外部不对称故障下的柔性直流输电负序电流抑制方法

张兴桥，魏承志，文安

(1.华南理工大学，广州 510640；2.南方电网科学研究院，广州 510080)

外部不对称故障下的柔性直流输电负序电流抑制方法

张兴桥1，魏承志2，文安2

(1.华南理工大学，广州 510640；2.南方电网科学研究院，广州 510080)

对MMC拓扑以及负序电流的产生进行分析，以基于正弦分解的瞬时对称分量法对交流故障电压分离出正序负序分量，并改进双闭环控制策略，对正序负序电量分别控制并叠加于控制参考电压。仿真表明控制方法有效抑制负序电流，并使柔性直流输电系统不平衡情况下保持阀侧电流对称运行，不发生换流器闭锁，保证输电系统在故障切除前持续运行。

柔性直流输电系统；模块化多电平换流器 (MMC)；不对称运行；负序电流抑制；双闭环控制

0 前言

基于模块化多电平换流器 (modular multilevel converter，MMC)的柔性直流输电系统得到越来越多的工程应用，是近年来的研究热点。首先提出MMC为一种采用多个子模块级联而成的多电平电压源换流器的拓扑结构，适用于高度模块化、高电压、大功率等场合。MMC拓扑由文献 [1-5]详细阐述了MMC的基本原理和运行方式，文献 [6-11]对MMC对称情况下的控制策略进行了研究。MMC容易实现模块化冗余结构设计，不仅有效提高了换流器的应用电压和功率等级，同时避免了功率开关器件由于高频开合而产生的功率损耗，从而降低IGBT的损坏几率。

对于不平衡状态下的柔性直流系统如何进行负序电流抑制，研究的文献较少。文献 [12]在交流系统不对称的情况下，三相模块化多电平换流

器内部会出现零序性质的2次谐波环流，并对该环流提出控制方法。文献 [13]针对有无换流变压器时，柔性直流输电系统不对称运行下把系统分解成正序、负序和零序网络，提出了负序电流的控制策略。文献 [14]针对故障系统中存在零序电流通路的特点，提出了故障时的系统正负零序控制器。

本文采用基于正弦分解的瞬时对称分量法，快速有效地将采集的电源侧瞬时电压分离出正序负序分量，并运用成熟的双闭环换流器控制策略，分别对正负序电压进行处理，最后叠加于控制电压上进行不平衡电压补偿，实现柔性直流输电系统在外部交流不对称故障情况下快速抑制故障电流，使系统在不发生换流器闭锁的情况下持续运行。

1 负序电流产生分析

基于模块化多电平换流器柔性直流输电系统正常运行时，送端系统AC1通过柔性直流输电线路以及N条并列运行的交流线路向受端系统AC2送电，即系统处于交直流并列运行方式；当其中一条交流线路发生瞬时或者永久不对称故障时(假设是交流线路2)，在传统工频保护下，故障线路检测故障并跳开故障线路需要的必要保护时间，而这时间内，不对称的故障电流可能引起柔性直流系统发生闭锁，使柔直输电系统退出运行；若重合闸投入，还需考虑重合闸重合于永久故障线路时候对输电系统的冲击，故障电流将会对柔性直流输电系统产生更大的危害。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统如图1所示。

图1 柔性直流系统结构示意图

假设柔性直流输电系统两端均采用MMC结构，逆变站MMC1系统级控制方式为有功功率P和无功功率Q控制，整流站MMC2系统级控制方式为直流电压Udc和交流电压Uac控制，功率潮流从AC1系统流向AC2系统。当柔性直流输电系统发生外部，假设交流线路2，发生不对称故障时，柔直系统阀侧电压将不再对称。此时，PLL锁相环等回路无法正常工作。若此时需要保持柔性直流系统持续运行，则不能闭锁换流器，需要设计抑制故障电流的控制策略，为系统切除外部故障提供有效时间。

MMC由三相6桥臂组成，每上下两桥臂构成一相单元，其拓扑图如图2(a)所示[15]。每相单元由相同数量的子模块串联而成，串接于各桥臂之间的电抗器L0可单独控制有功与无功功率传递，并能一定程度地抑制故障情况下通过桥臂的交流电流，为IGBT关断提供充足的时间。子模块SM1～SMn结构相同，分别由两个并联的IGBT并联而成，以及两个与IGBT反向并联的二极管D1、D2和并联电容器组成，其中电容器与T1串联后再与T2并联，构成半H桥结构，SM的结构图如图2(b)所示。

