基于模塊化多電平換流器的直流系統(tǒng)故障電流分析及故障穿越測試

曾淑殷華, 王渝紅, 陳 勇

(四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610065)

隨著電網(wǎng)技術(shù)的逐步發(fā)展，基于電壓源變換的直流輸電(voltage source converter based，VSC-HVDC)技術(shù)越來越受青睞，它是一種以電壓源換流器為核心的輸配電技術(shù)；并且可以實現(xiàn)大區(qū)域電網(wǎng)間的非同步互聯(lián)及隔離并且具有不存在換相失敗、有功功率的快速解耦控制、輸出電壓電流諧波含量低等優(yōu)勢。模塊化多電平換流器(madular multilevel converter, MMC)技術(shù)的應(yīng)用提升了柔性直流輸電工程的電壓等級和輸電能力，由于其模塊化結(jié)構(gòu)，高效率和低輸出電壓諧波含量，被認為是最有前景的高壓直流輸電系統(tǒng)[1-2]。

文獻[3]著重于MMC-HVDC系統(tǒng)中雙極短路故障機理及暫態(tài)特性研究，并說明了故障條件下的控制和保護方法以及相應(yīng)的故障檢測和診斷方法。文獻[4]模擬了不同的直流故障并提出了全橋型MMC-HVDC直流短路故障穿越控制的保護策略。文獻[5]分析了MMC-HVDC的故障特征，但它只是表示終端總線單相接地故障和直流線對地故障并不是很深入。文獻[6-8] 通過對短路故障的暫態(tài)特性建立數(shù)學(xué)模型,進而分析MMC-HVDC系統(tǒng)直流母線上雙極短路故障的暫態(tài)特性,推導(dǎo)出故障電流的數(shù)學(xué)表達式,并提出利用比例因子的方法來改進等效電容值,從而使故障電流計算值更精確。基于等效電路分析了直流極對極短路的故障電流特性，但等效電路的等效電容不準(zhǔn)確。絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)是MMC子模型的主要元件，其抗過壓和過流的能力遠低于晶閘管，直流側(cè)極間短路是MMC最嚴(yán)重的故障之一。文獻[9-11] 闡述了直流短路電流計算方法的中外標(biāo)準(zhǔn)差異分析，證明了循環(huán)電流在換流器內(nèi)部循環(huán)不會影響輸出電流，但會增加換流器橋臂的損耗。介紹了在發(fā)生極對極短路故障時阻斷子模型之前的瞬態(tài)過程，分析了短路電流特征，推導(dǎo)出了放電電流公式。

當(dāng)發(fā)生直流極間短路故障時，MMC交流側(cè)有功功率無法傳輸?shù)街绷髂妇€，此時，MMC不僅要防止直流短路故障擴展到MMC的交流側(cè)，還要清除直流側(cè)故障電流。如果MMC能夠以失去交流電流控制能力為代價控制直流故障為零，那么將其稱為直流短路故障阻斷能力。在這種情況下，交流電網(wǎng)應(yīng)通路器去耦。如果MMC還可以通過交流電網(wǎng)側(cè)無功功率的控制將直流故障電流控制為零，那么這就稱為直流短路故障穿越能力。具有直流短路故障穿越能力的MMC可以在直流短路故障情況下作為STATCOM工作，以支持交流電網(wǎng)正常運行。其中文獻[12]闡述了輸出電流控制器、循環(huán)電流控制器、PWM和分類的細節(jié)。文獻[13-15]提出了直流故障穿越能力的低損耗MMC拓撲并研究了柔性直流故障穿越的能力。

基于臨界故障電阻分析，研究了MMC的傳輸系統(tǒng)的直流短路穿越的能力。MMC使用全橋FB單元。模擬兩種運作模式。在第一種模式中，通過在故障期間注入無功功率，一旦故障被清除就恢復(fù)其正常操作，如果故障期間的直流鏈路電阻不為零，則第二模式可運行且功率設(shè)備可以承受故障電流。在此模式下，MMC受控制在故障期間傳輸有功功率，而不會影響其正常運作。

1 MMC-HVDC系統(tǒng)基本原理及模型

如圖1(a)所示，MMC中的每個相由兩個相同的臂組成，即上臂和下臂。每個臂由N個單元或子模塊和具有內(nèi)部電阻R0的電感器L0串聯(lián)組成。可以根據(jù)所需的輸出電壓插入旁路。每個單元可以是半橋HB或全橋FB。

