全橋型MMC-HVDC直流側(cè)雙極短路故障保護(hù)策略研究

陳福偉，李朝霞

（西藏農(nóng)牧學(xué)院 水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000）

與基于晶閘管相控?fù)Q流器的傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)相比，基于電壓源換流器的柔性直流輸電（voltage sourced converter based high voltage direct current transmission，VSC-HVDC）具有不存在換相失敗和有功及無功功率可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立解耦控制等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]，可實(shí)現(xiàn)較高的靈活性和實(shí)用性，在多端柔性直流輸電中特點(diǎn)顯著。目前應(yīng)用于柔性直流輸電的VSC拓?fù)洌饕▋呻娖健⑷娖降葌鹘y(tǒng)VSC和模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）[3]。

模塊化多電平換流器具有諧波含量少、開關(guān)頻率低、模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn)在直流輸電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。根據(jù)MMC子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，基礎(chǔ)的模塊化多電平換流器可分為半橋型子模塊（Half-Bridge Sub-Module，HBSM）、全橋型子模塊（Full-Bridge Sub-Module，F(xiàn)BSM）及 和 箝 位 雙 子 模 塊（Clamping Double Sub-Module，CDSM）[5-7]3種類型。HBSM所需器件少損耗小，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，但其不能阻斷直流側(cè)故障電流。與FBSM比較，HBSM在發(fā)生直流側(cè)故障時(shí)，不能夠產(chǎn)生負(fù)電平，所以無法在換流器直流側(cè)輸出極間零電壓。CDSM雖然也可清除直流側(cè)故障，但其存在器件數(shù)量多，工業(yè)成本高、控制難度大等缺點(diǎn)。

本文主要研究全橋子模塊MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析MMC工作原理，介紹基礎(chǔ)的子模塊電容電壓控制，并闡明全橋型MMC直流側(cè)雙極短路故障下故障電流的快速清除保護(hù)策略。以全橋型MMC-HVDC直流側(cè)雙極短路故障為例，分析直流故障特性。最后，通過PSCAD/EMTDC軟件仿真驗(yàn)證全橋型子模塊換流器能夠有效阻斷直流側(cè)雙極短路故障電流，完成故障電流的快速清除，證明保護(hù)策略的有效性。

1 全橋型MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中點(diǎn)O為零電位參考點(diǎn)，L0為橋臂電抗器，Idc為直流電流。Udc為直流電壓，uVa為交流出口處a相輸出電壓，iVa為交流側(cè)相電流。每個橋臂由電抗器L0和n個子模塊組成，共6個橋臂，同相的上下2橋臂組成相單元。

圖1 三相模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

全橋子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。全橋子模塊由4個IGBT、4個反并聯(lián)二極管和1個電容器組成。正常運(yùn)行調(diào)制狀態(tài)可分為3種，投入狀態(tài)、切除狀態(tài)和閉鎖狀態(tài)。處于投入狀態(tài)時(shí)，子模塊端口電壓可產(chǎn)生正電平和負(fù)電平。全橋子模塊正常運(yùn)行狀態(tài)下開關(guān)狀態(tài)見表1。當(dāng)T1、T4導(dǎo)通，T2、T3閉鎖時(shí)，電容C處于投入狀態(tài)，端口電壓usm為Uc；當(dāng)T2、T3導(dǎo)通，T1、T4閉鎖時(shí)，電容C處于投入狀態(tài)，端口電壓usm為-Uc。處于切除狀態(tài)時(shí)，子模塊端口電壓可產(chǎn)生零電平。當(dāng)T1、T3導(dǎo)通，T2、T4閉鎖時(shí)，電容C處于切除狀態(tài)，端口電壓usm為0；當(dāng)T2、T4導(dǎo)通，T1、T3閉鎖時(shí)，電容C處于切除狀態(tài)，端口電壓usm為0。

表1 全橋子模塊開關(guān)狀態(tài)

圖2 全橋子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，IGBT全部關(guān)斷。當(dāng)ism為正時(shí)，電流流過二極管D1、D4，端口電壓usm為Uc；當(dāng)ism為負(fù)時(shí)，端口電壓usm為-Uc。閉鎖狀態(tài)下，子模塊電容電壓提供反向電動勢，能夠讓故障電流快速衰減，從而達(dá)到清除故障電流的目的[8]。全橋子模塊可以輸出Uc、0、-Uc3個電平。與傳統(tǒng)的半橋型子模塊相比，全橋型子模塊可以輸出負(fù)電平。