图2 MMC模块结构图

当柔性直流系统换流器不对称运行时，根据叠加原理，换流器的电压电流可以分解为正序负序系统分别研究；由于换流变压器一般为星角接线，阻隔了零序电流在柔直系统与外部交流系统的联系，因此可以不考虑零序系统的影响。由MMC模块结构图及基尔霍夫电压定律得到abc坐标系下MMC的三相电压、电流的正负序动态表达式：

其中L为变压器电感Lm和二分之一桥臂电感L0之和，R为二分之一桥臂电阻。

在电网正常运行时，换流器只含式 (1)正序分量。在电网出现不对称故障时，换流器还将包括式 (2)负序分量。

2 负序电流控制策略

当柔性直流输电系统交流侧发生故障时，柔性直流输电系统发生换流器闭锁是毫秒数量级，为了使区外不对称故障时保持系统持续运行不发生换流器闭锁，需要更快速有效的算法分离正序负序分量，实时对负序电流加以抑制。

2.1 负序电流控制策略

故障发生时，根据电力网络的叠加原理，把故障下的换流器系统分解为正序网络和负序网络，分别求出这两系统下的三相换流器调制参考电压。

正序系统下，采集系统电压 usa(t)、usb(t)、usc(t) 瞬时值，根据瞬时对称分量法[16]，采集上一步长和本步长的电压瞬时值计算中实部、虚部，组成三相电压旋转相量，求出正序电压瞬时值，以相同方法求出正序故障电流。

当忽略桥臂的电阻值R影响时，对式 (1)作dq变换得到式 (3)，其中为正序故障电流经过dq变换后的值。由图1的系统结构图中系统级控制器得出参考有功功率值P∗和无功功率Q∗，由外环控制系统经过PI控制环节得到电流参考值以此正序电流为基础，运用换流器内环控制系统，使用PI控制以及电压前馈解耦得到正序参考电压，进行dq反变换后得到正序系统的调制电压参考量

dq变换和反变换分别为公式 (4) (5)，其中θ为三相正序电压分量通过锁相环得到的相位角。

负序系统下，同样采集系统电压usa(t)、usb(t)、usc(t) 瞬时值，根据瞬时对称分量法[16]，求出负序电压瞬时值。分析式(2)，为了抑制换流器的负序电流，则使，进而。由此可见，对于负序电压，不必进行dq变换，直接相加于双闭环控制的阀电压上，实时补偿由于交流系统不对称而引起的换流器负序电流。

最后，由上述正负序两控制系统得到的三相正序调制电压参考值，和负序电压参考值分别相加，便得到换流器调制电压实际参考量，通过调制环节产生触发脉冲信号，控制各子模块的开通与关断，达到抑制负序电流的效果。

图3 负序电流控制策略

负序电流控制环节具体如图4所示。换流站正负序系统分别控制抑制负序电流，正序方式下以正序故障电流为基础，经过模块化多电平换流器的双闭环控制系统输出三相换流器正序参考电压；负序方式下直接由分解出来的负序电压作为参考量。正负序方式下得到的参考电压三相分别相加后得到换流器调制电压实际参考量，有效抑制负序电流。

2.2 基于正弦分解的瞬时对称分量法

图4中的瞬时对称分量法模块是文献 [16]所述的算法。由于传统的对称分量法采用相量计算的形式，需要获取电气量的幅值和相位，不能进行实时变换。而柔性直流输电系统发生换流器闭锁是毫秒数量级，为了使区外不对称故障时保持系统持续运行不发生换流器闭锁，需要更快速有效的算法分离正序负序分量，及时地对负序电流加以抑制。

该算法实现逻辑如图4所示，柔性直流输电系统变压器开口电压 usa(t)、usb(t)、usc(t)通过式 (6)正弦分解求出旋转相量的虚部，该开口电压作为旋转相量的实部，组成瞬时的旋转相量；最后通过式(8)(9)对称分量的变换并取其实部得出瞬时对称三相正序电压和负序电压。

