直流斷線故障下海上風電經柔性直流送出系統的暫態特性

黃阮明，遲永寧，汪軍，張夢瑤，郭明星，李琰，姚駿

(1. 國網上海市電力公司經濟技術研究院，上海市 200120；2. 新能源與儲能運行控制國家重點實驗室(中國電力科學研究院有限公司)，北京市 100192；3. 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)，重慶市400044)

0 引 言

近年來，海上風電因其資源充沛、節約土地、可利用率高等優勢，已成為風力發電領域重要的發展方向之一[1-4]。目前，海上風電場主要采用高壓交流與柔性直流兩種并網方式，受海底電纜電容效應的影響，采用交流并網的方式無法滿足遠距離輸電的需要[5-7]，而基于電壓源型換流器的柔性直流輸電技術具有輸電距離遠、有功無功獨立調節以及送受端解耦等特點[8-11]，更適用于大規模海上風電場遠距離并網。傳統的電壓源型換流器拓撲結構主要分為兩電平和三電平，自從模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)新型拓撲結構被首次提出以來，MMC便因無需同時導通、諧波含量小、開關頻率低等諸多優點[12-14]，迅速成為海上風電經柔性直流系統并網工程的首選拓撲結構。

海上風電經柔性直流系統送出系統大多采用海底電纜輸送電能的方式，在輸電線路遠距離傳輸電能的過程中，海底電纜不可避免地會發生各種類型故障。目前直流故障主要分為雙極短路、單極接地以及直流斷線故障[15]。由于海底電纜大多直接敷設或放置在環境復雜多變的海底，海底電纜發生故障的大部分原因是由各種外力作用破壞導致，其中一類主要是由于機械原因造成，如海上作業平臺移位、船舶隨意拋錨起錨等；另一種主要是海底電纜受自然環境的影響，如海水的腐蝕作用、海底海浪的不斷沖擊以及海床的不規律運動等，上述現象都有可能導致海底電纜斷線情況的發生[16-17]。同時直流斷線故障作為一種永久類型故障，對直流斷線故障下海上風電經柔性直流送出系統暫態響應特性的研究，有助于深入理解故障期間直流線路與系統內部設備過壓過流產生機理及其發展形態，從而為系統制定相應的保護控制方案奠定理論基礎。

針對直流故障下海上風電經柔性直流送出系統的暫態響應特性，文獻[18-19]基于兩端模塊化多電平換流器型高壓直流輸電(modular multilevel converter-high voltage direct current，MMC-HVDC)系統，僅通過仿真研究了直流單極接地、斷線以及雙極短路故障下系統電壓電流的故障響應特性，但對其電壓電流特性缺乏必要的數學公式解析。文獻[20]研究了直流斷線故障下雙端MMC-HVDC系統短路電流產生機理，并推導了非故障極短路電流表達式，接著進一步分析了短路電流對系統繼電保護的影響。文獻[21]基于四端柔性直流電網，分析了斷線故障下系統直流側過電壓以及非故障線路過電流產生機理，并提出了一種改進的電流控制器模型，從而抑制線路過電流，加快系統恢復速率。文獻[22]設計了基于電壓裕度控制的三端柔性直流輸電系統直流電壓控制策略，當斷線故障造成其中一個換流站功率傳輸中斷后，其余的換流站能自動切換控制目標保證系統正常運行。文獻[23]針對直流斷線故障下海上風電經雙極性柔性直流并網系統，提出了一種基于閉鎖換流站與斷開直流開關相互配合的控制保護策略，可以有效抑制直流母線過電壓，但其未針對故障期間換流站交直流側電壓的暫態特性作詳細分析。現有文獻多集中于直流斷線故障下兩端以及多端柔性直流輸電系統直流側短路電流特性分析以及采用相應的控制策略抑制直流母線暫態過電壓的問題。然而上述文獻未考慮接地阻抗參數對斷線故障下系統直流側短路電流的影響，且對于換流站的暫態電壓特性，現有文獻均未深入分析故障期間換流站交流閥側以及直流母線正負極電壓的演變趨勢，因此有必要對此作進一步深入研究。

