基于橋臂電抗器耦合的MMC-HVDC系統故障過流抑制方法

晁武杰，唐志軍，林國棟，李超，胡文旺

( 國網福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350007)

0 引言

高壓直流輸電( High Voltage Direct Current，HVDC)提高了輸電效率和資源利用水平，是滿足長距離、大容量、清潔和可再生能源傳輸效率和資源利用率的主要途徑［1］。模塊化多電平換流器( Modular Multilevel Converter，MMC) 自2002 年提出以來，已成功實現商業化［2］。已逐漸成為高壓直流輸電系統換流站的首選變換器拓撲，在電能質量管理和高壓直流輸電轉換等領域展現了較好的應用前景。然而，直流側的短路故障會使MMC 系統中流過很大的短路沖擊電流。因為，對基于MMC-HVDC 系統故障過電流抑制方法的研究具有重要的實際意義。

目前，國內外學者對MMC-HVDC 系統直流故障電流切斷能力的MMC 系統級拓撲進行了深入研究，并取得了良好的研究成果，提出了多種不同的橋臂和單相優化拓撲。在文獻［3］中，提出一種改進型MMC 拓撲結構，并分析了改進子模塊的工作原理。在此基礎上，研究了基于子模塊的MMC 故障限流機制，仿真結果驗證了該拓撲結構的準確性。在文獻［4］中，根據交直流系統的實際電氣參數、橋臂子模塊等，建立MMCHVDC 系統真雙極性和偽雙極性拓撲直流故障的等效電路。比較和分析了MMC 橋臂在各個階段的故障電流流向。在文獻［5］中，提出了一種利用電感限流的拓撲結構，從三個方面進行分析。當限流電路與直流斷路器配合完成故障切除時，可以有效地抑制故障電流，并可以加速故障電流的衰減。在文獻［6］中，根據MMC 拓撲的工作原理分析了兩種MMC 系統級拓撲。橋臂和單相優化拓撲。比較并分析故障隔離和故障電流閉鎖機制、優缺點和范圍。盡管以上研究非常成熟，但器件過多，極大地增加了換流器的損耗和投入成本。

基于此，文中提出了一種利用橋臂電抗器耦合抑制故障過電流的方法，通過將MMC 同相上臂和下臂的電抗器耦合以抑制短路電流。通過仿真對該仰制方法的有效性進行驗證。

1 MMC 拓撲結構和原理

圖1 所示MMC 拓撲( 橋臂電抗器耦合) 。由圖1可知，對于MMC 換流站，換流站的兩側都連接到交、直流系統［7］。換流站包括變壓器、MMC 換流器和直流側平波電抗器。

圖1 MMC 拓撲( 橋臂電抗器耦合)Fig.1 MMC topology ( bridge arm reactor coupling)

MMC 三相轉換器的每個相單元均由上下橋臂和橋臂電感組成［8］。上半橋臂和下半橋臂均包含N個子模塊( Sub-module，SM)［9］。橋臂子模塊的拓撲結構不同。當前公認的是半橋子模塊( HBSM) 、全橋子模塊( FBSM) 和箝位雙子模塊( CDSM)［10］。從設備成本的角度來看，HBSM 是最經濟的選擇，子模塊為半橋結構，由兩個隔離的柵極雙極晶體管模塊( T1/D1、T2/D2)和帶有反并聯二極管的子模塊電容器組成。子模塊功能由輸入、切除和鎖定組成。所需要的電壓可以通過控制變換器子模塊的輸入/切除來獲得［11］。

正常運行時，線圈的基波電流方向相反，產生相互抵消的磁場［12］。橋臂電感值(1－k)L0適當，對系統的穩定性無影響。另外，兩個線圈的直流和相間環流沿相同方向流動，產生的磁場相互疊加［13］。對相間環流和直流起到抑制。在雙極故障時，形成具有接地電阻的回路，電容放電，交流短路電流非常小，上、下橋臂的電流趨勢相似，產生相互激勵的磁場［14］。此時，橋臂電感變電抗，值為(1 +k)L0，以抑制短路電流。

2 過流抑制方法

2.1 故障過電流

在MMC 的直流端，有兩種類型的短路故障:單極接地和雙極短路［15］。最嚴重的故障過電流是雙極T1 使電容放電，從而導致嚴重的過電流。放電電路如圖2 所示。

圖2 放電回路( 子模塊)Fig.2 Discharge circuit ( submodule)

圖3所示放電等效圖，為二階RLC 放電電路［16］。

圖3 放電等效圖Fig.3 Discharge equivalent diagram

圖2中，RL和LL為線路阻抗;L0和M 分別為橋臂電抗自感和互感;Rf為短路電阻;C 為子模塊電容。

若線路故障時的直流電流為I0，電容電壓為U0，則故障后RLC 電路如式(1) 所示［17］:

式中uc為直流電容電壓。

令R = RL+Rf，L = LL+2(L0+M) ，則式(1) 可變換成式(2) 所示［18］:

在系統中，R遠小于，為二階欠阻尼振蕩衰減，其電容電壓uc如式(3) 所示［19］:

電流i如式(4) 所示［20］:

已知k =，帶入L，如式(6) 所示［22］:

式中2(1－ k)L0為系統在穩定狀態下運行時橋臂的電抗［23］。如對系統穩態運行無影響，不要更改此值，并適當增加4kL0項，以減少故障的過電流。

2.2 耦合系數的選擇

通過MATLAB 建立雙端MMC-HVDC 系統，如圖4所示，參數見表1。系統周期100 μs，整流側由恒定的直流電壓和無功控制。逆變器由恒定的有、無功控制［24］。

