MMC型统一电能质量控制器故障分析及保护策略

陆晶晶, 刘正富，张剑，袁敞，肖湘宁，杨用春

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206；2.广东电网公司电力科学研究院，广州市510080)



MMC型统一电能质量控制器故障分析及保护策略

陆晶晶1, 刘正富2，张剑1，袁敞1，肖湘宁1，杨用春1

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206；2.广东电网公司电力科学研究院，广州市510080)

模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)拓扑结构引入统一电能质量控制器(unified power quality conditioner, UPQC)，既能够提高UPQC的容量又可以提高UPQC的电压等级，从而扩展了UPQC在中压领域的应用，使UPQC具有更加广阔的适用前景。然而当负载侧出现短路故障时，如何合理地操作保证其安全可靠地运行，不仅是系统对装置的要求，更是装置保护自身的要求。针对上述情况提出了应用于MMC型UPQC(MMC-UPQC)故障保护策略制定的原则，采用反并联晶闸管支路与线路断路器之间的动作配合，将串联MMC与故障线路隔离开，最终实现有效保护装置的目的。PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果验证了所提方法的有效性及可行性。

统一电能质量控制器(UPQC); 模块化多电平换流器(MMC); 故障保护; 断路器; 反并联晶闸管

0 引 言

随着智能电网的发展，各种非线性负荷及大规模电力电子器件的使用日益频繁，带来便利的同时也给系统的电能质量问题带来了严重危机[1-4]。统一电能质量控制器(unified power quality conditioner, UPQC)作为一种能够同时解决电压型和电流型电能质量问题的复合型装置，凭借其串联侧及并联侧的换流器既可以解耦后独立运行，又可以针对配电线路中同时存在电压、电流问题时实现综合补偿的特点，在未来智能电网中电能质量治理装置的发展方面占据着重要地位[5-6]。将模块化多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)技术应用于统一电能质量控制器(即MMC-UPQC)，既可以提高UPQC的容量又可以提高UPQC的电压等级，从而扩展UPQC在中压领域的使用，使得UPQC具有更加广阔的应用前景[7]。

目前，国内外针对UPQC的探索还停留在实验室样机阶段，而有关MMC-UPQC的研究也主要侧重在启动、检测算法和协调控制运行等方面，对故障情况下MMC-UPQC的特性分析以及保护策略鲜有涉及。由于UPQC的串联侧MMC一般通过串联耦合变压器与线路相连，其二次侧绕组不能开路，否则将会造成危险的高电压烧毁设备。因此在配电系统中发生短路故障时，串联侧换流器不能从二次侧断开，需要采取特殊的措施保护整个配电系统及设备。已有文献如[8-9]针对负载侧短路引起的过流问题，提出了通过串联侧换流器输出与系统电压反向的电压，控制其对基频分量电流呈现出高阻抗的特性，以限制故障电流的控制保护策略，文献[10]则将该思路应用于无隔离环节的三相UPQC。这种方法不需要附加额外的电路，但需要UPQC串联耦合变压器具有较大的容量，相对性价比不高。文献[11-12]提出在串联耦合变压器二次侧并联压敏电阻器及反并联晶闸管支路以实现对UPQC的保护，但压敏电阻器所能够承受的功率和能量有限，且一旦公共连接点处发生电压暂降可能导致晶闸管不能正常导通，从而造成故障情况保护无法正常动作。针对压敏电阻器的上述局限性，文献[13]提出了在串联耦合变压器一次侧并联电容，二次侧并联反并联晶闸管的故障保护策略，但是由于通常情况下UPQC中串联耦合变压器一次侧串接于系统与负载之间，此时一次侧并联电容的做法相当于在系统中串入电容增加系统谐振点，可能造成系统在某些情况下发生谐振，从而引起系统的不稳定。

