三端MMC-HVDC换流站直流母线双极短路故障特性分析

魏承志，史文博，文安

(1.南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080；2.云南电网有限责任公司电力调度控制中心，云南 昆明 650041)



三端MMC-HVDC换流站直流母线双极短路故障特性分析

魏承志1，史文博2，文安1

(1.南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080；2.云南电网有限责任公司电力调度控制中心，云南 昆明 650041)

对于柔性直流输电系统的双极短路故障问题，以三端基于模块化多电平换流器的高压柔性直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current transmission，MMC-HVDC)为研究对象，阐述了MMC的工作原理及其直流母线主要故障类型，分析了换流器内部直流母线双极短路故障特性及短路电流计算方法，并搭建基于PSCAD的三端MMC-HVDC系统，对其直流母线故障进行仿真分析。仿真结果表明，当发生直流母线双极短路故障时，直流电压骤降，直流侧电流、交流侧电流和桥臂电流激增，严重影响三端MMC-HVDC系统的安全稳定运行。

柔性直流输电；模块化多电平换流器(MMC)；直流母线双极短路

柔性直流输电是基于电压源型换流器(voltage sourced converters，VSC)和全控型器件绝缘栅双极晶体管(insulate-gate bipolar transistor，IGBT)，以及脉宽调制技术(pulse-width modulation，PWM)的一种新型的高压直流输电(high-voltage direct current，HVDC)技术。与传统直流输电不同，柔性直流输电技术能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制，能向无源网络供电，换流站间无需通讯且易于构成多端直流系统，克服了传统HVDC应用的缺点，具有广泛的应用前景[1]。模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)具备易扩展和模块化设计等特点，可以实现高电压等级下的换流，是柔性直流输电领域最受关注的换流器拓扑结构[2]。目前已有多个柔性直流输电工程建成投产，但相关研究主要集中在其技术本身以及控制器，对于它的故障特性分析涉足较少。本文介绍了MMC的基本拓扑结构，并基于三端MMC-HVDC系统，对换流器内部直流母线双极短路故障进行仿真分析。

1　MMC基本结构及工作原理

MMC的拓扑结构由德国学者R.Marquardt等人于2001年提出[3]，由模块构成的三相MMC结构如图1所示。MMC的基本单元是1个半桥变流单元，与链式变流器结构类似，多组变流单元被级联在一起构成1个换流桥臂，6组级联换流桥臂组合在一起构成三相变流器。

(a)MMC

(b)SMSM—子模块(sub-module，SM)；U、V、W分别为交流系统三相；uSM、iSM分别为单个子模块的电压、电流；Udc—直流正负极间电压；uao—交流系统U相电压；n—子模块数；C—子模块电容；Uc—子模块电容电压；VT—VSC-IGBT的缩写。图1　MMC及其子模块结构

2　换流站内部直流母线故障机制

柔性直流输电系统的换流站主要包含MMC直流母线、交流母线(包含交流变压器)及控制保护设备。直流母线故障一般是由于换流站内部绝缘损坏引起，直流母线距离换流站很近，其放电回路对放电电流的阻尼非常小，故障后果非常严重[4]。

2.1直流母线故障类型

换流站内部直流母线故障主要分为直流母线单级接地故障和直流母线双极短路故障[5]。直流母线单级接地故障和双极短路故障的故障点如图2所示。直流母线双极短路故障发生的概率较小，但它是MMC最严重的一类故障，其故障电流大小是换流器器件选型的重要依据，因此需要对其进行专门研究。

uas、ubs、ucs和ias、ibs、ics分别为交流系统等效相电压和相电流；Req和Leq分别为交流系统等效电阻和电感；N—接地点；1、2及箭头分别为直流母线单级接地和双极短路时故障点及电流流向。图2　MMC换流站直流母线短路故障

2.2直流母线双极短路故障分析

以三端系统为例，其中一端直流母线发生双极短路故障后故障电流流向如图3所示，换流站内各桥臂上的故障电流流向，取决于故障发生时刻的交流侧相位和具体的电路参数。故障直流母线所在换流器侧等效电路拓扑如图4所示。设Ls为变流器桥臂电感，各桥臂的所有二极管等效为不控整流器的桥臂；Lt为折算到换流器侧的等效交流侧电感，包含变压器电感、交流滤波器电感等；Ld为直流滤波器电感；Rsh为直流等效电阻，直流母线故障时近似为零，忽略桥臂等效电阻[6-7]。