表1 系統參數Tab.1 System parameters

圖4 雙端仿真系統Fig.4 Two-terminal simulation system

MMC-HVDC 系統穩定運行3.0 s 后直流出口出現雙極短路故障，故障電阻為0.01 Ω。在故障發生后5 ms 閉鎖，保持L －M =53 mH 不變，即系統運行在穩態時，橋臂的電感保持不變，通過改變系數k來分析短路電流變化［25］。

在t =3.005 s 時，隨系數k變化，各橋臂電流大小見表2 和表3。

表2 故障后5 ms 各橋臂電流1Tab.2 Each bridge arm current 1 after failure 5 ms

可以看出，隨著k值增大，橋臂電流不斷減小［26］。k= 0.5 時僅為抑制前的42.70% ，抑制效果越來越大。k= 0.6 時，自感和互感分別為133 mH 和80 mH。隨著k值繼續增加，自感和互感達到更高的值。在實際的MMC 項目中，橋臂電抗器一般情況下為60 mH ～150 mH，選取耦合系數為0.5，因為k值太大，無法滿足工程要求［27］。

3 仿真結果與分析

使用上面的系統參數，在故障階段使用了橋臂電抗值相等的普通電抗器和耦合系數為0.5 的耦合電抗器，以更好地闡明文中抑制方法優勢［28］。

系統穩態運行3.0 s 后直流出口出現雙極短路故障，故障電阻為0.01 Ω。從橋臂瞬時最大電壓、橋臂瞬時電流和子模塊電容平均電壓三個方面客觀評價了抑制方法的有效性［29］。

3.1 瞬時最大電壓

如圖5 所示橋臂電抗器瞬時最大電壓曲線。

由圖5 可知，橋臂電抗器的端電壓在故障后快速攀升到數百千伏。普通、耦合電抗器的瞬時最大電壓分別為296.40 kV 和292.80 kV，耦合電抗器降低了1.21%。在峰值后，普通電抗器迅速下降，閉鎖時的電壓值為121.91 kV，低于最大值58.87%。耦合電抗器下降較為緩慢，閉鎖時電壓值186.42 kV，與最大值相比降低36.4%。

3.2 瞬時電流

故障時，各橋臂的瞬時電流變化趨勢相似［30］。以A 相橋臂的瞬時電流為例說明，上、下橋臂瞬時電流如圖6 和圖7 所示。

圖6 瞬時電流( A 相上橋臂)Fig.6 Instantaneous current ( A phase upper bridge arm)

在A 相上橋臂，當t=3.005 s 時，耦合電抗器系統的電流為7.56 kA，正常電抗器系統的電流為16.72 kA，耦合電抗器僅為正常電抗器電流的45.22% 。同樣，在A 相下橋臂，當t= 3.005 s 時，耦合電抗器系統的電流為3.18 kA，普通電抗器為13.53 kA，偶合電抗器僅為普通電抗器的23.50%，故障電流降低明顯。

由于故障是隨機發生的，各橋臂故障電流的初值和過流程度都不同［31］。因此，應注意比較不同時刻橋臂電流的瞬時值。在t=3 s ～3.015 s 之間選擇相同間距的7個時刻，分別在直流側設置雙極短路故障，記錄7 個時刻的瞬時電流和峰值平均電流，見表4 ～表7。

表4 普通電抗器故障后5 ms 各橋臂電流瞬時值1Tab.4 Common reactor 5 ms after fault each bridge arm current instantaneous value 1

表5 普通電抗器故障后5 ms 各橋臂電流瞬時值2Tab.5 Common reactor 5 ms after fault each bridge arm current instantaneous value 2

表6 耦合電抗器故障后5 ms 各橋臂電流瞬時值1Tab.6 Instantaneous current 1 value of each bridge arm 5 ms after coupling reactor fault

表7 耦合電抗器故障后5 ms 各橋臂電流瞬時值2Tab.7 Instantaneous current 2 value of each bridge arm 5 ms after coupling reactor fault

橋臂的平均峰值電流irm在一定程度上可以代表6個橋臂的平均最大電流，如式(7) 所示［32］:

比較這幾個表中的數據，不同時刻耦合電抗器電流波動較小，對故障電流的抑制效果較好。

3.3 電容平均電壓

在閉鎖前，子模塊電容放電［33］。重新啟動，電容器需要充電。因此，有必要分析各子模塊的電容電壓變化。圖8 所示子模塊電容的平均電壓。

圖8 電容平均電壓對比Fig.8 Comparison of capacitor average voltage

使用耦合電抗器和普通電抗器，閉鎖時子模塊的平均電容電壓分別為額定值的86.5% 和52.7% 。使用耦合電抗器，電容器發生故障后消耗的能量較少。這有助于系統在重新啟動后立即進入穩定狀態。使用普通電抗器，電容器的能量損失相對較大，并且在啟動時需要較長的充電時間。

相對于普通電抗器，耦合電抗器可以有效降低損耗，雙極故障時有效抑制故障電流的增加，為保護贏得時間。但文中只是對故障電流抑制方法進行了研究，未對故障電流切除方法進行研究，后續研究會不斷完善。

4 結束語

通過橋臂電抗器耦合完成故障過電流抑制，將MMC同一相中上臂和下臂的電抗器耦合來抑制短路過電流。通過仿真從橋臂電抗器的瞬時最大電壓、橋臂的瞬時電流和子模塊電容器的平均電壓進行分析，驗證對故障過電流抑制的有效性。結果表明，在不同的故障時間，橋臂的平均峰值電流幾乎沒有波動，發生雙極故障時橋臂電抗器可以有效地防止故障電流的增加。