全橋型MMC-HVDC直流側雙極短路故障保護策略研究

陳福偉，李朝霞

（西藏農牧學院 水利土木工程學院，西藏 林芝 860000）

與基于晶閘管相控換流器的傳統直流輸電技術相比，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現獨立解耦控制等諸多優點[1-2]，可實現較高的靈活性和實用性，在多端柔性直流輸電中特點顯著。目前應用于柔性直流輸電的VSC拓撲，主要包括兩電平、三電平等傳統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、開關頻率低、模塊化程度高等優點在直流輸電領域具有廣闊的應用前景[4]。根據MMC子模塊拓撲結構不同，基礎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，FBSM）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，在實際工程中得到廣泛應用，但其不能阻斷直流側故障電流。與FBSM比較，HBSM在發生直流側故障時，不能夠產生負電平，所以無法在換流器直流側輸出極間零電壓。CDSM雖然也可清除直流側故障，但其存在器件數量多，工業成本高、控制難度大等缺點。

本文主要研究全橋子模塊MMC拓撲結構，重點分析MMC工作原理，介紹基礎的子模塊電容電壓控制，并闡明全橋型MMC直流側雙極短路故障下故障電流的快速清除保護策略。以全橋型MMC-HVDC直流側雙極短路故障為例，分析直流故障特性。最后，通過PSCAD/EMTDC軟件仿真驗證全橋型子模塊換流器能夠有效阻斷直流側雙極短路故障電流，完成故障電流的快速清除，證明保護策略的有效性。

1 全橋型MMC拓撲結構

三相模塊化多電平換流器的拓撲結構如圖1所示，其中點O為零電位參考點，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撲結構

全橋子模塊拓撲結構如圖2所示。全橋子模塊由4個IGBT、4個反并聯二極管和1個電容器組成。正常運行調制狀態可分為3種，投入狀態、切除狀態和閉鎖狀態。處于投入狀態時，子模塊端口電壓可產生正電平和負電平。全橋子模塊正常運行狀態下開關狀態見表1。當T1、T4導通，T2、T3閉鎖時，電容C處于投入狀態，端口電壓usm為Uc；當T2、T3導通，T1、T4閉鎖時，電容C處于投入狀態，端口電壓usm為-Uc。處于切除狀態時，子模塊端口電壓可產生零電平。當T1、T3導通，T2、T4閉鎖時，電容C處于切除狀態，端口電壓usm為0；當T2、T4導通，T1、T3閉鎖時，電容C處于切除狀態，端口電壓usm為0。

表1 全橋子模塊開關狀態

圖2 全橋子模塊拓撲結構

處于閉鎖狀態時，IGBT全部關斷。當ism為正時，電流流過二極管D1、D4，端口電壓usm為Uc；當ism為負時，端口電壓usm為-Uc。閉鎖狀態下，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。與傳統的半橋型子模塊相比，全橋型子模塊可以輸出負電平。

2 全橋型MMC運行原理

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為負序性質的相間環流[9]。

設idiffa為a相內部環流，udiffa為a相內部不平衡壓降。

從V點到a相正負極直流母線分別應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M電動勢為ea

通過調節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坐標系下實現有功無功的獨立解耦控制，且ea為內環電流控制所產生的a相調制波。

根據式（4）結合a相應用KVL得

因此a相上下橋臂參考電壓分別為

由此得出任意時刻MMC上下橋臂投入的子模塊數量

即橋臂正弦電壓調制波uref與電容電壓平均值UCAV的比值再取整。計算后獲得所需導通的子模塊數目，結合觸發控制，就可以實現功率傳輸。

3 全橋型MMC故障保護機制

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。電容電壓控制應盡量操作簡單，能適應子模塊數量過多的場景應用。由于電力電子器件的開關頻率嚴重影響換流器的損耗，以及器件的開關特性和死區時間不同所導致的直流電壓波動等特點，橋臂投切過程中應保證需要改變的子模塊數量盡量少。在工程應用中由控制器發出一定工作頻率的觸發脈沖，電容電壓控制和觸發控制互相配合，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。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，再對其進行由負到正的升序排列。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。再結合需要導通的子模塊數，就可以實現子模塊的電容電壓控制。最后，橋臂電流經過子模塊時，選擇導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，同時未選擇導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直流側故障保護策略

