，博士研究生，主要研方向為電力系統(tǒng)新型繼電保護與控制；E-mail: 736495310@qq.com

田鑫萃(1985—)，女，通信作者，博士，副教授，主要研方向為電力系統(tǒng)新型繼電保護與控制，故障測距。E-mail: 1105479731@qq.com

(編輯 周金梅)