2 全橋型MMC運(yùn)行原理

全橋型MMC單相等效電路如圖3所示。以a相為例，R0為橋臂等效電阻，uVa為a相在V點(diǎn)的輸出電壓，iVa為相電流。upa和una分別為a相上、下橋臂子模塊級聯(lián)電壓，ipa和ina分別為上、下橋臂電流。

圖3 全橋型MMC單相等效電路

式中：I2f為負(fù)序性質(zhì)的相間環(huán)流[9]。

設(shè)idiffa為a相內(nèi)部環(huán)流，udiffa為a相內(nèi)部不平衡壓降。

從V點(diǎn)到a相正負(fù)極直流母線分別應(yīng)用基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff Voltage Laws，KVL）得

將式（5）和式（6）相加并代入式（1）和式（2）得

定義虛擬點(diǎn)M電動勢為ea

通過調(diào)節(jié)ea就可以直接控制輸出電流iVa。全橋型MMC同半橋型MMC都為電壓源換流器，可以使用電流矢量控制。因此可以在dq坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)有功無功的獨(dú)立解耦控制，且ea為內(nèi)環(huán)電流控制所產(chǎn)生的a相調(diào)制波。

根據(jù)式（4）結(jié)合a相應(yīng)用KVL得

因此a相上下橋臂參考電壓分別為

由此得出任意時(shí)刻MMC上下橋臂投入的子模塊數(shù)量

即橋臂正弦電壓調(diào)制波uref與電容電壓平均值UCAV的比值再取整。計(jì)算后獲得所需導(dǎo)通的子模塊數(shù)目，結(jié)合觸發(fā)控制，就可以實(shí)現(xiàn)功率傳輸。

3 全橋型MMC故障保護(hù)機(jī)制

3.1 子模塊電容電壓平衡控制

電容電壓控制屬于MMC閥控層級。電容電壓控制應(yīng)盡量操作簡單，能適應(yīng)子模塊數(shù)量過多的場景應(yīng)用。由于電力電子器件的開關(guān)頻率嚴(yán)重影響換流器的損耗，以及器件的開關(guān)特性和死區(qū)時(shí)間不同所導(dǎo)致的直流電壓波動等特點(diǎn)，橋臂投切過程中應(yīng)保證需要改變的子模塊數(shù)量盡量少。在工程應(yīng)用中由控制器發(fā)出一定工作頻率的觸發(fā)脈沖，電容電壓控制和觸發(fā)控制互相配合，共同完成子模塊電容電壓平衡控制。

子模塊電容電壓平衡控制策略主要作用對象為橋臂，控制子模塊的投入切除狀態(tài)。整個子模塊電容電壓平衡控制的流程框圖如圖4所示。不斷地跟蹤測量橋臂中所有子模塊電容電壓值，再對其進(jìn)行由負(fù)到正的升序排列。然后通過確定橋臂電流iarm的方向，就可以判斷出處于投入的子模塊的充放電狀態(tài)。再結(jié)合需要導(dǎo)通的子模塊數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)子模塊的電容電壓控制。最后，橋臂電流經(jīng)過子模塊時(shí)，選擇導(dǎo)通電容電壓較低或較高的子模塊組對其充電或放電，使其電容電壓升高或降低，同時(shí)未選擇導(dǎo)通的子模塊電容電壓保持不變。

圖4 子模塊電容電壓平衡控制策略

3.2 全橋型MMC直流側(cè)故障保護(hù)策略

MMC-HVDC直流側(cè)故障主要類型分為單極短路接地故障，雙極短路故障和斷線故障，其中最嚴(yán)重的最有代表性的為直流側(cè)雙極短路故障[10]。直流側(cè)故障保護(hù)策略流程圖如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)檢測到發(fā)生直流側(cè)故障時(shí)，首先閉鎖換流站，全橋子模塊處于閉鎖狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)發(fā)生永久性故障還是瞬時(shí)性故障的判斷做出不同的控制策略。在全橋型子模塊閉鎖狀態(tài)下，由于全橋型MMC子模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，上下橋臂分別產(chǎn)生極性相反的電壓，使短路點(diǎn)的電動勢為零，換流器直流側(cè)輸出極間電壓為零，故障電流逐漸衰減為零，嘗試解鎖換流站，如果換流站多次解鎖失敗，說明故障依然存在，則認(rèn)為發(fā)生永久性故障，否則認(rèn)為發(fā)生瞬時(shí)性故障。發(fā)生永久性故障時(shí)，斷開交流側(cè)斷路器，隔離故障，并停機(jī)進(jìn)行檢修；發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，換流器成功解鎖，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。該控制策略一般可以在發(fā)生直流側(cè)故障時(shí)極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障的快速清除，使設(shè)備得到充分保護(hù)，讓系統(tǒng)保持正常運(yùn)行。