在此背景下，本文對直流斷線故障下海上風電經柔性直流送出系統的暫態電壓、電流特性進行深入分析。首先，分析直流母線正極斷線故障下非故障極短路電流產生機理，并推導該短路電流計算公式，同時分析接地電阻參數對其短路電流特性的影響，為換流站接地阻抗的選型提供理論參考。其次，研究故障期間風電場側與電網側換流站交流閥側與直流母線正負極的暫態電壓演變特性。上述特性分析可為直流斷線故障下系統的保護策略設計提供理論依據。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺驗證理論分析與參數選擇的正確性。

1 海上風電經柔性直流送出系統結構

海上風電經柔性直流送出系統的結構如圖1所示。其中，兩端換流站均采用MMC型換流器，同時海上風電場采用永磁同步發電機組(permanent magnetic synchronous generator, PMSG)。風電場側換流站(wind farm side modular multilevel converter, WFMMC)采用定交流電壓控制為風電場集電系統提供幅值與頻率恒定的母線電壓；而電網側換流站(grid side modular multilevel converter, GSMMC)則采用定直流電壓與定無功功率控制，一方面維持直流母線正負極電壓恒定，另一方面為岸上交流電網提供一定的無功支撐。其中，MMC換流站數學模型如圖2所示。

圖1 海上風電經柔性直流送出系統結構Fig.1 Structure of offshore wind power sending system via flexible HVDC transmission system

圖2 MMC換流站的拓撲結構Fig.2 Topology of an MMC station

換流站具有三相6個橋臂，每相由上下2個橋臂組成，一個橋臂包含N個子模塊，且子模塊均采用半橋型拓撲結構，其由2個具有反并聯二極管的IGBT和1個并聯電容組成。通過最近電平調制(nearest level modulation，NLM)與子模塊電容電壓均壓的方式生成合適的觸發脈沖作用于各橋臂上的IGBT模塊，從而使MMC交流閥側輸出合適的參考電壓波形。

圖中：uk(k= a,b,c)為MMC交流側電網電壓；vk為MMC交流閥側電壓；ek為MMC內部電動勢；uuk、ulk分別為MMC上、下橋臂輸出電壓；iuk、ilk分別為MMC上、下橋臂輸出電流；ik為MMC交流側電流；Idc為直流側電流；Udc為直流母線電壓；L為進線電感；Csm為子模塊電容；Larm為橋臂電感；Rarm為橋臂等效電阻；Lg為接地電抗；Rg為接地電阻。

2 直流斷線故障下短路電流產生機理

以直流母線正極發生斷線故障為例，如圖3所示，故障發生后系統有功功率傳輸通道被切斷，海上風電場輸出功率Pw將無法被有效送至岸上電網，多余的風電能量將流入WFMMC。由于WFMMC采用定交流電壓控制方式，其上下橋臂子模塊電容將持續吸收風能使其電壓不斷升高，若不采取有效措施，WFMMC直流側電壓可能超過最大安全電壓裕度，導致直流母線與系統內部設備承受過電壓，嚴重影響系統的安全穩定運行。由于進線電感的續流作用，GSMMC輸出電流從故障前初始值逐漸衰減到0需要一定的時間，此階段過程中因GSMMC無法得到有效的功率補充，其直流側電壓會出現小幅跌落，待輸出電流降為0后，GSMMC直流側電壓開始在定直流電壓控制器的作用下逐漸恢復至正常運行狀態。由于故障期間WFMMC下橋臂輸出電壓大于GSMMC下橋臂輸出電壓，導致子模塊電容經接地極與直流負極線路形成回路放電，系統放電通路如圖3紅色虛線所示。

圖3 直流斷線故障下系統放電通路Fig.3 Discharge path under DC line breakage fault

3 直流斷線故障下系統暫態電壓電流特性分析

3.1 直流母線非故障極短路電流特性分析

設直流正極斷線故障發生時刻為t1，忽略線路阻抗與橋臂等效電阻上的有功損耗，根據能量守恒定理有：

(1)

式中：usm0為子模塊電容電壓初始值；usm(t)為t時刻子模塊電容電壓；Pw(t)為故障期間風電場輸出有功功率。

由式(1)解得usm(t)為：

(2)

則t時刻WFMMC直流側電壓為：

(3)

式中：Udc_w為WFMMC直流側電壓；Udc0為直流母線初始電壓。

由式(3)可知，風電場輸出的有功功率越大，則WFMMC直流側電壓上升地越快。

故障期間GSMMC直流側電壓Udc_g在定直流電壓控制器的作用下保持不變，即：

Udc_g=Udc0

(4)