本文在上述已有文献成果的基础上，分析并提出MMC-UPQC故障保护策略的制定原则，将反并联晶闸管并联在串联耦合变压器的一次侧，并通过在UPQC中加设的断路器与线路断路器之间的连锁动作配合，在负载侧发生短路故障的情况下，将UPQC与故障线路隔离，从而实现对UPQC的有效保护。采用PSCAD/EMTDC仿真软件验证提出方法的正确性与有效性。

1 MMC-UPQC基本工作原理

图1所示为MMC-UPQC挂接于10 kV中压配电网某条专用线路(配电专线)的主电路拓扑结构示意图。如图所示，UPQC的主体部分由2个背靠背的MMC通过公共直流母线连接组成；串联侧MMC经耦合变压器与公共连接点(point of common coupling，PCC)相连；并联侧MMC则直接并接于耦合变压器与负载之间；负载由非线性及线性负载并联构成。作为MMC-UPQC的重要组成部分，MMC结构中每个桥臂分别由n个子模块与桥臂电感Larm串接而成，每相上、下2个桥臂共同组成相单元。子模块的结构如图2(a)所示，可通过脉宽调制信号控制绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的通断，从而产生相应的输出电压：0电平和1电平，如图2(b)所示。

在配电线路中UPQC的主要作用是将串联侧换流器控制成电压源，提供电压暂降、电压谐波等问题的治理；将并联侧换流器控制成电流源，以补偿负载中的无功、负序及谐波电流分量，并且维持公共直流母线电压稳定，最终确保系统仅需提供额定幅值的三相正序基波有功电流和电压。正常情况下系统发生电压暂降后，根据图1可得

图1 MMC-UPQC主电路拓扑结构Fig.1 Main circuit topology structure of MMC-UPQC

图2 MMC子模块拓扑结构及输出电平Fig.2 Sub-module topology structure and output voltage level of MMC

(1)

式中：uload、usag、uc分别为负载电压、系统暂降电压及UPQC补偿电压；is、ic、iload分别为系统电流、并联侧补偿电流及负载电流；uPj、uNj分别为MMC各相上、下桥臂的等值受控电压源电压，由n个子模块输出电压叠加而成，其中j分别取a、b、c。

2 负载短路故障分析及保护方案

2.1 负载短路故障情况分析

通常情况下，三相短路故障在电力系统中发生的概率较低，但是其所造成的危害却较为严重，基于此，本文重点讨论当负载发生三相短路故障时对MMC-UPQC的保护。负载侧三相短路接地，系统电压全部由串联耦合变压器一次侧绕组承担，线路电流增大到原来的十几倍，在大容量的系统中线路短路电流甚至可能达到几十万A，足以烧毁电气设备，造成巨大的经济损失。从图1中可以看到，串联耦合变压器相当于电流互感器接入系统中，如上所述，电流互感器的二次侧绕组不能开路，因此不能单纯依靠断开二次侧断路器的方式对UPQC进行故障保护。当负载侧发生短路故障时，根据实际工程的需要，本文提出了UPQC保护控制策略在设置时需要遵循如下几个原则：

(1)UPQC的保护设置应以保护负荷供电安全可靠为首要原则。无论是采取附加额外的故障保护电路的方式，还是通过串联侧换流器输出反向电压以减小故障电流，在不发生故障的情况下，都应不影响配电系统对负荷的正常供电。

(2)UPQC的保护设置应不影响变电站内原有保护动作。如图1所示，当线路发生故障时，若未加装UPQC保护装置，应是变电站供电断路器正常分闸，断开故障线路以保护电网的可靠稳定运行。在系统加装UPQC之后，由于耦合变压器一次侧串联接入配电系统，若不采取恰当的措施加以处理，势必会影响到线路原有保护的作用。

(3)UPQC的保护设置应能够快速有效地保障整个装置的安全。故障时，串联侧MMC不仅需要承受PCC点的额定电压，同时与并联侧MMC一起通过公共直流母线的连接，为负载侧较大的故障电流建立了通路，对整个装置元器件的使用寿命和安全造成了危害。