图3　三端系统直流母线双极短路故障电流流向

图4　MMC在直流母线故障时的等效电路

交流系统通过三相不控整流器，在直流侧形成直流短路电源，内电势记为Ud0，输出电压记为Ud，直流短路电流为Id。交流侧电感Lt和桥臂电感Ls的作用类似，它们使桥臂电流不能突变，导致换相不能瞬间完成，即出现了换相重叠现象[8]。换相重叠现象会使直流输出电压减小，但并不消耗能量，因此采用直流电压内阻Rd来等效这一过程。设故障时直流电流初值为Id0，直流短路电流的动态方程为

(1)

解得

(2)

式中：t是过渡过程时间参数；Id∞是t趋于无穷时的短路电流；时间常数τd=Ld/(Rd+Rsh)。

由于Id0≤Id∞，式(2)可以简化为

(3)

由于三相不控整流器为电流源换流器，直流短路电流在很大程度上决定了变流器内部的短路电流以及交流系统短路电流的大小，三者有着类似的动态过程。但是短路电流的具体幅值要取决于交流母线电压、交流侧系统内阻抗、桥臂电抗和直流短路电阻等因素[9]。

(4)

式中：iabc(t)为交流系统三相短路电流；iabc∞为t趋于无穷时的交流系统三相短路电流；ibr(t)为直流桥臂短路电流；ibr∞为t趋于无穷时的直流桥臂短路电流。

(5)

以L2相为例，交流系统短路电流ib(t)、直流短路电流Idc(t)和两桥臂短路电流ibp(t)、ibn(t)分别为：

(6)

3　故障仿真

为更加深入研究MMC-HVDC的故障特性，利用PSCAD搭建三端柔性直流输电系统，如图5所示，并以直流母线双极短路故障为例进行故障仿真分析。

图5　三端MMC-HVDC系统拓扑

系统容量为200 MVA，换流站1、2、3容量分别为200 MW、100 MW、50 MW。直流侧额定电压为±160 kV，MMC整流侧交流电压为166 kV。故障仿真时间t0=4.5 s时，换流站1直流母线出口发生金属性永久性短路故障。仿真图形如图6和图7所示。

由仿真图6可见，直流母线双极短路故障发生后，直流侧总电压骤然下跌，直流电流迅速抬升后，换流阀模块电容储存的能量通过故障回路释放，直流电流逐渐下降。从图7可见，三端交流系统电流均增大并发生严重畸变，由于故障发生在换流站1直流母线出口处，换流站1阀侧故障电流达到最大。

4　结论

直流母线双极短路故障的特征为直流电压下降，直流侧电流、交流侧电流和桥臂电流激增，是正常值的数倍。在发生直流双端短接故障后，直流侧电流不会灭弧，随着SM单元电容器的能量的释放交流侧电流衰减到一定值。由于直流母线故障多数为永久性故障且故障位置距离换流器很近，直流阻尼较小，故障后果非常严重，因此故障发生后需要立刻闭锁换流器，跳开交流侧断路器，快速隔离故障。

(a)故障电压

(b)故障电流图6　直流母线短路时故障电压和电流

(a)换流站1

(c)换流站3图7　换流站阀侧故障相间电流波形

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(编辑霍鹏)

Analysis on Characteristic of Bipolar Short-circuit Fault of DC Bus of Three-terminal MMC-HVDC Converter Station

WEI Chengzhi1, SHI Wenbo2, WEN An1

(1.Electric Power Research Institute of CSG, Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2. Yunnan Electric Power Dispatching Control Center, Kunming, Yunnan 650041, China)

In allusion to the problems of bipolar short-circuit fault of HVDC flexible system, this paper states working principles of modular multi-level converter (MMC) and the main fault types of DC bus by taking three-terminal MMC-HVDC for a research object. It analyzes characteristics of bipolar short-circuit fault of DC bus inside the converter and calculation method for short-circuit current. A three-terminal MMC-HVDC system for simulating on the fault is also established. Results indicate that when there is bipolar short-circuit fault happening to DC bus, DC voltage drops sharply and DC-side current AC-side current and arm current increase sharply, which seriously affect safe and stable operation of three-terminal MMC-HVDC.

HVDC flexible; modular multi-level converter (MMC); DC bus bipolar short-circuit fault

2016-04-12

2016-06-07

广东省引进领军人才专项基金(SEPRI-K131003)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.013

TM721.1；TM711.2

A

1007-290X(2016)09-0063-004

魏承志(1984)，男，福建三明人。工程师，工学硕士，主要从事柔性直流输电技术、电能质量分析与控制等方面研究工作。

史文博(1986)，男，贵州铜仁人。助理工程师，工学硕士，主要从事电网调度控制运行工作。

文安(1965)，男，四川南部人。工学博士，主要从事电力系统保护、控制、生产运行、研究开发等方面的工作。