CDSM-MMC直流侧故障隔离原理及重启动策略

郭琦，徐东旭，林雪华，李岩，刘崇茹

（1.南方电网科学研究院有限责任公司，广东广州 510080；2.华北电力大学，北京 102206）

CDSM-MMC直流侧故障隔离原理及重启动策略

郭琦1，徐东旭2，林雪华1，李岩1，刘崇茹2

（1.南方电网科学研究院有限责任公司，广东广州 510080；2.华北电力大学，北京 102206）

采用模块化多电平换流器的柔性直流输电系统，目前除了常见的半桥和全桥结构型的子模块，基于钳位双子模块的模块化多电平换流器由于其不仅能够隔离直流侧故障，且在经济性、性能上具有较强的优势，得到了广泛的关注和研究。通过介绍钳位双子模块（Clamp Double Sub-Module，CDSM）的工作原理，详细讨论分析了CDSM对于直流侧发生双极性短路、单极短路、断线等故障的隔离原理，以及柔性直流输电系统发生故障后控制器的工作状态，提出一种新型的柔性直流输电系统故障后的重启动策略，并在PSCAD/EMTDC下建立单端21电平基于CDSM结构的柔性直流输电仿真模型，通过对比所提出的重启动过程与原有重启动过程，验证了所提出重启动策略的有效性。

模块化多电平换流器；钳位双子模块；直流侧故障；重启动

柔性直流输电因其采用了可单独控制导通/关断的IGBT而非传统直流输电中的晶闸管，使得柔性直流输电可以工作在无源换流状态，独立控制有功和无功，无需额外的无功补偿，没有换相失败的问题[1-3]。模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）作为一种新型的柔性直流输电技术，由于其模块化拓扑结构易扩展、集成化程度高、输出谐波少而成为新的研究热点[4-5]。应用于MMC的子模块主要有3种：半桥子模块（half bridge sub-module，HBSM）、全桥子模块（full bridge sub-module，FBSM）、钳位双子模块（clamp double sub-module，CDSM）。HBSM由于其结构简单，所用器件少，在目前的MMC实际工程中得到了广泛的应用，但HBSM因其自身拓扑结构的限制，无法隔离直流侧故障，只能通过在交流侧设置断路器来处理直流侧故障，经济性和安全性都比较差。尽管FBSM具有隔离直流侧故障的能力，但由于造价太高而一直未被采用。CDSM被提出后，由于其不仅能够隔离直流侧故障，而且在经济性、性能上具有较强的优势，从而被视为隔离直流侧故障的最佳选择。

文献[6-7]研究了HBSM-MMC直流侧发生故障后故障电流的变化，说明了HBSM无法通过闭锁隔离直流侧故障的原因；文献[8-9]着重分析了三种子模块的优缺点；文献[10-12]分析了CDSM的结构特点，并且分析了直流侧双极性短路故障下CDSM隔离直流侧故障的原理，但未涉及直流侧单极短路故障与断线故障；文献[13-16]研究了HBSM-MMC的重启动过程，但针对CDSM的重启动研究则较少。

本文从分析CDSM的工作原理入手，通过对直流侧双极性短路故障、单极接地短路故障、断线故障等效电路的分析，详细阐述了基于CDSM的MMCHVDC系统隔离直流侧故障的过程，并针对故障后直接重启动时所产生的波动量大、恢复稳定时间长问题，通过分析控制器在故障条件下的响应，提出一种新型的重启动策略，并在PSCAD/EMTDC环境下验证了其有效性。

1 CDSM工作原理

图1是CDSM-MMC的串联结构，图2是CDSM的拓扑图。

图1 CDSM-MMC结构Fig.1 Structure of CDSM-MMC

图2 CDSM结构Fig.2 Structure of CDSM

1）正常运行状态下，T5保持导通，T1与T3、T2与T4触发信号互补。T1导通T3闭锁时，第一个电容投入，T4导通T2闭锁时，第二个电容投入运行。此时，CDSM可以等效为两个HBSM的级联，只需要将等效的第二个HBSM的触发信号取反即可。

2）闭锁状态下，所有IGBT均闭锁，此时CDSM可等效为如图3所示的拓扑结构。

图3 CDSM闭锁等效电路Fig.3 The equivalent circuit of locked CDSM

图3中箭头表示电流正方向，UC表示电容C上的电压的大小。

由图3可以看出，CDSM闭锁时，存在2种情况：1）电流为正（从N1到N2），CDSM相当于一个二极管与2UC电容的串联；2）电流为负（从N2到N1），CDSM相当于一个二极管与UC电容的串联。

