MMC—HVDC 直流輸電線路的保護研究

劉 易，陳芳芳，秦濱慧，解海翔，蓋佳郇，徐天奇

（1.云南民族大學電氣信息工程學院，云南昆明 650031；2.云南電網公司大理供電局，云南 大理 671000）

隨著輸電系統的不斷發展，基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電技術被電力系統所著重關注，成為研究的熱點[1]。為確保MMC—HVDC 系統安全運行，其直流線路的保護則是關鍵。而多端以及環狀的MMC—HVDC 的出現，使得直流線路的保護愈發突出[2]。直流線路發生故障之后，可能會導致整個系統發生故障。因此，在柔性直流電網的發展中，直流輸電線路保護的研究必不可少。

現有的柔性直流輸電工程當中，主要采用的是基于電壓源換流器VSC（Voltage Source Converter）的柔性直流系統[3-5]。對于模塊化多電平換流器MMC（Modular Multilevel Converter）的柔性直流輸電系統并不多。采用基于MMC 的柔性直流輸電系統具有很好的工程應用前景，比傳統的直流輸電技術控制方式更加靈活、更具優勢等，所以很有必要研究MMC—HVDC 的故障特性及其保護[6-7]。

文獻[8-9]主要分析MMC—HVDC 系統的各種直流故障，提出相應的保護方案；文獻[10-11]通過對雙極短路故障進行建模分析驗證，對工程設備的保護具有現實意義；文獻[12-16]研究了直流故障的過流、電流差動以及電流方向縱聯保護。

該文主要對模塊化多電平的雙端直流輸電系統直流故障進行研究。根據疊加原理，通過故障的附加網絡對保護區內和區外故障進行分析，并利用三階微分綜合立方法提取電壓與電流的故障分量。并且在PSCAD 仿真軟件上搭建了MMC 兩端柔性直流輸電系統仿真模型，結果驗證了該文的故障分析是準確的，判斷出了保護方案的正確性，且提高了保護的靈敏性與快速性。

1 柔性直流輸電系統

1.1 系統的構成

雙端MMC—HVDC 輸電系統的基本結構如圖1所示。主要包括直流輸電線路，整流與逆變系統，以及交流系統。圖1 中，MMC1 與MMC2 是拓撲結構的整流側和逆變側；K1、K2、H1、H2為4 個繼電保護裝置；f1～f6表示故障發生的位置。

圖1 雙端MMC—HVDC系統結構

1.2 MMC的拓撲結構

MMC 的電路拓撲圖如圖2 所示。由3 個相同的相單元與6 個相同的橋臂組成的。每一個相單元由上下兩個相同的橋臂組成。每個橋臂由n個子模塊（SM）和一個電抗器L組成，且n個子模塊結構完全相同，相互連接。子模塊（SM）結構如圖3 所示，由兩個絕緣柵雙極型晶閘管（IGBT）T1、T2，兩個反并聯二極管D1、D2和一個直流側電容器C0構成。圖3 中的子模塊輸出電壓為USM，直流儲能電容的電壓為每個子模塊都有兩個連接端子，用來連接主電路。

圖2 MMC電路拓撲圖

圖3 子模塊結構圖

1.3 MMC的工作原理

換流器產生相電壓波形的原理如圖4 所示。圖中可看出MMC 一個相單元的上下橋臂的導通模塊數量的變化情況。上橋臂和下橋臂可以同時開通子模塊，且子模塊的開通數量為0～N。通過子模塊的開通數量，可以得到MMC 的輸出電平為(N+1)。普遍情況下，所有子模塊的數量N為偶數。每一個相單元同時開通的N個子模塊是可以通過上下兩個橋臂進行均分的，且上下兩個橋臂開通的子模塊數量是相同的。所以每一個相單元交流輸出的電壓為0。

圖4 MMC的相單元運行原理

2 直流線路區內外故障分析

2.1 區內故障分析

圖5 為根據疊加原理所得保護區內直流輸電系統故障后的附加網絡圖。

圖5 區內故障后系統的附加網絡圖

圖5 中的(a)、(b)、(c)、(d)分別對應圖1 中f1～f4發生故障時的附加網絡圖；分別為K1、K2、H1、H2處測量的故障分量電流；ZMMC1、ZMMC2分別為整流器與逆變器的等值阻抗；分別為故障點到整流端和逆變端輸電線路的等值阻抗；分別為K1、K2、H1、H2處測量的電壓故障分量。

根據圖1 可知f1處發生的故障為區內正極接地故障。結合故障附加網絡圖5（a）可得f1處電壓故障分量為：

根據圖1 可知f2處發生的故障為區內負極接地故障。結合故障附加網絡圖5（b）可得f2處電壓故障分量為：

根據圖1 可知f3處發生的故障為區內正負極接地故障。結合故障附加網絡圖5（c）可得f3處電壓故障分量為：

根據圖1 可知f4處發生的故障為區內正負極短路故障。結合故障附加網絡圖5（d）可得f4處電壓故障分量為：

2.2 區外故障分析

圖6 為根據疊加原理所得保護區外直流輸電系統故障后的附加網絡圖。其中（a）、（b）分別對應圖1 中f5、f6發生故障時的附加網絡圖；、ZMMC1、ZMMC2、同2.1 所述；為K1、K2、H1、H2處測量的電壓故障分量。

根據圖1 可知f5處發生的故障為整流側區外正極短路故障。結合故障附加網絡圖6（a）可得f5處電壓故障分量為：

圖6 區外故障后系統的故障附加網絡

根據圖1 可知f6處發生的故障為逆變側區外正極短路故障。結合故障附加網絡圖6（b）可得f6處電壓故障分量為：

根據圖5 與圖6 的分析可得，在f1～f4處發生故障，即區內故障時，電流的故障分量都具有相同的極性；在f5和f6處發生故障，即區外故障時，電流的故障分量極性均不同。所以故障區內區外的判斷標準可以通過電流故障分量的極性來判斷。

