淺談模塊化多電平變流器高壓直流輸電系統直流故障改進控制策略

吳方

摘 要：由于能源的緊缺問題，各個國家都在積極的進行新能源的開發利用，使能源結構能夠得到優化。而高壓直流輸電技術的應用，可以有效的解決能源結構多元化，其中使用了模塊化多電平變流器的拓撲形式，與交流、直流輸配電相比較具有很好的優越性，但同時也存在一定的問題，如果出現直流故障，會造成很大的損害，因此，本文主要對故障的改進控制進行了分析，以供參考。

關鍵詞：高壓直流輸電;模塊化多電平變流器;故障控制

電壓源高壓直流輸電技術結合了高壓輸電和直流輸電，系統運行的拓撲形式有模塊化多電平變流器。在高壓直流輸電系統中，電壓源換流器是其中關鍵的構成，其中的模塊化多電平變流器輸出電平多，器件開關頻率低，這種高壓直流輸電系統有很好的應用優勢，但是其直流故障問題需要得到重點改進和控制，這樣才能更好的保證系統的運行。

1.模塊化多電平變流器型高壓直流輸電系統

模塊化多電平變流器的拓撲結構主要包括6個橋臂，而每個橋臂的構成主要包括n個子模塊SM和電抗器L[1]。而其中的子模塊由2個IGBT開關構成，每一個都反并聯二極管D1、D2，每個橋臂串聯n個子模塊，而一個單元中包括上下兩個橋臂。下圖1是模塊化多電平變流器單元拓撲結構，圖2是子模塊的拓撲結構。

模塊化多電平變流器的電路能夠使不同的電壓等級和功率符合要求，主要就是利用變流器子模塊數量的多少來滿足要求，能夠幫助電路進行集成化的設計。相比較以往的電壓源變流器，模塊化多電平變流器的三相橋臂是通過并聯的方式進行連接的，不過交流電抗器不同于兩電平、三電平的電抗器，連接方式存在差異，模塊化多電平變流器主要是利用串聯形式在其橋臂中，其中橋臂的電抗器可以使變流器的安全性更高，這樣橋臂中的環形電流能夠得到較好的控制，還可以使直流故障引起的電流上升速度得到降低。另外，模塊化多電平變流器可以利用很少的電平形成交流電壓，所以，輸出交流電壓的變化范圍可以較好的控制，直流側電壓的變動很小，因而變流閥受到的電氣應力可以得到較好的降低。如果這種變流器型的高壓直流輸電系統中發生交流側不對稱的故障時，能夠確保系統不會斷電，從而正常運行。這主要是因為直流側沒有并聯進大電容，而是在各個子模塊中，橋臂與電壓源是相當的，這樣在三相中任何一相出現故障，都能夠保證其他沒發生故障的正常運行。

2.模塊化多電平變流器高壓直流輸電系統直流故障控制措施

2.1直流短路故障保護

模塊化多電平變流器高壓直流輸電系統直流側的輸電線路通常都是使用雙極電纜，故障的發生與接地方式沒有聯系，直流故障主要有雙極短路、單極接地、斷線故障，比較嚴重的就是直流雙極短路故障[2]。目前在直流側輸電線路中通常都是使用電纜，一般出現可能性最大的就是永久性故障。在換流站閉鎖前，故障電流會突然大幅增大，其中包括子模塊電容電壓放電電流和交流側電流，發生直流故障就等于交流側三相發生短路故障。電流由于疊加形成橋臂電流，短路電流會急劇上升，快速到達最大值。幾毫秒后系統就會檢測到直流側故障，然后閉鎖模塊化多電平變流器的換流站，這時子模塊的電容旁路放電以及橋臂流入電流就會停止，不過利用子模塊反并聯的二極管D2可以有電流流入故障點，橋臂的電感就會對其中短路電流上升的速度進行控制，子模塊端口處通過并聯使二極管D2的旁路能夠得到保護。

2.2直流單極接地和斷線故障控制

2.2.1系統電流內環控制器設計

直流雙極短路故障屬于單極接地故障中的一種特殊情況，對于單極接地故障和直流斷線故障，控制措施的數學模型相一致，所以能夠簡化統一。系統故障極與非故障極的數學模型的差異主要在橋臂的電壓直流分量的差別，因此，系統出現直流故障時不用判斷故障種類，只要檢測正、負極直流母線電流的瞬間變化后即刻將模塊化多電平變流器橋臂電壓的直流分量控制在0，就能夠使系統直流故障下完成穿越運行。系統電流內環控制器設計主要包括上橋臂和下橋臂電流內環控制，故障期間模塊化多電平變流器上、下橋臂的電壓方程是

2.2.2系統外環控制器設計

全橋型的模塊化多電平變流器高壓直流輸電系統在出現直流單極接地和斷線故障時，上橋臂通常需要保證交流電網無功的要求，發生少量的有功功率交換主要是保持橋臂電容電壓的平衡[3]。為了能夠使故障發生階段，系統運行中的動態響應能力得到提升，無功的外環控制器主要使用電流前饋控制，送端無功外環控制器，由于有功類的控制量是直流母線電壓，所以，有功輸入使用送端下橋臂輸入的有功Po，受端上橋臂無功外環控制器，有功輸入使用參考Pref。全橋型的模塊化多電平變流器下橋臂的出現故障的階段運行是正常情況，送端的變流器有功控制能夠保持高壓直流輸電系統的負極直流母線電壓是恒定的，在故障狀態下系統有功傳輸進行，受端變流器有功控制主要是定有功功率控制。另外，為了能夠使直流單極接地故障下的全橋型模塊化多電平變流器高壓直流輸電系統的動態響應能力得到有效的提升，送端以及受端下橋臂無功外環控制器使用電流前饋控制。同樣的，送端變流器下橋臂無功外環控制器的有功輸入使用有功Po。受端變流器下橋臂有功輸入使用有功參考Pref。

結束語：

通過建立系統直流故障的數學模型，對直流單極接地和斷線故障下的模塊化多電平變流器高壓直流輸電系統的功率指令進行優化，能夠使系統在故障階段的上、下橋臂有功和無功功率的指令得到較好的分配，使系統在直流故障下可以保持較好的運行能力。對系統的直流故障采用統一的故障控制措施，利用轉換模塊化多電平變流器的運行方式，進而使各個橋臂的電壓直流分量隨直流母線電壓的變化而變化，進一步使系統在直流故障下安全可靠的運行。對直流故障進行控制不需要判斷故障的種類，只需要檢測正、負極直流母線電流的瞬間變化情況，從而使故障控制實現簡化統一。

參考文獻：

[1]王霖. 基于模塊化多電平變流器的柔性高壓直流輸電系統研究[D]. 2014.

[2]李敏. 模塊化多電平變流器的子模塊故障容錯控制研究[J]. 電力電子技術， 2018.

[3]杜曉舟. 模塊化多電平在直流輸電系統中的應用與研究[D]. 2015.