含柔性直流输电系统的故障仿真分析

运奕竹，娄 剑，朱天权，王 鹤

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)



含柔性直流输电系统的故障仿真分析

运奕竹，娄 剑，朱天权，王 鹤

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

在柔性直流输电系统故障特性的研究中，对单相接地故障的研究较少，针对二端柔性直流输电系统交流侧和直流侧发生的故障，研究了相互之间的影响，进行了理论分析，又在MATLAB/SIMULINK搭建了模型，通过对仿真波形的观察，验证了理论分析的正确性。

柔性直流输电；交互影响；交流侧故障；直流侧故障

随着电力电子技术和PWM(Pulse Width Modulation)技术的发展与完善，基于电压源型换流器的柔性直流输电(High Voltage Direct Current Based on Voltage Source Converter，VSC-HVDC)技术得到了相关领域的重视，正在迅速发展[1-4]。VSC-HVDC是一种新型输电技术，与传统输电技术相比有着其独特的优点，改善了传统直流输电系统中的无功功率的消耗、换相失败的问题的存在、必须与有源网络联结等缺点。VSC-HVDC具有的主要优点有：对有功功率和无功功率能够完成独立控制；可实现向孤岛或无源网络提供电能；对交流母线无功功率完成动态补偿；潮流反转时能够实现电压极性不变的情况下实现电流的方向反转等特点。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是以电压源型换流器为基础，在此基础上做出了一些相应的改进的一种新型换流器，近年来，广泛应用在了风电并网、直流输电等领域[5-8]。

文献[9]从MMC-HVDC的直流故障为切入点，从定性的角度进行了分析，提出了针对问题的处理方案；文献[10]分析了双极短路故障的情况，在故障状态下对其过电流进行了相应分析，并搭建起了相应的电路模型，通过对模型的详细分析，能够在理论基础上对故障特性进行分析，对设备的选取和保护的规划有重要借鉴意义；文献[11]对子模块做了改进处理，为了减轻故障带来的影响，将晶闸管进行反并联连接；以上研究都为定性分析，对于MMC-HVDC的双极短路故障，已有文献仅仅分析了故障后直流母线电压和电容电压的变化预测，而针对较为普遍的单极接地故障分析的文献相对较少，也并没有提及MMC-HVDC系统中换流站发生故障后直流侧和交流侧的相互影响，本文将从直流侧发生故障对交流侧的影响以及交流侧发生故障对直流侧的影响进行分析。

1 柔性直流输电系统

柔性直流输电系统的原理图为图1所示，一个完整的输电系统由交流系统、变压器、接地阻抗、换流站和直流线路组成。换流站内的设备主要有换流变压器、交流滤波器、连接电抗器、换流器。由于柔性直流输电系统的功率能够实现双向流动，其中任意一个换流站既可以工作在整流状态也可以工作在逆变状态，其中处在送电端的换流站以整流方式投入运行，处在受电端的换流站以逆变方式投入运行。柔性直流输电系统的控制系统由内环电流控制器和外环功率控制器组成。

图1 双端柔性直流输电系统单线原理图

2 原理分析

在柔性直流输电系统中，变压器二次侧与换流器阀之间的母线故障被看做是站内交流故障，如图2所示，直流电压会产生轻微的振荡，但是由于接地阻抗很大，而且故障发生时只是改变了直流系统的电位参考点，对直流电压平均值没有影响，相对于正常运行状态，交流侧发生单相接地故障，影响换流站内功率传输，直流电压中直流分量大幅度下降，除基波外其它次谐波也相对下降，对于直流电流而言，相对于正常运行状态，换流站内功率传输受交流侧影响，当交流侧发生单相接地故障时，此时电流中直流分量将会大幅度下降，除基波外的其它次谐波也会发生相对下降。直流母线故障指连接阀与直流线路之间的连接母线故障，如图3所示，发生故障后，对零序分量影响较大，正负序分量发生轻微震荡，对于交流电流而言，正序分量受影响较大。

图4 换流母线故障图

故障情况下交直流侧的相互影响分为以下两个方面：

(1)交流侧发生单相接地故障时，直流侧电压和电流的变化；

(2)直流侧发生故障时，交流侧电压和电流的变化。

对各电压电流做傅里叶分解分析和正负零序分解分析，观测故障前后电压和电流中正序、负序、零序的变化以及基波分量、直流分量和高频分量的变化。

3 仿真分析

本文在MATLAB/SIMULINK环境下搭建了双端柔性直流输电系统的模型，针对交流侧和直流侧分别发生单相接地故障时对另一侧的影响进行仿真研究，仿真参数如表1所示。