圖5 直流側(cè)故障保護(hù)策略

當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，子模塊閉鎖，判斷出為暫時(shí)性故障時(shí)，提供反向電動勢的電容電壓，換流器直流側(cè)輸出極間電壓為零，可以對直流側(cè)故障電流快速清除，同時(shí)還能夠阻斷交流側(cè)電源向直流側(cè)故障點(diǎn)的饋流作用。子模塊電容電壓Uc滿足式（14）

式中：Um為交流線電壓幅值；UcN為子模塊電容電壓額定值；M為調(diào)制比，0＜M≤1。

4 仿真驗(yàn)證

利用仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建仿真模型來驗(yàn)證全橋型MMC-HVDC的直流側(cè)雙極短路故障下故障保護(hù)策略的有效性。因?yàn)橹绷鱾?cè)故障中雙極短路故障最具有代表性，所以選擇該故障類型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。因?yàn)槿珮蛐蚆MC-HVDC的系統(tǒng)保護(hù)策略能夠?qū)崿F(xiàn)直流側(cè)故障電流自清除，但是在永久性故障下需要交流側(cè)斷路器跳閘并進(jìn)行停機(jī)檢修，所以選擇暫時(shí)性故障進(jìn)行仿真驗(yàn)證。利用PSCAD/EMTDC軟件搭建如圖6所示的全橋型MMC-HVDC仿真模型。主要仿真參數(shù)見表2。

圖6 全橋型MMC-HVDC仿真模型

表2 全橋型MMC-HVDC仿真參數(shù)

故障發(fā)生點(diǎn)選取換流站1和換流站2線路中點(diǎn)處，8 s時(shí)發(fā)生雙極短路暫態(tài)故障，設(shè)置故障邏輯持續(xù)時(shí)間為0.01 s。由于系統(tǒng)故障檢測通訊需要一定時(shí)間，設(shè)置換流站直流側(cè)故障識別時(shí)間為0.1 ms，換流站解鎖時(shí)間在直流故障發(fā)生2 s以后。換流站1設(shè)置為定直流電壓控制，換流站2設(shè)置為定有功功率控制。

由圖7—圖11可知，全橋型MMC在8 s前穩(wěn)定運(yùn)行，8 s時(shí)引入直流側(cè)雙極短路故障，直流側(cè)電壓瞬間減小到零，交流側(cè)有功功率降低，無功功率升高，交流側(cè)三相電流明顯降低。由圖12—圖13可知，閉鎖換流器前，橋臂電流減小，故障電流迅速升高，超過閥側(cè)允許的最大保護(hù)電流。8 s后直流側(cè)故障電流迅速升高，換流站閉鎖后，0.01 s后直流故障電流降到0，子模塊電容電壓也處于穩(wěn)定狀態(tài)。故障設(shè)置后未觸發(fā)交流側(cè)斷路器，8.2 s后換流站解鎖，系統(tǒng)重啟，直流電壓、有功無功功率和三相電流等都慢慢恢復(fù)，系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。全橋型MMC-HVDC清除直流側(cè)故障的時(shí)間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的半橋型MMC，且不需要斷開交流側(cè)斷路器來實(shí)現(xiàn)，而是依賴全橋型的子模塊特性實(shí)現(xiàn)故障自清除和系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)的恢復(fù)。

圖7 直流側(cè)電壓

圖8 直流側(cè)故障電流

圖9 交流側(cè)有功功率

圖10 交流側(cè)無功功率

圖11 交流側(cè)三相電流

圖12 a相上橋臂電流

圖13 子模塊電容電壓

5 結(jié)論

本文從全橋型模塊化多電平換流器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，重點(diǎn)介紹全橋型MMC工作原理，簡述子模塊電容電壓控制，分析直流側(cè)雙極短路故障情況下，全橋型MMC-HVDC阻斷故障電流的保護(hù)原理。最后，通過PSCAD/EMTDC軟件仿真驗(yàn)證了全橋子模塊換流器能夠有效阻斷直流側(cè)雙極短路故障電流，證明了保護(hù)策略的有效性。