MMC-HVDC直流側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，其中最嚴重的最有代表性的為直流側雙極短路故障[10]。直流側故障保護策略流程圖如圖5所示。當系統檢測到發生直流側故障時，首先閉鎖換流站，全橋子模塊處于閉鎖狀態。系統根據發生永久性故障還是瞬時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下，由于全橋型MMC子模塊的結構特點，上下橋臂分別產生極性相反的電壓，使短路點的電動勢為零，換流器直流側輸出極間電壓為零，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，則認為發生永久性故障，否則認為發生瞬時性故障。發生永久性故障時，斷開交流側斷路器，隔離故障，并停機進行檢修；發生瞬時性故障時，換流器成功解鎖，系統恢復正常運行狀態。該控制策略一般可以在發生直流側故障時極短時間內實現直流側故障的快速清除，使設備得到充分保護，讓系統保持正常運行。

圖5 直流側故障保護策略

當直流側發生故障時，子模塊閉鎖，判斷出為暫時性故障時，提供反向電動勢的電容電壓，換流器直流側輸出極間電壓為零，可以對直流側故障電流快速清除，同時還能夠阻斷交流側電源向直流側故障點的饋流作用。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為調制比，0＜M≤1。

4 仿真驗證

利用仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建仿真模型來驗證全橋型MMC-HVDC的直流側雙極短路故障下故障保護策略的有效性。因為直流側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行仿真驗證。因為全橋型MMC-HVDC的系統保護策略能夠實現直流側故障電流自清除，但是在永久性故障下需要交流側斷路器跳閘并進行停機檢修，所以選擇暫時性故障進行仿真驗證。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

故障發生點選取換流站1和換流站2線路中點處，8 s時發生雙極短路暫態故障，設置故障邏輯持續時間為0.01 s。由于系統故障檢測通訊需要一定時間，設置換流站直流側故障識別時間為0.1 ms，換流站解鎖時間在直流故障發生2 s以后。換流站1設置為定直流電壓控制，換流站2設置為定有功功率控制。

由圖7—圖11可知，全橋型MMC在8 s前穩定運行，8 s時引入直流側雙極短路故障，直流側電壓瞬間減小到零，交流側有功功率降低，無功功率升高，交流側三相電流明顯降低。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，超過閥側允許的最大保護電流。8 s后直流側故障電流迅速升高，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定狀態。故障設置后未觸發交流側斷路器，8.2 s后換流站解鎖，系統重啟，直流電壓、有功無功功率和三相電流等都慢慢恢復，系統處于正常運行狀態。全橋型MMC-HVDC清除直流側故障的時間遠小于傳統的半橋型MMC，且不需要斷開交流側斷路器來實現，而是依賴全橋型的子模塊特性實現故障自清除和系統正常運行狀態的恢復。

圖7 直流側電壓

圖8 直流側故障電流

圖9 交流側有功功率

圖10 交流側無功功率

圖11 交流側三相電流

圖12 a相上橋臂電流

圖13 子模塊電容電壓

5 結論

本文從全橋型模塊化多電平換流器的基本拓撲結構出發，重點介紹全橋型MMC工作原理，簡述子模塊電容電壓控制，分析直流側雙極短路故障情況下，全橋型MMC-HVDC阻斷故障電流的保護原理。最后，通過PSCAD/EMTDC軟件仿真驗證了全橋子模塊換流器能夠有效阻斷直流側雙極短路故障電流，證明了保護策略的有效性。