根據圖3中短路電流放電路徑，由基爾霍夫電壓電流定律可知：

(5)

Ifa+Ifb+Ifc=If

(6)

式中：ulk_w(k= a,b,c)為WFMMC下橋臂輸出電壓；ulk_g為GSMMC下橋臂輸出電壓；Ifk為k相短路電流；If為總的短路電流。

式(5)中WFMMC與GSMMC下橋臂電壓差為：

(7)

同時有：

(8)

式中：ek_w(k=a, b, c)為WFMMC內部電動勢；ek_g為GSMMC內部電動勢。

將式(5)中的3個等式相加，并結合式(6)—(8)，簡化得：

(9)

則穩態故障電流Ifs為：

(10)

斷線故障發生后，直流負極電流從初始值立即跳變為0，即

If(t1+)=0

(11)

根據式(9)—(11)求得故障電流If的表達式為：

(12)

(13)

由式(12)可知，故障期間WFMMC直流側電壓越高，則故障電流越大；且WFMMC直流側電壓與接地阻抗對于故障電流發展形態有著直接影響，通過適當增大Rg，可有效降低故障電流的峰值大小；且增大Lg可有效減緩故障電流上升速率。

考慮接地電阻上的有功損耗，則t時刻WFMMC直流側電壓可進一步表示為：

(14)

3.2 MMC換流站交直流側暫態電壓特性分析

結合式(10)，根據圖3可知，WFMMC交流側接地電阻Rg上的電壓Uo_w為：

(15)

由于換流站上下橋臂以及直流母線正負極電壓對稱，使得WFMMC直流側正負極電壓均產生了一個大小為Uo_w的正直流偏置分量。

結合式(15)，則WFMMC直流側正負極電壓可表示為：

(16)

式中：Udcp_w為WFMMC直流側正極電壓；Udcn_w為WFMMC直流側負極電壓。

根據式(16)，與故障前WFMMC直流正負極初始電壓相比，有：

(17)

由式(17)可知，故障期間WFMMC直流側正負極電壓絕對值均逐漸增大，且正極電壓比負極電壓增長的更快。

因故障期間直流母線負極處于連接狀態，故GSMMC直流側正負極電壓可表示為：

(18)

式中：Udcp_g為GSMMC直流側正極電壓；Udcn_g為GSMMC直流側負極電壓。

根據式(18)，與故障前GSMMC直流正負極初始電壓相比，有：

(19)

由式(19)可知，故障期間GSMMC直流側正負極電壓增量相同且均為負。且直流側正極電壓絕對值逐漸減小，而負極電壓絕對值逐漸增大。

由文獻[24]可知，MMC交流閥側電壓分別為：

(20)

式中：vk_w與vk_g分別為WFMMC與GSMMC交流閥側電壓；ik_w與ik_g分別為WFMMC與GSMMC交流側電流。

結合式(4)、式(16)與式(20)得到故障期間兩端MMC交流閥側電壓分別為：

(21)

由式(21)可知，WFMMC交流閥側電壓存在一個逐漸增大的正直流偏置分量，而GSMMC交流閥側存在一個逐漸增大的負直流偏置分量，且兩直流偏置分量絕對值相等。

4 仿真驗證

為了驗證上文直流斷線故障下換流站交直流側暫態電壓、電流特性分析的正確性，本文在PSCAD/EMTDC平臺上搭建了海上風電經柔性直流送出系統的電磁暫態模型，設t= 2.00 s時直流母線正極發生斷線故障，針對系統的暫態響應特性僅分為故障前與故障持續期間兩個階段。階段1：故障前系統穩態運行階段，風電場工作在額定運行狀態，仿真時間為1.85～2.00 s。階段2：直流斷線故障持續階段，仿真時間為2.00～2.25 s，此時系統直流母線正極發生斷線故障，故障期間不考慮MMC換流站閉鎖以及避雷器等保護裝置動作。系統仿真參數如表1所示。

表1 海上風電經柔性直流送出系統的仿真參數Table 1 Simulation parameters of offshore wind power sending system via flexible HVDC transmission system