2 CDSM隔离直流侧故障原理分析

从以上分析可知，闭锁状态下，电流都会经过电容，并且电容均处于充电状态，这就为直流侧故障的隔离提供了可能。下面以具体的直流侧故障为例，详细分析CDSM隔离直流侧故障的原理。

由于文献[14]已对直流侧双极性短路故障的隔离原理进行了充分分析，因此，本文的分析重点为直流侧单极接地故障与断线故障时，CDSM对于故障的隔离原理。

2.1 单极接地短路故障

直流侧发生单极接地短路故障时（以正极为例），电路中的短路电流主要由交流测电源通过故障极所对应的桥臂的对地放电构成。CDSM闭锁后，以A相为例，其等效电路见图4，UA为A相电压。

由图4可看出，图中两条电流通路存在的必要条件是：

由于MMC系统的调制比通常小于1，式（1）和式（2）恒不满足，因此这种情况下的短路电流通路并不存在，即CDSM能够隔离直流侧单极短路接地故障。

图4 单极接地短路故障电流通路Fig.4 The single short circuit current path

2.2 断线故障

当直流侧发生断线故障时（以负极为例），由于直流侧电流通路被阻断，电路中的故障电流通路以相间回路为主，且此相间回路是同一个桥臂的相间回路。以AB相上桥臂为例，CDSM闭锁后，其等效电路见图5。

图5 直流侧断线故障电流通路Fig.5 The current path of DC side break line fault

由图5可以看出，若以上电流通路存在，则必须满足

同样由于调制比小于1，式（3）、式（4）恒不成立。电流通路不存在，即CDSM能够隔离直流侧断线故障。

2.3 故障分析仿真验证

为了验证以上分析的正确性，在PSCAD/EMTDC中建立CDSM-MMC单端模型，如图6所示，直流侧用直流电源代替。具体参数如表1所示。

表1中US为交流侧线电压有效值，ZS为交流侧阻抗，Udc为直流侧电压，L0为桥臂电感，C为子模块电容。

2.0 s直流侧发生故障，2.02 s所有IGBT闭锁。仿真结果如图7所示。

图6 CDSM-MMC模型Fig.6CDSM-MMC model

表1 CDSM-MMC模型参数Tab.1 The parameter of CDSM-MMC model

由图7仿真结果可以看出，直流侧故障发生后，由于电流通路不存在，换流器所传送的功率迅速降为0。由于桥臂电感的存在，导致电流不会突然变为0，而是会从正常运行状态下逐渐衰减到0。从而导致在CDSM闭锁时，电容电压会有一个充电过程，然后达到稳定不变的状态。

图7 直流侧故障下电容电压与交流侧输出功率变化Fig.7 The changes of capacitor voltage and AC side output power in DC faults condition

由图8可看出，当直流侧发生双极性短路故障时，由于短路通路的存在，故障电流先会增大。当CDSM闭锁后，由于电路的阻断，电流迅速减小至0。此仿真结果验证了本文关于CDSM隔离直流侧故障分析的正确性。

图8 双极性短路故障下故障电流Fig.8 The fault current after bipolar short-circuit fault

3 重启动策略

3.1 PI工作原理

为了达到MMC的控制目标，在控制系统中引入了大量的PI控制器，其工作原理如下：

式中：out为输出；in为输入；K为比例环节系数；T为积分环节系数。为了使得在暂态过程中PI的输出不过大，在实际应用中，往往会在给PI的输出out限值。如图9所示。

图9 PI工作原理Fig.9 The operational principle of PI

3.2 按初始时刻启动

本文首先以单端CDSM-MMC系统发生直流侧双极性短路为例，研究其按照初始时刻的启动过程重启动的策略的可行性。研究发现，虽然这种方式可以对系统进行重启动，但需要时间长波动量比较大，并不是一个好的方案。例如，采用图7所示的系统进行分析，1.6 s～1.65 s发生直流侧双极性短路，其他时间正常运行。发生故障后，系统在1.602 s闭锁所有IGBT，在1.7 s解除IGBT闭锁状态。

可以看出，将初始启动时刻的启动策略应用于重启动中虽然系统能够重启动成功并且恢复稳定运行，但是其恢复稳定所需的时间大约为1.3 s，且恢复稳定过程中电容电压波动量达到2 kV，交流侧输出有功功率一度达到12 MW，桥臂电流波动达到1 kA。对于实际系统来说，此种重启动效果恢复时间过长，波动量过大，会给系统保护带来巨大的挑战。

3.3 PI清零重启动策略

为了解决以上重启动策略恢复稳定的时间长，波动量大的问题，本文发现CDSM-MMC的控制器一直在作用，所以PI环节中的积分部分一直在继续计算，以致于在故障发生和故障闭锁之后，系统中各个量运行在非正常状态下时PI仍然在继续积分，由此而得到的PI值必定会影响其恢复稳定的过程。

