MMC-UPFC不同接地设计的故障特性及对本体保护配置影响

郑 涛 ，吴 丹 ，陆振纲 ，宋洁莹

（1.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206；2.国网智能电网研究院，北京 102211）

0 引言

统一潮流控制器 UPFC（Unified Power Flow Controller）是高度可控的第三代灵活交流输电系统FACTS（Flexible AC Transmission System）装置，为实现对交流系统的实时控制和动态补偿而提出，作为控制电网状态的有效手段，只需要改变其控制规律，就能分别或同时实现调节线路潮流、并补、串补、移相、调压等功能［1-2］。基于模块化多电平换流器 MMC（Modular Multilevel Converter）的 UPFC，采用子模块级联的多电平拓扑结构，由于模块化程度高、显著改善波形质量、提高系统冗余度、更适用于高电压大容量输电而得到广泛关注［3-10］。

目前国内外对MMC拓扑结构的研究多集中于数学模型、控制器设计及工程应用等方面［11-21］，而对故障特性、保护配置尤其是接地设计对两者的影响论述较少，对基于MMC的UPFC（MMC-UPFC）更是鲜有论述。文献［4］讨论了MMC-UPFC的3种典型交流侧接地设计下阀侧短引线单相接地及直流单极接地的故障特性，重点关注接地方式对故障特性的影响，提出接地设计的改进建议，并未涉及保护动作；文献［9-10］讨论了舟山柔性直流输电系统接地设计，主要关注接地方式对换流站内避雷器设计及绝缘配合的影响；文献［11］详细讨论了交流侧大电抗接地方式下MMC-HVDC示范工程故障特性及主后备保护配置情况；文献［12］分别以MMCHVDC系统直流侧、换流器侧、交流侧接地故障为例，分析不同故障特性的影响并提出应对策略。

结合国内外研究现状，本文主要讨论MMC-UPFC的不同接地方式对故障特性及保护配置方案的影响，弥补该方面的研究空白。首先介绍了MMCUPFC的本体结构及接地设计，在此基础上具体提出了仅并联侧变压器（简称并联变）阀侧中性点经大电阻接地、仅串联侧变压器（简称串联变）阀侧中性点经大电阻接地及仅并联变阀侧中性点经小电阻接地3种接地设计，详细分析串、并联分别接地对串联变网侧单相接地故障及相应保护的影响、不同阻值接地电阻对阀侧短引线差动保护及桥臂差动保护灵敏度影响；权衡不同接地方式下故障特性的优劣及对保护配置的影响，结合实时数字仿真（RTDS）结果，给出MMC-UPFC示范工程的接地设计建议，为示范工程接地设计提供参考。

1 MMC-UPFC本体结构及接地设计

1.1 MMC-UPFC本体结构及保护配置

MMC-UPFC本体结构及保护区域划分如图1所示。图中，虚线框1为UPFC的T接线路保护区；虚线框2为变压器网侧保护区；虚线框3为变压器保护区；虚线框4为变压器阀侧保护区；虚线框5为换流电抗器保护区；虚线框6为换流阀桥臂保护区；虚线框7为直流侧保护区。串、并联侧换流器交流侧通过变压器与交流系统连接，直流侧通过直流正负极母线构成背靠背接线形式。在串联变副边绕组并联晶闸管旁路开关，与阀控制保护中子模块闭锁保护配合，实现对串联侧换流器的可靠保护。

根据图1，UPFC本体保护配置如表1所示。

图1 UPFC本体结构及保护分区Fig.1 Overall structure and protection divisions of UPFC

表1 本体保护配置方案Table 1 Protection configuration scheme of UPFC

1.2 接地设计

MMC-UPFC控制策略选用正负序电流解耦控制，并联变网侧为△型接线、阀侧为Y型接线，串联变网侧、阀侧均采用Y型接线。具体仿真参数如表2所示。

表2 仿真系统参数Table 2 Parameters of simulation system

文献［4］讨论了MMC-UPFC交流侧的3种接地方式，这3种接地方式均为串、并联侧采用相似的接地设计，实际工程应用中应注意串、并联侧接地电阻的匹配，若阻抗不匹配则过电压水平由较大的接地阻抗决定，造成绝缘投资浪费，且串、并联侧同时接地，两侧零序形成通路，影响控制器设计［14］，故本文在文献［4］的基础上考虑串、并联侧单独接地的方式，即并联侧单点接地和串联侧单点接地，再根据中性点接地电阻的大小分为大电阻接地和小电阻接地。根据实际工程，重点讨论了并联变阀侧中性点经大电阻（200 Ω）接地、串联变阀侧中性点经大电阻（200Ω）接地和并联变阀侧中性点经小电阻（40Ω）接地这3种接地方式，依次简称为方式1、方式2和方式3。本文首先明确接地点位置的影响，再考虑不同接地电阻阻值的影响。

2 串联变、并联变中性点接地方式的探讨

2.1 串联变、并联变中性点分别接地对故障特性的影响

本文经大量RTDS实验，对比仅方式1与方式2的故障波形，得出2种方式下的故障特性基本一致，仅串联变网侧发生单相接地故障时存在较大差别。以串联变网侧A相接地故障（故障点k位置如图1所示）为例，采用方式1、方式2时的故障波形分别如图2、3所示。