4.1 直流斷線故障下系統的暫態電壓電流特性

圖4為直流斷線故障下系統的暫態響應特性曲線。由圖4(a)、(b)可知，t= 2.00 s時直流母線正極發生斷線故障，直流正極電流Idcp立即驟降到0，線路功率傳輸通道中斷，多余的風能將持續流入WFMMC使其直流側電壓Udcw不斷升高，嚴重威脅WFMMC安全穩定運行；而GSMMC直流側電壓Udcg經小幅跌落后在定直流電壓控制器的作用下恢復到正常運行狀態。由于故障期間WFMMC與GSMMC下橋臂子模塊電容電壓的不同，從而在直流母線負極上產生了隨Udcw增大而不斷增大的故障電流Idcn，驗證了式(12)的正確性。根據圖4(c)、(d)可知，故障期間WFMMC直流側正負極電壓絕對值均不斷增加，且正極電壓比負極電壓增長的更快，進而驗證了式(16)的正確性；同時GSMMC直流側負極電壓與WFMMC直流側負極電壓發展形態一致，為保持GSMMC直流側電壓不變，GSMMC直流側正極電壓絕對值逐漸減小，且GSMMC直流側正負極電壓絕對值增量一致，因此驗證了式(19)的正確性。

圖4 直流斷線故障下系統的暫態響應特性Fig.4 Transient response characteristics of the system under DC line breakage fault

由圖4(e)—(i)可知，直流斷線故障發生后，風電場與電網側交流電壓幾乎不受影響，因此風電場側輸出有功功率與其交流電流仍保持不變；由于直流線路上有功傳輸通道被切斷，GSMMC向岸上電網輸出的有功功率與其交流側電流逐漸下降至0。由圖4(j)、(k)可知，WFMMC交流閥側電壓存在一個逐漸增大的正直流偏置分量，而GSMMC交流閥側存在一個逐漸增大的負直流偏置分量，且兩直流偏置分量的絕對值相同，進而驗證了式(21)的正確性。

綜上所述，斷線故障發生后，故障期間WFMMC直流側電壓因持續吸收風能而不斷增大，而GSMMC直流側電壓保持不變；此外，兩端換流站交流閥側電壓均產生了逐漸增大的直流偏置分量，威脅換流站內部電力電子設備的絕緣性能與穩定運行能力。

4.2 不同接地阻抗參數下短路電流特性

為了進一步驗證不同接地阻抗參數對直流正極斷線下非故障極短路電流If特性的影響，考慮了3組不同的接地阻抗參數：1)Rg=2 000 Ω，Lg=4 H；2)Rg=1 000 Ω，Lg=4 H；3)Rg=2 000 Ω，Lg=2 H。仿真結果如圖5所示。

圖5 不同接地阻抗參數下短路電流特性Fig.5 Characteristics of short-circuit current under different ground-impedance

由圖5可知，接地電阻Rg決定了短路電流的大小，Rg越大，If越小；而接地電抗Lg主要影響短路電流If的上升速率，Lg越大，則If上升速率越慢，但Lg不會影響If的峰值。仿真結果驗證了3.1節中接地阻抗參數影響短路電流特性分析的正確性，因此采用較大的接地阻抗可有效抑制短路電流發展，從而降低其對系統穩定運行性能的影響。

5 結 論

本文針對直流斷線故障下海上風電經柔性直流送出系統的暫態響應特性展開深入研究，得出如下結論：

1)直流母線發生斷線故障后，系統有功功率傳輸中斷，WFMMC因持續吸收多余的風電能量導致其直流側電壓不斷上升，而GSMMC直流側電壓能在定直流電壓控制器的作用下保持恒定。由于故障期間兩端MMC下橋臂輸出電壓的差異性，產生了流經直流母線非故障極與接地阻抗的短路電流，通過適當增大接地電阻與電抗可有效抑制短路電流，從而降低其對系統安全穩定運行性能的影響。

2)故障期間WFMMC直流側正負極電壓絕對值均逐漸增大，且正極電壓比負極電壓增長的更快；同時GSMMC直流側正極電壓絕對值逐漸減小，而GSMMC直流側負極電壓絕對值逐漸增大。此外，WFMMC交流閥側電壓存在一個逐漸增大的正直流偏置分量；而GSMMC交流閥側存在一個逐漸增大的負直流偏置分量，且正負直流偏置分量的絕對值相等。

仿真結果驗證了上述理論分析的正確性。本文的研究工作可為大規模海上風電經柔性直流系統并網工程的保護方案設計奠定理論基礎。