表1 仿真模型系统参数

3.1 站内直流侧发生故障对交流侧的影响分析

站内直流侧发生单相接地故障交流侧电压波形的变化如图5所示，故障发生前，如图5(a)所示交流电压以基频为主，直流侧在2 s时加入故障，此故障类型为单相接地故障，由图中可知交流电压中直流分量增加；故障发生后对交流侧电压进行了正序、负序和零序分解，由图5(b)可知交流电压中零序分量迅速增加，大小与正序分量大小相同，随后在故障消除前迅速下落到0，正序分量与负序分量发生振荡，持续时间为200 ms，2.2 s时故障结束。本文对此电压又做了傅里叶分解，进一步验证了以上分析的正确性。

图5 交流侧电压波形

图6 交流侧电流波形

站内直流侧发生故障时，对交流电流仿真图如图6。由图6可知，2s时加入单相接地故障，故障发生后，利用正序、负序和零序的分解对电流的变化进行观察，由观察可知，正序分量先下降后上升，上升后的值超过了故障前的电压值，零序分量与负序分量小幅度上升，相对于正常运行状态下，发生故障后直流分量上升，二次谐波上升。故障持续200 ms，2.2 s时故障结束。本文对此电压又做了傅里叶分解，进一步验证了以上分析的正确性。

3.2 站内交流侧发生故障对直流侧的影响分析

站内交流侧发生故障时，对直流侧电压的仿真分析图如图7所示，由图7(a)可知，在2 s时故障发生，直流电压会产生轻微的振荡，但是由于接地阻抗很大，而且相比与故障前，故障的发生只改变了直流系统的电位参考点，对直流电压平均值影响不大；与正常运行状态相比，交流侧发生单相接地故障时，站内功率传输受到影响，因此，直流电压中直流分量大幅度下降。故障持续了200 ms，2.2 s时故障结束。本文对此电压又做了傅里叶分解，进一步验证了以上分析的正确性。

图7 直流侧电压波形

图8 直流侧电流波形

站内交流侧发生故障时对直流侧电流的影响如图8所示，如图8(a)所示，2 s时故障发生，故障持续200 ms，2.2 s故障结束，故障后与故障前比较，直流电流发生振荡，但是振荡幅度不大。由傅里叶分解可知，相对于正常运行状态，交流侧发生单相接地故障，影响换流站内功率传输，直流电流中直流分量大幅度下降，除基波外其它次谐波也相对下降。

3 结 论

本文在双端柔性直流输电系统的基础上，对其换流站内交流侧和直流侧进行了单相接地故障的仿真。得出以下结论：

(1)当直流侧发生故障时，交流侧零序电压上升幅度较大，而负序和零序发生微小震荡，交流侧电流中的正序分量先下降后上升，上升后的值超过了故障前的电压值，零序分量与负序分量上升幅度较小；

(2)当交流侧发生故障时，直流侧电压由于受接地阻抗的影响，震荡幅度较小，直流侧电流也发生较小的震荡；

(3)逆变侧的功率能够维持平衡，如果在线路绝缘允许情况下，发生暂时性故障时，可以继续进行功率传输，但若发生永久性故障，应立即跳开换流器。直流侧电压、电流，阀侧交流电压、电流变化都很大，而且功率传输不能保持平衡。故障发生后，应第一时间隔离换流器，减少故障对系统的影响。本文的研究，为今后交直流交互影响的分析有着借鉴意义。

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AC/DCHybrid System Containing Flexible HVDC Fault Simulation Analysis

Yun Yizhu，Lou Jian，Zhu Tianquan，Wang He

(Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

Study on fault characteristics of flexible HVDC system，the single-phase grounding fault of the AC side is less，for the two ends of the flexible HVDC system and the DC side fault，studied the mutual influence and analyzed in theory，and in the MATLAB/SIMULINK to build a model，through the observation of the simulation waveform and simulation results show that conclusion of above-mentioned fault analysis is correct.

VSC-HVDC；Interaction effect；DC side fault；AC side fault

2016-05-21

运奕竹(1987-)，女，硕士，助理实验师，主要研究方向:柔性直流输电技术.

1005-2992(2017)02-0019-05

TP29

A

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