考虑直流断路器的MMC－HVDC系统直流电压保护误动分析

李国庆，娄 剑，边 竞，王 鹤，谭 龙

(1．东北电力大学 电气工程学院，吉林吉林132012;2．黑龙江省电力科学研究院，黑龙江 哈尔滨150036)

近年来，随着直流输电技术的不断发展和日臻完善，柔性直流输电因可控性强等优点得到快速发展．柔性直流输电与采用电流源型换流器的常规直流输电相比，具有有功和无功可独立快速调节、占地和环境影响较小、不存在换相失败问题、可作为黑启动电源、易于构建多端直流系统等特点［1～2］．采用电压源型高压直流输电来构成直流输电系统，易于实现多点受电和多落点供电，在大规模分布式可再生能源接入、海上风电场群并网送出、新型城市电网构建等应用领域都具有显著技术优势［3～5］．

基于模块化多电平换流器的高压直流输电技术(MMC－HVDC)作为一种新型的柔性直流输电技术，研究时间较短，实际工程应用较匮乏，需要对该技术进行深入研究．当前可供参考的文献资料主要侧重于MMC－HVDC系统的建模仿真、调制策略等稳态控制机理，对于保护方面的研究也多关注在直流侧的故障分析．文献［6］分别以交流系统侧、阀侧和直流侧接地故障为例，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型基础上，针对联结变压器绕组不同接线方式，分析其不同故障特性以及对系统运行的影响，并提出了应对策略．文献［7］在由MMC－HVDC和交流线路构成的交直流并列简化系统中，基于等面积法则，对3种直流故障处理方法的暂态过程进行理论分析，并提出评价指标．

由于直流系统的阻尼相对较低，相比于交流系统，直流系统的故障发展更快，控制保护难度更大［8］．同时对基于IGBT的柔性直流输电系统来说，一旦直流侧发生故障，由于IGBT中反并联二极管的存在，通常无法采用闭锁换流器的方法来限制短路电流，必须采用断开交流侧断路器的方法来分断故障电流．因此为快速限制并切断故障电流，以维持直流电网安全稳定运行并保护电网中的关键设备，直流断路器成为有效的技术手段．

在直流断路器研究方面，国外公司和研究机构的研究工作开展较早，并且已经成功地实现了理论设计向工程实践的转化．在基于常规交流断路器的机械式直流断路器研制方面，日立公司和ABB公司分别研制了250 kV/8 kA(额定电压/额定开断电流，下同)和500 kV/4 kA的产品并成功应用于多端CSCHVDC工程，但开断用时约为35 ms，无法满足基于VSC－HVDC的直流电网的需求．国内方面，西安交通大学、南方电网公司、中国电力科学研究院等高校、企业和科研院所均在积极推进该项技术的发展．因此，本文的研究将在设定直流保护以闭锁直流断路器为保护手段的前提下进行研究．

在模块化多电平高压柔性直流输电系统中，交流系统与直流系统分别配置保护．当直流系统发生故障时，直流保护迅速切除故障，以保证直流设备免于损坏［9］;同理，交流保护在交流系统发生故障后迅速工作，同时直流保护应该不动作．但是，由于交流故障引起的直流暂态响应和直流故障具有相似性，在引入直流断路器的系统中直流保护原理与整定方法具有不完善性，交流故障发生时可能引起直流保护误动，对系统的安全运行造成了威胁．

本文研究各种交、直流系统故障时直流系统的暂态响应，分析MMC－HVDC直流侧在交流系统故障和直流系统故障下的暂态响应的相似性，研究有可能造成的直流电压保护误动，并针对引起误动的保护特征给出避免保护误动的改进建议．在PSCAD/EMTDC仿真平台中，搭建含MMC－HVDC的交直流混合系统，仿真验证所作分析的正确性．

1 MMC－HVDC数学模型

模块化多电平换流器型直流输电系统单站等效电路图，如图1所示．每个换流器由6个桥臂组成，其中上、下桥臂均由桥臂电抗L0、桥臂电阻R0和n个子模块(SM)串联而成，每一相的上、下桥臂合在一起称为一个相单元．从中引出输出端，与电网侧交流电阻Rs、电网侧交流电感Ls以及交流电源Us相连．图中N为交流侧中性电位参考点，T1、T2为 IGBT，D1、D2为反并联二极管．只要对每个子模块上下两个IGBT的开关状态进行控制，就可以实现投入或者切除该子模块．