图10 无附加策略重启动效果Fig.10 The restart effect with no additional strategy

按初始时刻启动，其PI输出值如图11所示。

图11 PI输出值Fig.11 The output of PI

由于控制系统所涉及大量的PI，本文仅以其中一个为例。由图11可看出，在系统发生故障期间，PI仍处于计算过程。一次系统的暂态电气量会使得PI的值不断偏离稳态值，使得系统恢复稳态的时间长，波动大。

为了解决上述问题。由于在CDSM闭锁之后，系统之间传送的功率降为0，因此本文考虑在CDSM闭锁的同时，将PI控制器中的初始值清零。PI清零策略如图12所示。

其中pre_out为PI积分部分的前一时刻值，out_j为本时刻值，det为仿真步长，in为PI输入，out为PI输出，T为积分系数，K为比例系数，min为PI输出最小值，max为PI输出最大值。

图12 PI清零策略Fig.12 The PI cleared strategy

由图12可看出，其用梯形积分计算PI的积分部分，并且可以实现故障闭锁期间，PI中存储的上一时刻积分部分的值为0，可以有效避免故障时积分部分的持续计算对于系统恢复稳态的不利影响。

将PI清零策略应用于系统故障后恢复稳定的仿真结果如图13所示。

图13 附加PI清零的重启动控制策略Fig.13 The restart effect with PI cleared strategy

由图13可以看出，附加PI清零的重启动控制策略重新恢复稳定运行所需的时间为0.6 s，在恢复稳定运行的过程中，电容电压的波动峰值只有1 kV，桥臂电流的波动峰值为0.5 kA，交流侧输出功率的波动量也显著小于无附加策略的重启动过程。

将图14与图11相比可看出，当加入PI清零策略后，PI值在故障闭锁期间能够维持在一定值，从而不会对系统恢复稳态运行造成过大的不利影响。

图14 PI输出值Fig.14 The output of PI

将2种重启动方式的仿真图形比较可得，所提出PI清零的重启动策略较无附加策略的重启动策略在恢复稳定运行的过程中各电气量波动更小，且能更快地达到稳定运行状态。

4 结语

本文通过分析了CDSM-MMC在直流侧故障的等效电路，阐述了CDSM-MMC能够隔离直流侧双极性短路故障、单极接地短路故障、断线故障的原理，并且通过仿真验证了所分析的正确性。在直流侧故障频发的直流输电中，CDSM的这种能力为工程中解决类似问题提供了一种新的思路。此外，本文还通过分析控制器中的PI单元，说明了影响CDSMMMC重启动效果的关键性因素，并在此基础上提出了一种新的附加PI清零的重启动策略，仿真结果也验证了所提出重启动策略的优越性。

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（编辑 黄晶）

Principle of the DC Side Fault Isolation and Its Restart Strategy for CDSM-MMC

GUO Qi1，XU Dongxu2，LIN Xuehua1，LI Yan1，LIU Chongru2
（1.EPRI of China Southern Power Grid，Guangzhou 510080，Guangdong，China；2.North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

For the modular multilevel converter（MMC）based HVDC flexible system，at present，besides the common half bridge sub-module（HBSM）and full bridge sub-module（FBSM，the MMC based on clamp double sub-module（CDSM）has

extensive attention and has been widely researched because of its isolation of the DC side fault and its advantages in both performance and economical benefits.In this paper，the operation principle of Clamp Double Sub-Module（CDSM）is introduced first of all.Secondly，the paper expounds how the CDSM to isolate DC side fault when the bipolar short-circuit fault，single pole short-circuit fault，and broken line fault take place on the DC side.In addition，a new HVDC flexible restart strategy is proposed in the paper after analyzing the operation states of the controller when DC side fault takes place in HVDC flexible system.A single terminal 21 level model based on CDSM HVDC flexible system is built to verify the proposed restart strategy.The restart process between the proposed strategy and the existing one are compared in PSCAD/EMTDC.The simulation results show the proposed restart strategy is effective and correct.

modular multilevel converter；clamp double sub-module；DC side fault；restart

南方电网科技项目：大容量高电压柔性直流输电关键技术及工程应用研究（CSGTRC-K142031）。

Project Supported by Southern Power Grid Technology Project: Key Technology and Engineering Application Research for Large Capacity and High Voltage VSC-HVDC（CSGTRC-K142031）.

2016-01-12。

郭 琦（1979—），男，博士研究生，教高，研究方向为高压直流控制保护技术和电网仿真技术研究等；

徐东旭（1992—），男，硕士研究生，研究方向为柔性直流输电技术；

林雪华（1988—），女，硕士研究生，研究方向为柔性直流仿真建模与控制保护技术研究。