2.2 MMC-UPQC故障保护策略

基于上述MMC-UPQC的故障保护设置原则，本文采用如图1所示的保护配合电路。其中，反并联晶闸管(silicon controlled rectifier，SCR)安装在UPQC串联耦合变压器的一次侧，装置断路器CB1至CB5分别安装在串联耦合变压器与系统连接处、串联耦合变压器与负载连接处、串联侧MMC与耦合变压器连接处、并联侧MMC与负载连接处以及串联耦合变压器一次侧。通过线路断路器CBs、装置断路器CB1～CB5以及反并联晶闸管SCR之间的逻辑配合，以期最大可能地避免故障电流流过装置，再经线路原有保护的动作跳开故障负荷，避免对相邻线路的正常供电造成影响。

故障保护策略流程如图3所示，采用这种故障保护策略，当负载侧发生三相短路故障时，首先控制并联侧和串联侧的MMC所有子模块闭锁；SCR迅速闭合，旁路耦合变压器；然后断路器CB5合闸，断路器CB1～CB4分闸，UPQC退出运行。本文中，考虑如上所述原则，在发生故障的情况下，若未加装UPQC保护装置，应是线路断路器CBs正常分闸，断开故障线路以保护电网的可靠稳定运行；配电线路加装UPQC之后，为了保证故障情况下装置的安全，断路器CB5要先合闸，将UPQC耦合变压器一次侧旁路。此时线路上断路器CBs与CB5同时处于闭合状态，为了保证装置加装后其保护动作不会对线路的原有保护造成影响，断路器CB5的分闸时间应该设置在线路断路器CBs的分闸时间之后，以避免CB5先分闸引起线路阻抗增大造成短路电流小于CBs故障电流整定值，从而造成CBs不动作无法隔离故障电路的情况。

图3 故障保护策略流程图Fig.3 Flowchart of fault protection strategy

断路器的常开点和常闭点是一组状态相反的开关，一个表现出常态开，一个表现出常态关。工程应用中断路器有的是常开接点，有的是既有常开接点，又有常闭接点，主要根据操作者的需要自行选择如何连接。本文中设计的UPQC装置保护电路中断路器之间的连锁动作关系如图4所示。UPQC控制装置断路器输出2对常开点分别串接于CB3断路器和CB4断路器的合闸回路中作为合闸允许，另一对常开点并接于CB5断路器的跳闸回路中；CB5断路器输出4对常开点分别并接于CB1断路器、CB2断路器、CB3断路器和CB4断路器的跳闸回路中作为连锁跳闸；CB4断路器输出1对常开点串接于CB2断路器的合闸回路中作为合闸允许；CB2断路器和CB3断路器输出1对(无源点)常开点串接于CB1断路器的合闸回路中作为合闸允许；此外如果CB3断路器和CB4断路器中任一个断路器因为故障而跳闸，需要CB3断路器和CB4断路器各输出一对常闭点并接至CB5断路器的合闸回路中，确保CB5断路器能够同时闭合。

图4 故障保护动作逻辑示意图Fig.4 Logic diagram of fault protection operation

3 仿真研究

为了验证本文提出的MMC-UPQC故障保护控制方法的有效性，在PSCAD软件环境下搭建了某10 kV配电专线装设有4 MVA的MMC-UPQC仿真模型，负载侧采用非线性谐波、无功及不对称阻性负载，仿真部分参数如表1所示。仿真模型中UPQC装置采用d、q坐标变换方法检测分离电压、电流补偿分量，采用d、q解耦控制方法形成调制参考信号，通过CPS-PWM对MMC子模块IGBT进行调制触发以生成相应的补偿电流、电压分量，调制比设置为0.9，调制频率为2 500 Hz。