如上所述，每個單元可以是半橋HB或全橋FB。HB只能產(chǎn)生正電壓，但FB可產(chǎn)生正電壓和負電壓。在正常操作中電橋僅提供正電壓，然而在直流鏈路中發(fā)生短路的情況下，HB單元不提供保護，而FB單元可以阻止短路并提供穿越能力。

如圖1(b)所示，輸出電壓Vx可以定義為上橋臂和下橋臂電壓之間的差值。它可以通過KVL定律應(yīng)用于等效電路的上下環(huán)路獲得，如式(1)所示。

圖1 MMC模型結(jié)構(gòu)和半橋和全橋子模塊Fig.1 MMC model structural and half bridge and full bridge submodules

(1)

(2)

(3)

(4)

圖2顯示了FB-MMC方框圖，使用式(4)產(chǎn)生上橋臂和下橋臂參考電壓。 然后，PWM模塊計算上橋臂和下橋臂中所需的插入子模塊數(shù)量Nup、Nlow通過排序算法根據(jù)子模塊的電容器電壓選擇要插入的單元，并生成到子模塊開關(guān)的選通信號。輸出電流控制器、循環(huán)電流控制器、PWM和分類的細節(jié)參考文獻[12]。

圖2 MMC控制框圖Fig.2 MMC control block diagram

2 MMC直流極間短路特性分析

以HB-MMC模型為例，分析了極間短路的特性。當(dāng)故障發(fā)生時，兩個換流站都通過續(xù)流二極管注入短路電流，就像三相短路一樣，同時子模型電容器通過上IGBT放電。橋臂的電流是兩種電流的疊加，電容器的放電電流是其主要成分[13]。幾毫秒后，換流器閉鎖，電容器停止放電，但交流電網(wǎng)仍然通過續(xù)流二極管注入短路電流。以單相為例，在子模塊被阻塞之前，它主要是一個電容放電過程，且是一個二階等效電路。等效放電電路如圖3所示。

圖3 放電電流示意圖Fig.3 Discharge point current diagram

從圖3可以推導(dǎo)出電壓和電流計算公式：

uc=A1ep1t+A1ep2t

(5)

(6)

原始狀態(tài)：

(7)

可以導(dǎo)出等效電容器電壓：

(8)

式(8)中：

(9)

(10)

從式(10)中可以推導(dǎo)出放電電流達到峰值的時間和峰值。

(11)

(12)

3 直流短路阻斷和故障穿越

柔性直流輸電系統(tǒng)正常運行的一個重要準(zhǔn)則是輸入和輸出功率的平衡。若輸入功率大于輸出功率會引起直流電壓升高，反之直流電壓降低，系統(tǒng)不能正常工作。當(dāng)換流站近區(qū)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障后，換流站的輸送功率會瞬間大幅下降。在直流極對極故障下MMC的保護響應(yīng)與傳統(tǒng)的直流轉(zhuǎn)換器不同。直流鏈路的電容不會直接連接到傳輸線，而是分布在整個換流器中。因此直流傳輸線發(fā)生短路故障時，換流器會閉鎖，可以避免高放電電流系統(tǒng),可以在故障清除后立即恢復(fù)正常操作，這提高了保護系統(tǒng)的有效性。

MMC在故障情況下的保護響應(yīng)取決于電橋設(shè)計和控制策略。如果使用HB-MMC，即使在檢測到故障時電源開關(guān)被阻斷，故障電流也會通過續(xù)流二極管循環(huán)并產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞。在這種情況下，HB-MMC需要輔助開關(guān)，如晶閘管或三端雙向可控硅開關(guān)，以在故障期間旁路(和保護)續(xù)流二極管，提供一個替代電流路徑，以減少續(xù)流二極管上的承受力(圖4)。

圖4 阻斷模式下HB-MMC中的短路電流路徑等效電路Fig.4 Short-circuit current path equivalent circuit in HB-MMC in blocking mode

在FB-MMC的情況下,一旦檢測到故障，關(guān)閉電源開關(guān)將自然地抑制故障電流。在這種情況下，故障電流通過續(xù)流二極管，為子模塊電容器充電，然后總的電容器電壓變得大于AC線電壓，最終阻斷故障電流。因此，不需要包括輔助開關(guān)或其他保護措施[14-15]。

