LCC- HMMC 高壓輸電系統(tǒng)的LCC 側(cè)直流故障分析

邵俊人 劉 熠 陳 遷 龍 磊 吳明位 呂永兵 張 林 辛業(yè)春

（1、中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明650000 2、東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林132012）

我國資源分布和電力需求存在東西部不匹配的現(xiàn)狀，決定了西電東送在我國能源傳輸中的必要性[1-2]。目前，電網(wǎng)換相換流器高壓直流輸電系統(tǒng)（即LCC-HVDC）存在著無法對弱交流系統(tǒng)供電、逆變站換相失敗故障、運行過程中需要消耗大量無功功率等缺陷[3，4]；西門子公司發(fā)出的模塊化多電平換流器直流輸電系統(tǒng)（即MMC-HVDC）是以全控型電力電子器件為基礎(chǔ)的電壓源型換流器高壓直流輸電（即VSC-HVDC）的眾多輸電拓撲中最具有發(fā)展空間[5]。MMC-HVDC 在包含VSC-HVDC 全部優(yōu)點的同時，又由于MMC 站的特殊拓撲結(jié)構(gòu)，使得MMC-HVDC 輸電系統(tǒng)可以更加優(yōu)越的性能：器件開關(guān)頻率低、通斷功損小、節(jié)省交流濾波器組的花銷以及其擴展性優(yōu)良等性能。這些特性使得MMC-HVDC 更適合投入到高直流電壓、大功率輸電的電力系統(tǒng)。但是MMC-HVDC 的拓撲結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜導(dǎo)致造價過高經(jīng)濟性差、不易于迅速地處理直流故障的弊端，同時限制MMC-HVDC 在長距離大功率輸電系統(tǒng)中的投入使用。

目前的輸電系統(tǒng)，希望可以將LCC-HVDC 和MMC-HVDC的優(yōu)點綜合到一起，構(gòu)建出一種混合型的直流輸電系統(tǒng)成為了日益趨勢。文獻[5-7]提出的混合型高壓直流輸電系統(tǒng)，其送端采用傳統(tǒng)直流輸電方式LCC，受端采用模塊化多電平換流器高壓直流輸電方式MMC，從而將LCC-HVDC 的技術(shù)成熟和成本低廉與MMC-HVDC 技術(shù)的良好調(diào)節(jié)性能綜合起來。

本文為提升LCC-MMC 型混合直流輸電系統(tǒng)的安全可靠性，而對系統(tǒng)的故障特性進行分析，從LCC 側(cè)與MMC 側(cè)兩個角度分別進行其直流故障特性的分析以及提出應(yīng)對策略。最終通過MATLBE 仿真平臺搭建了仿真系統(tǒng)，對故障特性理論分析結(jié)論進行驗證。

1 故障特性分析

本文以雙端單極直流輸電系統(tǒng)為例，所設(shè)計的混合直流輸電系統(tǒng)接線圖如圖1 所示。其中，整流側(cè)與逆變側(cè)的網(wǎng)側(cè)母線等值電壓分別為US1、US2，整流側(cè)變壓器為T1a、T1b，交流系統(tǒng)的等值阻抗為ZS1、ZS2，逆變側(cè)變壓器為T2。其中，整流側(cè)由12 脈動換流器構(gòu)成，逆變側(cè)則由MMC 構(gòu)成，混合系統(tǒng)MMC 側(cè)的拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

逆變側(cè)由MMC 構(gòu)成，如圖2 所示。其由三相六橋臂構(gòu)成，每個橋臂由一個電抗器叢及若干個半橋子模塊構(gòu)成。MMC 中子模塊有三種工作模式，分別為投入模式、切除模式與閉鎖模式。設(shè)置在逆變側(cè)直流母線出口處的大功率二極管閥組為VDp，其作用為阻斷發(fā)生直流故障時的故障電流通路[5]。

LCC 側(cè)線路接地故障：

當LCC 側(cè)發(fā)生直流接地故障的時候，整流側(cè)LCC 的輸出電壓會迅速下降，并且隨之出現(xiàn)較大的故障電流，該電流會隨時間而下降，由于系統(tǒng)中儲能元件和系統(tǒng)中磁效應(yīng)的影響，輸出電流不能瞬時完成變化，所以這個下降過程是一個震蕩衰減的過程。

圖1 雙端混合直流輸電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 混合系統(tǒng)MMC 側(cè)的拓撲結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)學模型

以12 脈動換流器為核心的混合直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)的拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)其換流變壓器閥側(cè)空載線電壓有效值為U1、Ud1為直流電壓、Ud2為逆變站直流電壓、Qc1為換流器吸收的無功功率、觸發(fā)延遲角為α、直流電換相重疊角為μ、直流功率為Pd1、每相換相電抗為Xr1、直流電流為Id、功率因數(shù)為cosφ，則可得[8]：

式中，i2m（m=a，b，c）為MMC 閥側(cè)電流；v2m（m=a，b，c）為MMC內(nèi)電動勢；L 及R 分別為換流站等效電感以及等效電感的雜散電阻值。

3 仿真驗證

整流側(cè)直流故障仿真：

1.5s 時在整流側(cè)直流出口處發(fā)生金屬性接地故障。

圖3 流故障仿真波形

由圖3 可得，圖3a 為整流側(cè)直流電流變化曲線，在啟動時沒有明顯的過電流現(xiàn)象，有明顯的緩慢上升的過程，最后趨于平穩(wěn)；在1.5s 時發(fā)生了接地短路故障，此時出現(xiàn)非常大的過電流接近正常運行時的2 倍，由于電流過大可能會造成系統(tǒng)失去穩(wěn)定性；在1.65s 時，直流電流穩(wěn)定在0A 的附近震蕩。

圖3b 為整流側(cè)直流電壓變化曲線，在啟動時有明顯的緩慢上升的過程，最后趨于平穩(wěn)；在1.5s 時發(fā)生了接地短路故障，此時所測線路電壓與大地電壓相同為0V。

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析可知，當LCC-MMC 雙端系統(tǒng)中送端LCC 發(fā)生直接接地故障時，會造成電壓大幅度下降到0V 附近，引起突然產(chǎn)生過大的故障電流，使得系統(tǒng)失去穩(wěn)定性；當故障類型為永久性故障時，導(dǎo)致功率中斷，該系統(tǒng)不能正常供電，導(dǎo)致供電失敗的同時也會對設(shè)備造成一定的損壞，引起巨大的經(jīng)濟損失，必須考慮一定的保護裝置對系統(tǒng)進行保護，為逆變側(cè)的MMC 提供了功率傳輸所必須的穩(wěn)定的直流電壓。