表1 10 kV配电专线及MMC-UPQC相关参数

Table 1 Relevant parameters of 10 kV

distribution line and MMC-UPQC

仿真设定0.8 s负荷侧发生三相短路故障，故障持续时间为0.1 s。发生故障瞬间串、并联侧MMC迅速闭锁子模块，14 ms后反并联晶闸管SCR快速动作旁路串联耦合变压器，60 ms后断路器连锁跳闸将UPQC全部退出运行。由于并联侧MMC并接于负载与系统之间，故障瞬间其交流出口侧电压为0，此时MMC子模块全部闭锁，并联侧MMC中无故障电流；串联侧故障期间的仿真结果如图511所示。

图5 串联MMC交流出口侧电流Fig.5 AC-side output current of MMC in series

图6 串联耦合变压器一次侧及二次侧电压Fig.6 Primary-side and secondary-side voltage of coupled transformer in series

图7 串联MMC上、下桥臂电流波形Fig.7 Upper and lower bridge arm current waveform of MMC in series

图8 串联MMC上、下桥臂子模块电容电压波形Fig.8 Sub-module capacitor voltage waveform of upper and lower bridge arm of MMC in series

图9 公共直流母线电压Fig.9 Common DC bus voltage

0.8 s发生故障后，故障电流流过耦合变压器一次侧从而在二次侧感应出过电流。如图5所示，串联MMC交流出口侧各相电流ia、ib、ic增大至正常运行情况下的6～8倍。若不采取措施，耦合变压器二次侧需要承受过电压，如图6所示，其中uta1、utb1、utc1分别为串联耦合变压器一次侧各相电压，uta2、utb2、utc2分别为对应的二次侧电压。0.814 s反并联晶闸管SCR动作旁路耦合变压器，同时由于串联MMC子模块闭锁的作用，随后串联MMC交流侧电压、电流降为0。

图7为串联MMC上、下桥臂A相电流iPa、iNa，对应的图8为分别取该相上、下桥臂其中某一子模块电容电压Upa1、Una1的波形。可以看到，在0.8 s发生故障之后，如果桥臂故障电流为正(本文规定图2中以流过D1的方向为正)，子模块电容即充电，电压升高。若不采取本文的保护策略，子模块电容电压会在每一次故障电流正方向的时候充电，最终由于过高的电压导致电容器损坏。采用本文的故障保护策略，在0.814 s一次侧反并联晶闸管SCR动作，将子模块电压箝位在第1次充电后的恒定状态，因此公共直流母线电压略有抬升。

4 结 论

本文以MMC-UPQC为研究对象，重点分析了负荷侧短路故障时MMC-UPQC的故障保护原则，并提出了相应的保护策略。PSCAD/EMTDC环境下的仿真研究及结果表明，所提出的故障保护策略能够有效地避免系统故障过电流经串联耦合变压器二次侧对MMC-UPQC造成的损伤，同时串联MMC子模块电容电压能够被箝位在允许的范围之内，有效地避免了过电压造成的电容击穿问题。本文提出的断路器连锁配置对实际工程具有一定的指导意义。

致 谢

本文中实验方案的制定是在荣信电力电子股份有限公司石华楷、吕亚东等工作人员以及广东电网公司电力科学研究院王浩等研究人员的大力支持下完成的，在此向他们表示衷心的感谢。

[1]He J W, Li Y W, Blaabjerg F. Flexible microgrid power quality enhancement using adaptive hybrid voltage and current controller[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2014, 61(6):2784-2794.

[2]张坤，毛承雄，陆继明，等. 基于储能的直驱风力发电系统的功率控制[J]. 电工技术学报, 2011, 26(7):7-14,43. Zhang Kun, Mao Chengxiong, Lu Jiming, et al. Power control strategy of directly driven wind turbine with energy storage system[J]. Transaction of China Electrotechnical Society, 2011, 26(7):7-14，43.

[3] Liu Q W, Tao Y, Liu X H, et al. Voltage unbalance and harmonics compensation for islanded microgrid inverters[J]. IET Power Electronics, 2014, 7(5):1055-1063.