零功率傳輸(STATCOM操作)FB單元可以產(chǎn)生雙極性電壓使FB-MMC不僅能夠阻止直流故障電流，還能夠?qū)崿F(xiàn)故障穿越。當(dāng)檢測到直流故障時，F(xiàn)B-MMC可以通過設(shè)置上橋臂的直流偏移值V，產(chǎn)生交流電壓，使交流側(cè)的有功電流等于零(以及相應(yīng)的直流電流也為零)，下臂參考電壓等于零。而交流側(cè)電壓和無功功率不受故障影響。因此在故障期間，MMC作為STATCOM運行，以無功功率支持電網(wǎng)，而在MMC的AC和DC側(cè)之間沒有有效功率傳輸。

(13)

4 故障穿越有效電力傳輸

在容錯控制系統(tǒng)中，如果發(fā)生故障，控制器必須決定阻止轉(zhuǎn)換器并隔離故障線路或者穿越故障并繼續(xù)支撐電網(wǎng)正常運行。選擇方法將取決于故障的性質(zhì)(永久性或瞬時性故障)和傳輸線類型(電纜或架空線)。如果使用電纜，故障通常由外部機械應(yīng)力引起，故障是永久性的，需要完全隔離故障電纜；如果使用架空輸電線路，故障通常是由雷擊或外部污染引起的，故障是瞬時性的可以自清除，則故障穿越技術(shù)是首選[16-17]。

從前部分可以得出結(jié)論，如果在直流鏈路中發(fā)生永久的極對極短路故障，則不能在AC與MMC的DC端口之間傳輸電力。在這種情況下，MMC控制的目標(biāo)是使DC電流等于零而不中斷MMC的操作(即禁用控制或觸發(fā)保護)。這樣做可以在故障被清除后立即恢復(fù)正常操作。在非永久性(瞬時性)短路故障的情況下，如果DC故障電阻不為零，則有可能通過DC鏈路傳輸有功功率。該功率的一部分

將饋送故障，剩余的功率將被傳輸至DC線路。該策略適用于故障穿越，其中將MMC的AC側(cè)的功率盡可能多地傳輸給MMC的DC側(cè)。

在DC故障下傳輸有功功率是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因為MMC的操作必須適應(yīng)故障的特性。故障阻抗取決于傳輸系統(tǒng)(地下、海底電纜或架空傳輸線)的性質(zhì)和故障類型(極對地、極對極或極對極接地故障)。故障電阻的偏移值在0.123～0.246 pu變化[18]，將取0.123 pu來驗證。

圖5示出了在傳輸線中點發(fā)生直流短路故障時，MMC-HVDC傳輸系統(tǒng)的直流等效電路，故障電阻為Rsc。應(yīng)用基爾霍夫電壓定律(KVL)，逆變器和整流器電流irect、iinv可以導(dǎo)出。

(14)

(15)

(16)

(17)

5 對故障電阻Rsc的靈敏度分析

在前面的討論中，使用故障電阻Rsc的估計值來調(diào)電流控制器。但是實際工程中阻抗誤差是未知的，必須預(yù)測估計值和實際值之間的偏差。如果故障電流控制器產(chǎn)生故障，會影響FRT性能。如果要使用零極點消除，PI控制器參數(shù)取決于系統(tǒng)傳遞函數(shù)，如式(18)所示。

圖5 故障下的直流輸電線路等效電路Fig.5 Equivalent circuit of HVDC transmission line under fault

(18)

如果Rsc估計值與實際值偏差太大，那么控制器零點將不會與系統(tǒng)的真實極點抵消。可能會出現(xiàn)控制器零點小于或大于實際極點。

(19)

當(dāng)控制器零點小于實際極點時，系統(tǒng)會出現(xiàn)欠阻尼響應(yīng)。在控制器零大于實際極點的情況下，系統(tǒng)可能具有過阻尼響應(yīng)。Rsc的偏差越大，過沖越大。

6 仿真結(jié)果

對于所提出概念的初步驗證，使用PSCAD/EMTDC構(gòu)建了兩端FB-MMC直流系統(tǒng)，如圖7所示，主要參數(shù)如表1所示。

從故障發(fā)生至清除可分為兩個階段：①故障檢測階段。故障發(fā)生后直流電流上升，模塊電容放電導(dǎo)致電壓下降。②故障穿越階段。換流器閉鎖后，直流側(cè)故障電流下降直至零，直流網(wǎng)絡(luò)儲存的能量回饋至模塊電容里，導(dǎo)致電容電壓上升[2]。