观察图1MMC－HVDC单站系统拓扑，可知换流站与交流系统之间的功率交换可以通过改变上、下桥臂电压来调节，得出下式:

图1 MMC－HVDC单站系统拓扑

其中:Upj、Unj分别为上、下桥臂电压;Udc为直流电压;Ipj、Inj分别为上、下桥臂电流;L0为桥臂电抗;j=a，b，c．

MMC的电路结构具有对称性，上、下桥臂的等效阻抗值在相同工频周期内近似相等，每相总串联阻抗也相等，交流网侧电流在上、下桥臂均匀分配，直流电流也在三相均匀分配，得出下式:

其中:isj为交流电流;idiffj为j相间环流分量．

根据电路原理分析，桥臂投入的总电容电压公式如下:

其中:usj为交流电压;udiffj为第j相内部不平衡电压降．

2 交流母线故障下直流系统的暂态响应特征

图2 网侧交流母线故障示意图

由于MMC－HVDC系统故障发生位置多样化，并且故障类型多样化，故障有很多不同的分类方法．但按照设备相对的空间位置，大致可以分为外部交流系统故障、换流站内部故障、直流侧故障、其他故障等．相对于网侧换流母线，阀侧线路很短、绝缘保护较好，故障的发生率较小．所以本文主要以网侧换流母线故障为研究对象，分析交流系统故障对直流保护的影响．故障示意图，如图2所示．其中，1为单相接地短路故障，2为两相接地短路故障，3为三相接地短路故障．

2.1 单相接地短路故障分析

以A相为故障相，MMC系统交流侧发生单相接地故障的等值电路如图3所示．

图3 MMC交流侧单相接地短路故障等值电路

由图3可知，当A相发生单相接地故障后，A相交流电源短路，A相桥臂子模块电容不断放电的同时得不到充电，子模块电容电压下降导致A相桥臂电压下降．同时非故障相子模块电容对故障相放电，桥臂电压随之下降．A相子模块电容电压持续下降，在均压控制PI调节器的作用下，故障相子模块切除，整流侧输出的直流电压等同于故障相桥臂电压，直流电压基本保持稳定．

2.2 两相接地短路故障分析

以A、B两相为故障相，MMC系统交流侧发生两相接地故障的等值电路如图4所示．

图4 MMC交流侧两相接地故障等值电路

由图4可知，当A、B两相发生接地故障后，A、B两相交流电源短路，A、B两相桥臂子模块电容不断放电的同时得不到充电，子模块电容电压下降导致A、B两相桥臂电压下降．同时非故障相子模块电容对故障相放电，桥臂电压随之下降．A、B两相子模块电容电压持续下降，均压控制PI调节器作用，故障相子模块切除，因故障严重，直流电压超过调节器的调节范围．整流侧输出的直流电压等同于故障相桥臂电压，下降．

2.3 三相短路故障分析

交流侧三相短路故障等值电路如图5所示．发生三相短路故障时，严重破坏了输入功率与输出功率之间的平衡，进而影响子模块电容电压以及直流电压．如果接收功率一侧发生故障，能量由非故障侧持续流入MMC－HVDC系统，直流电压随之上升;如果发出功率一侧发生故障，非故障侧不断从MMCHVDC系统内部吸收能量，直流电压随之下降．

2.4 仿真验证

为验证上述结论，参考国内外实际柔直工程参数以及相关文献数据，在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了容量为600 MVA，电压等级220 kV的MMC－HVDC双端系统仿真模型．但受仿真条件限制，子模块数量为30．具体仿真参数，如表1所示．系统稳定运行5．0 s后，整流侧交流侧发生故障，故障持续时间 0．5 s．

图5 MMC交流侧三相短路故障等值电路

表1 仿真系统主要参数

(1)单相接地故障仿真结果分析

如图6所示，MMC－HVDC系统整流侧发生单相接地故障时，对直流侧直流电压无明显影响．

(2)两相接地故障仿真结果分析

如图7所示，MMC－HVDC系统整流侧交流侧发生两相接地故障时，直流电压下降．

图6 整流侧单相接地短路时直流电压波形图

图7 整流侧两相接地短路时直流电压波形图

(3)三相短路故障仿真结果分析

如图8所示，发出功率端故障时，直流电压下降．

如图9所示，接收功率端故障时，直流电压上升较明显．

图8 三相短路故障时直流电压波形图(发出功率端故障)

图9 相短路故障时直流电压波形图(接收功率端故障)