基于正弦分解的瞬时对称分量法的正弦分解如下式所示，计算时取采样电压的该时刻步长和上一时刻步长。

图4 基于正弦分解的瞬时对称分量法

式 (7)为旋转相量的表达式，其中Usjm(j =a，b，c三相)为三相电压幅值。

式(8)(9)分别为正负序对称分量的变换式，式中Re表示对复数取实部，a为旋转因子，a

可见，该算法只需要一个采样步长的时间，就可实现三相电量的对称分量实时变换，因此能应用于柔性直流输电系统的暂态分析，适用于柔性直流输电系统不对称情况下对称分量的提取，实时分离出故障分量的正负序分量，应用于工程实践。

3 仿真验证

以两端均为有源网络的MMC-HVDC系统进行RTDS仿真验证，两端换流站参数一致，系统示意图如图1所示。系统的额定容量为400 MVA，直流电压为 ±200 kV，桥臂电感40 mH，模块电容为3 mF，每桥臂子模块200个。

输电系统交流输电线路2在0.2 s时发生a相接地故障f(1)和ab相接地故障f(1，1)，故障相电压跌落至0.7 pu，整流站在0.4 s时投入本文的负序电流控制策略模块。从仿真波形可以看出，在交流系统发生不对称故障下，故障电流仍然保持三相对称，并有效抑制故障电流的上升，使直流系统在不对称情况下不发生换流器闭锁，并持续运行。仿真波形如图5所示。

图5中 图 (a)为交流系统电压波形，系统在0.2 s时刻发生单相接地故障，a相电压降落到0.7 pu；图 (b)为阀侧三相故障电流 I1A、I1B、I1C的波形，0.2 s故障发生时电流不对称，且电流幅值增大，在0.4 s投入本文负序电流控制模块后，虽然故障电流有所增加，但保持三相对称；图 (c)为阀侧电流的负序分量的幅值波形，虽然在刚发生故障的情况下有所增加，但投入控制模块后幅值回落。

图5 a相接地故障仿真波形

图6是输电系统交流线路2发生ab相接地故障f(1，1)时候的仿真图形，可以看出发生两相不对称接地故障时仍然与单相接地故障情况类似，表明该负序电流抑制策略有效抑制阀侧故障电流，保证柔性直流输电系统持续运行。

图6 ab相接地故障仿真波形

4 结束语

根据MMC不平衡情况下的运行特点，采集交流系统不对称电压量，运用基于正弦分解的瞬时对称分量法，提出了一种适合于柔性直流输电系统不对称条件下的负序电流控制策略。该控制方法在传统的双闭环控制系统中增加瞬时对称分量法的计算环节，方法简单高效，不需要另外增加PI控制环节，使该控制策略在交流系统发生不对称故障情况下快速抑制换流器负序电流，保持阀侧电流对称，使换流器不发生闭锁情况下保持系统持续运行。

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Negative Sequence Current suppression Strategy of HVDC Flexible System under External Asymmetrical Fault

ZHANG Xingqiao1，WEI Chengzhi2，WEN An2
(1.South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Electric Power Research Institute，China Southern Power Grid，Guangzhou 510080，China)

A modified instantaneous symmetrical components method was used to isolated positive and negative sequence components from the AC breakdown voltage.With improved dual-loop control system，the positive and negative sequence voltages were controlled and superimposed on the voltage reference.Simulation results show that this strategy is effective to suppress the negative sequence current，and to keep the valve-side current symmetric.It is ensured the flexible HVDC system continued operation in imbalance condition without lockout the inverters.

HVDC flexible；modular multilevel converter(MMC)；unbalanced?operation；negative sequence current suppression；double closed-loop control

TM74

B

1006-7345(2015)05-0097-05

2015-06-03

张兴桥 (1986)，男，硕士研究生，助理工程师，华南理工大学，主要研究方向为电力系统保护与控制 (e-mail)546965389＠qq.com。

魏承志 (1984)，男，硕士，工程师，南方电网科学研究院，主要从事直流输电技术、电能质量分析与控制等方面的研究工作。

文安 (1965)，男，博士，高级技术专家，南方电网科学研究院，主要从事电网控制保护和柔性直流输电等方面的研究工作。

广东省第三批领军人才专项资金资助项目