圖7 MMC-HVDC的仿真拓撲結(jié)構(gòu)Fig.7 The simulation topology of MMC-HVDC

表1 FB-MMC的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of FB-MMC

圖8顯示了STATCOM工作模式下的仿真結(jié)果。在t=0.3 s發(fā)生了永久性極間故障，在t=0.305 s時啟用故障穿越(fault ride through， FRT)。在t=0.4 s時清除故障。如圖8所示，當(dāng)直流側(cè)線路電壓設(shè)置為零時可以抑制短路電流。此時逆變器電流、整流器電流和短路電流Iinv、Irect、Isc也等于零。此時逆變器作為STATCOM運行，穿越期間逆變器有功功率為零，但無功功率仍然在支持電網(wǎng)正常運行。此時，全橋子模塊產(chǎn)生將交流電壓將系統(tǒng)電壓維持在其目標(biāo)值所需的電壓范圍內(nèi)，逆變器的橋臂電容電壓不受故障的影響，并且在故障期間所有橋臂電容的電壓的平均值保持在目標(biāo)值范圍內(nèi)，因此可以在故障清除后立即恢復(fù)正常操作。

圖8 STATCOM模式下的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results in STATCOM mode

圖9展示了使用在故障期間向逆變器傳輸有功功率的控制策略時直流鏈路中的故障的仿真結(jié)果。在這種情況下的阻抗誤差Rsc=0.123 pu。根據(jù)式(16)計算短路電阻Rsc。如圖9所示，在t=0.3 s時發(fā)生瞬時性極間短路故障，F(xiàn)RT在t=0.305 s時啟用，經(jīng)過0.1 s故障清除了，其中故障穿越時傳輸線兩側(cè)的直流線路側(cè)電壓已經(jīng)減小至最小值約500 V，這是控制整流器電流irect和逆變器電流iinv工作所需的最小值。且逆變器電流大約為0.4 kA左右，整流器電流大約為0.3 kA左右，短路電流為0.1 kA左右，此時逆變器傳輸?shù)挠泄β始s為0.12 MW。除此之外，逆變器還通過注入無功功率來支持電網(wǎng)正常運行，且在故障期間橋臂電容器電壓仍然受系統(tǒng)控制。

圖10顯示了當(dāng)故障電阻越大，越有利于故障電流的抑制。當(dāng)限流電抗器的值越小則故障電流上升速度越大，閉鎖時刻的故障電流初始值就越大。若限流電抗器過大，則在交流斷路器斷開以后，故障電流衰減太慢，不利于設(shè)備的絕緣恢復(fù)，此外限流電抗器太大也會影響直流系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度[19]。

圖9 有功功率傳輸?shù)腇RT仿真結(jié)果Fig.9 FRT simulation results of active power transmission

圖10 故障電阻和限流電抗器對故障電流的影響仿真曲線Fig.10 Simulation curve of influence of fault resistance and current limiting reactor on fault current

7 結(jié)論

以直流極對極短路為例，分析了短路電流特性，特別是電容器放電電流。然后導(dǎo)出放電電流計算公式。基于臨界故障電阻靈敏度的分析，提出了一種基于FB-MMC的HVDC傳輸系統(tǒng)的容錯控制策略。描述了操作原理、數(shù)學(xué)模型和控制系統(tǒng)，并實施了兩種不同的故障穿越策略。第一種模式用于發(fā)生永久性故障，MMC作為STATCOM運行，在故障期間為公共電網(wǎng)提供無功功率；第二種操作模式可用于非永久性故障和較大的故障電阻情況下，故障期間有功功率通過直流鏈路傳輸。使用PSCAD/EMTDC構(gòu)建了具有兩個并網(wǎng)FB-MMC站的完整HVDC傳輸系統(tǒng)。通過使用該模型的模擬已經(jīng)證實了所提出的概念的可行性。此外，還進行了關(guān)于短路電阻變化影響的簡要研究。結(jié)果表明，如果短路電阻的估計值偏離其實際值，則會產(chǎn)生具有相對較高過沖的阻尼振蕩。