[4] Li Y W, Vilathgamuwa D M, Poh C L. A grid-interfacing power quality compensator for three-phase three-wire microgrid applications[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 2006, 21(4):1021-1031.

[5] Akagi H. New trends in active filters for power conditioning[J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 1996, 21(1):218-224.

[6]Han B, Bae B, Kim H, et al. Combined operation of unified power-quality conditioner with distributed generation[J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 2006, 21(1):330-338.

[7] Xiao X N, Lu J J, Yuan C, et al. A 10 kV 4 MVA unified power quality conditioner based on modular multilevel inverter[C]// International Electric Machines & Drives Conference. Chicago: IEEE, 2013.

[8] Lee W C, Lee T K, Ma C S, et al. A fault protection scheme for series active compensators[C]// 2002 IEEE 33rdAnnual Power Electronics Specialists Conference, 2002.

[9] Chae B S, Lee W C, Lee T K, et al. A fault protection scheme for unified power quality conditioners[C]// 2001 Proceedings of the 4thInternational Conference on Power Electronics and Drive Systems, 2001.

[10] 胡家为,李国杰, 马锋.无隔离环节三相 UPQC 的故障限流保护的仿真研究[J]. 电力系统保护与控制, 2008, 36(15): 14-17.

Hu Jiawei, Li Guojie, Ma Feng. Protection simulation study of over current for a three-phase unified power quality controller without isolating circuit[J]. Power System Protection and Control, 2008, 36(15): 14-17.

[11] Moran L A, Pastorini I, Dixon J, et al. A fault protection scheme for series active power filters[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 1999, 14(5): 928-938.

[12]石国萍, 田立军.统一电能质量控制器的一种新型保护方法[J]. 电力自动化设备, 2003, 23(7): 31-33. Shi Guoping, Tian Lijun. A protection scheme of unified power quality controller[J]. Electric Power Automation Equipment, 2003, 23(7): 31-33.

[13] Axente I, Basu M, Conlon M F, et al. Protection of unified power quality conditioner against the load side short circuits[J]. IET Power Electronics, 2010, 3(4): 542-551.

(编辑：刘文莹)

Failure Analysis and Protection Strategy for MMC-UPQC

LU Jingjing1, LIU Zhengfu2, ZHANG Jian1, YUAN Chang1,XIAO Xiangning1, YANG Yongchun1

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources of North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510080, China)

Applying the topology structure of modular multilevel converter (MMC) in unified power quality controller (UPQC) can improve the applicative capacity and voltage level of UPQC, which can expand the application of UPQC in medium voltage field, and make UPQC has wider application prospects. However, when the short-circuit fault occurs on the load side, how to logically operate to ensure the safe and reliable operation of UPQC, is not only the system requirement for the device, but also its own requirement for the device to protect itself. On this basis, this paper presents the principle of fault protection strategy for MMC-UPQC, which adopts the interaction between the branch of anti-parallel thyristor and circuit breaker to isolate the MMC in series from the fault line, and ensure the effective protection for the device. The simulation results in PSCAD/EMTDC environment have demonstrated the effectiveness and feasibility of the proposed method.

unified power quality conditioner (UPQC); modular multilevel converter (MMC); fault protection; circuit breaker; anti-parallel thyristor

“十二五”国家科技支撑计划重大项目(2011BAA01B02); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(12QN37)。

TM 76

A

1000-7229(2015)05-0031-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.006

2014-12-30

2015-04-01

陆晶晶(1989)，女，博士研究生，主要研究方向为电能质量治理、高压直流输电；

刘正富(1988)，男，助理工程师，主要研究方向为电能质量、高压直流输电等；

张剑(1986)，男，博士，主要研究方向为电力系统稳定、次同步振荡等。

Project Supported by Key Project of the National Tewlfth-Five Year Research Program of China (2011BAA01B02)