與此同時，發現在電流故障分量極性確定之后，電壓的故障分量也具有極性。如f1處發生的區內正極故障和f2處發生的區內負極故障，兩者的電流故障分量極性相同，而前者的故障電壓分量的極性是負的，后者的故障電壓分量是正的。在f3和f4發生故障，即區內雙極故障時，其故障的電流分量極性相同，而電壓故障分量的電壓極性不相同。所以故障極的判斷標準可以通過電壓故障分量的極性來判斷。

3 保護方案

由前文分析可知通過故障電流的分量極性是否相同，來確定是區內還是區外故障。在確定是區內故障的前提下，通過故障電壓分量極性的正負是否相同來判斷是正極故障還是負極故障。

3.1 三階微分綜合立方法提取故障分量

根據上文的分析可以得到：故障的區內、外的區分可以通過電流故障分量的極性是否相同來判斷；故障極性可以通過電壓故障分量的極性是否相同來判斷。

由于在高阻抗接地時，系統發生故障的故障分量很小，需要通過放大才能進行分析。故提出一種通過三階微分綜合立方法來提取故障分量的方法。

所需三階微分公式如下：

令k為采樣的時間，y為故障分量。通過式（7）可以得到電流以及電壓的故障分量的三階微分量，然后進行立方法處理，即B(k)3。

3.2 保護的方案

通過上述綜合分析，提出一種基于三階微分綜合立方法的MMC—HVDC 直流輸電線路快速保護方案。由圖7 保護方案流程圖可知該保護方案分為以下四步。

圖7 保護方案流程圖

Step1 檢測系統直流側的電流

當K1、K2、H1、H24 個繼電保護裝置處測量的電流在數值上比正常電流值要高時，認定系統此時發生故障。

Step2 電壓與電流故障分量的提取

在系統故障之后，用繼電保護裝置對故障電壓電流進行讀取，以及發生故障之前的電壓電流測量值的讀取。將故障前后電壓電流與測量值進行相減，得到的數值就是電壓與電流的故障分量。

Step3 故障區內區外的判斷依據

將電流故障分量用三階微分綜合立方法處理。當處理后的故障電流分量極性不同時，可判斷為區外故障；反之，則為區內故障。

Step4 故障選極

根據前一個步驟判斷故障為區內故障后，通過三階微分綜合立方法對電壓的故障分量進行處理。當其極不相同時，可判斷故障為雙極區內故障；反之，則為單極區內故障。在其極性相同的前提下，若同為正極，可判斷故障為負極故障；若同為負極，則可判斷為正極故障。

4 仿真驗證

在PSCAD 仿真平臺中搭建如圖1 所示的雙端MMC—HVDC系統。仿真系統的主要參數如表1所示。

表1 仿真系統的主要參數

4.1 區內故障

圖1 中f1～f4處發生的區內故障，均是故障電流分量，具有相同極性，因此只分析f1處發生故障的仿真圖，其他情況同理可得。

圖8 中的(a)、(b)、(c)3 組圖,分別代表f1處發生故障時，故障電流的原始圖、三階微分處理的圖以及該文所提方法處理的圖。通過這3 組圖，可以得到電流的極性均為正，由此可以判斷f1處發生故障為區內故障。

圖8 f1 處發生故障的仿真圖

4.2 故障選極

圖1 中f1～f4處發生的區內故障，f1和f2處發生的故障為單極故障；f3和f4處發生的故障為雙極故障。故障的選極均是通過電壓故障分量的極性來判斷的，因此該文只分析f1和f3處發生故障的仿真圖，其他情況同理可得。

通過圖9 中的(a)、(b)、(c) 3 組圖，可以得到電壓的極性均為負，由此可以判斷f1處發生故障為正極故障。通過圖10 中的(a)、(b)、(c) 3 組圖，由上及下均可以得到電壓的極性不相同，由此可以判斷f3處發生故障為雙極故障。

圖9 f1 處發生故障的仿真圖

圖10 f3 處發生故障的仿真圖

4.3 區外故障

圖1 中f5和f6處發生的區外故障，均是故障電流分量具有不同極性，因此只分析f5處發生故障的仿真圖，f6處的情況同理可得。

通過圖11 中的(a)、(b)、(c) 3 組圖，由上及下均可得到電壓的極性為負，由此可以判斷f5處發生故障為正極故障。

圖11 f5 處發生故障的仿真圖

由以上仿真結果可以驗證，該文提出的保護方法可以有效地判別故障的區內區外，進行故障選極，并且提高了保護的靈敏性和快速性。

5 結論

由于基于模塊化多電平的雙端柔性直流輸電系統，在直流側發生故障時會對系統的直流端造成非常大的損害。故在對該系統進行故障分析的前提下，提取出電流電壓分量，并對其進行三階微分綜合立方法處理，得到電壓電流故障分量。

在進行判斷故障是區內還是區外時，通過三階微分綜合立方法對電流故障分量進行處理后，以其極性異同為判斷標準的。當其極性相同時，為區外故障；反之，則為區內故障。

故障的選極，是在故障為區內故障的前提下，通過電壓故障分量的三階微分綜合立方法分析處理后，根據其極性來判斷的。當其極性都為正時，為負極故障；當其極性都為負時，為正極故障；當其極性一正一負時，為正負極故障。

最后，在PSCAD 仿真平臺上搭建了基于模塊化多電平的雙端柔性直流輸電系統，并且對次模型進行仿真。仿真結果表明，所提出的保護方法不但可以有效地對故障的區內區外以及故障的極性進行識別，還提高了保護的靈敏性和快速性。