3 直流电压保护误动分析

3.1 直流电压保护原理与整定原则

MMC－HVDC系统主要的保护配置，如图10所示．主要分为交流场区保护、阀区内保护和直流场区保护，其中:1－交流断路器的过流保护;2－不正常交流电压保护;3－接地故障保护;4－差动保护;5－换流站过流保护;6－子模块保护;7－不正常直流电压保护;8－直流放电保护．

本文着重研究直流场区的直流电压不正常保护，直流电压不正常保护主要分为:直流欠压及过流保护、直流过压保护、直流低电压保护及直流电压不平衡保护．下面对这四种保护进行简要介绍．其中报警定值和控制系统切换定值的参考依据为实际工程中配置参数．

(1)直流欠压及过流保护

保护逻辑及定值:

图10 MMC－HVDC系统保护配置示意图

其中:Ud为直流正负极电压;Ud_set为欠压整定值;t为保护动作时间;t_set为动作时间整定值;Id为直流正负极电流;Id_set为过流整定值．保护动作后，闭锁触发脉冲，触发晶闸管，直流断路器跳闸．

(2)直流过压保护

保护逻辑及定值:

其中:Udp为直流正极电压;Udn为直流负极电压;Ud_set为过压整定值．

①报警定值:

②控制系统切换定值:

③闭锁触发脉冲，直流断路器跳闸定值:

(3)直流低电压保护

保护逻辑及定值:

①报警定值:

②控制系统切换定值:

③闭锁触发脉冲，直流断路器跳闸定值:

(4)直流电压不平衡保护

其中Udp+Udn＞Δ＆t＞t_set为电压不平衡整定值．

保护逻辑及定值:

①报警定值:

②控制系统切换定值:

③闭锁触发脉冲，直流断路器跳闸定值:

3.2 交流故障引起直流保护误动分析

由于电压保护原理本身并无选择性，不仅可以反映阀区接地故障，也能反映线路对地故障和交流系统故障．因此交流故障引起的直流系统的直流电压异常特征在原理上可能会引起直流电压保护的动作．网侧发生单相故障直流电压变化不大，不会引起直流电压保护动作，但是发生两相接地短路以及三相接地短路时会引起直流电压下降，可能造成直流电压保护动作．以三相接地短路为例分析保护误动情况．

图11为发生直流断线故障时直流电压波形图，系统发生断线故障时直流电压有较大幅度的升高，对比图9三相短路故障时直流电压波形图(接收功率端故障)，发现两种故障下直流电压具有相似性．在已知的柔性直流输电系统中，当直流断线故障发生直流电压保护动作，故三相短路故障可能引起直流电压保护误动．

图11 直流断线故障时直流电压波形图

图12 交直流混合系统图

图 12 为交直流混合系统图，其中 KM1、KM2、KM7、KM8 为交流断路器，KM3、KM4、KM5、KM6 为直流断路器．在传统的柔性直流系统中，如果直流系统发生故障，直流电压保护动作于切断交流断路器KM1、KM2、KM7、KM8，即切断交流系统 S1、S2、S3、S4，不利于故障后系统快速恢复运行．在引进直流断路器的柔性直流输电系统中，直流电压保护动作于切断直流断路器，换流站内部以STATCAM方式运行，有利于故障后系统快速恢复运行．假设交流系统S1发生三相接地短路故障，直流电压异常，引起直流电压保护误动，断开直流断路器KM3、KM4、KM5、KM6，整个换流系统被切断，将造成经济损失，严重威胁系统运行的可靠性、经济性．

图13 直流断线故障时交流电压波形图

图14 三相接地短路故障时交流电压波形图

通过对交流故障与直流故障差异性进行分析可知，交流侧三相接地短路故障不仅能引起直流电压异常，同时能引起交流电压下降，但是直流故障不会引起交流电压下降，如图13、图14所示．故建议以交流电压为切入点，通过交流电压响应的差异性避免直流电压保护误动．

4 结 论

(1)在考虑直流断路器的MMC－HVDC系统中分析了交流故障与直流故障具有相似性，而且现有的直流保护整定方法并不完善，造成了直流保护在交流故障下容易发生误动．基于PSCAD/EMTDC构建了MMC－HVDC模型，验证了网侧发生三相接地短路故障时引发的直流暂态过程造成直流电压波动，容易引起直流电压保护误动．

(2)对比分析直流故障与交流故障的区别，发现了交流故障引起交流电压下降，但是直流故障不会引起交流电压下降．针对这一发现提出了可以以交流电压响应差异性为切入点的直流电压保护改进建议．

参考文献

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