采用方式1时的故障特性分析如下。

a.k点发生单相接地故障时，由于并联变采用△-Y形接线、串联变阀侧和网侧均采用Y形接线且不接地，串、并联变阀侧均不存在零序电流流通路径，即无零序电流耦合至阀侧。故障发生后，串联侧交流系统直接将电压加在串联变网侧绕组，导致网侧绕组端电压、阀侧绕组端电压增大，串联变中性点电压偏移，如图2（a）、（b）所示，但这不影响串联变阀侧对地电压（阀侧对地电压仅存在短暂过渡过程，且幅值波动小），因此也不影响直流正、负极母线电压，如图2（c）、（d）所示。

b.故障点k点位于串联变网侧220 kV直接接地系统，故障发生后，故障点电压，即网侧故障相电压降为0，非故障相电压保持不变，经变压器相位变换（Y侧电压与△侧绕组电压相位相同，考虑并联变中性点电压未发生偏移，阀侧对地电压仅与△侧绕组电压相差变压器变比）后，阀侧B相对地电压不变，A、C相对地电压降为原来的，如图2（e）所示。

图2 方式1下串联变网侧k点单相接地故障波形Fig.2 Waveforms of single-phase grounding fault at grid-side point-k of series transformer in Mode 1

采用方式2时的故障特性分析如下。

a.k点发生单相接地故障，串联变网侧绕组位于220 kV直接接地系统，存在零序电流流通，且由于阀侧绕组中性点经电阻接地，换流阀存在对地电容，零序电流耦合至阀侧绕组，串联变阀侧中性点流过零序电流，产生零序电压，即中性点电压被接地电阻及零序电流箝位，如图3（a）所示。

b.故障点k点右端交流系统提供的短路电流中正序分量小而零序分量大，因此串联变网侧绕组两端压降呈现零序分量的性质，三相电压同相位且数值较大如图4（b）所示。串联变网侧绕组两端压降经串联变耦合至阀侧后，阀侧绕组两端压降加上中性点抬升的零序电压，构成阀侧短引线对地电压，呈现零序性质，且波动幅度大，如图3（c）所示。

c.串联变阀侧短引线对地电压出现大的零序电压波动，造成直流正、负极母线电压及并联变阀侧短引线对地电压的波动，如图3（d）、（e）所示。

2.2 串联变、并联变中性点分别接地对保护配置的影响

由以上分析可知，串联变网侧发生单相接地故障，主要影响并联变阀侧短引线电压、串联变阀侧短引线电压及直流正、负极母线电压，对各电流量基本无影响。而UPFC保护配置仅利用电流量构成，即方式1与方式2对保护配置并无影响。但如图3所示，采用方式2时，并联变阀侧短引线、串联变阀侧短引线严重过压，直流正、负极母线电压波动明显，严重危害绝缘，因此建议选用并联变阀侧接地的接地方式。

图3 方式2串联变网侧k点单相接地故障波形Fig.3 Waveforms of single-phase grounding fault at grid-side point-k of series transformer in Mode 2

3 并联变接地情况下不同接地电阻阻值的影响分析

3.1 不同阻值接地电阻对故障特性的影响

本节重点讨论改变并联变中性点接地电阻阻值大小对故障特性及保护配置的影响，并对示范工程接地电阻阻值提出建议。

不同接地电阻阻值主要影响单相接地故障，以并联变阀侧短引线单相接地故障（故障点为图1中的k1）及串联侧换流器桥臂阀底单相接地故障（故障点为图1中的 k2）为例，故障特性如图4、5所示。图中，ivpac、uvpac分别为并联阀侧交流母线电流和并联阀侧交流母线电压；uvsac为串联阀侧交流母线电压；iD、iU分别为上桥臂阀底电流和上桥臂阀顶电流；ivs为串联阀侧短引线电流。

k1点发生单相接地故障时的故障特性分析如下。

a.正常工况下运行方式为：MMC1换流器工作在整流状态，MMC2换流器工作在逆变状态，能量由并联侧向串联侧传递。因此，k1点发生单相接地故障时，故障电流主要由并联侧交流系统提供，串联侧交流系统及换流器提供较少，即串联侧、换流器侧不发生过流。

b.k1点发生单相接地故障时，采用方式1及方式3情况下的故障特性差异小。并联变阀侧短引线过流程度较低，不影响功率正常传输。

c.采用方式1、3时的故障特征均符合单相接地故障特点，即：故障相电压降为0，中性点电压偏移导致非故障相电压升高为原来的倍，并引起直流正、负极母线电压出现正弦波动及串联变阀侧短引线电压波动，危及绝缘。

图4 k1点单相接地故障波形Fig.4 Waveforms of single-phase grounding fault at point-k1

k2点发生单相接地故障时的故障特性分析如下。

a.k2点发生单相接地故障时，经过一个暂态过渡过程后，采用方式1、方式3均使得换流器桥臂电流呈增大趋势，且随时间呈发散状。不同之处在于采用方式1时的过渡过程较长，桥臂电流增大幅度小，而采用方式3时的暂态过程极短，桥臂电流迅速增大，对换流阀造成严重影响。

b.2种方式下串联变阀侧短引线过流程度均较低，但中性点电压偏置均造成直流正、负极母线电压波动。

图5 k2点单相接地故障波形Fig.5 Waveforms of single-phase grounding fault at point-k2

3.2 不同接地电阻对保护配置的影响

3.2.1 阀侧短引线差动保护

由以上分析可知，k1点发生单相接地故障仅可能影响并联变阀侧短引线差动保护，对串联侧、换流器侧保护无影响。

并联变阀侧短引线差动保护采用常规工频差动保护，利用电流互感器TA3及TA′2的电流构成判据，差动电流及制动电流为：

其中，ITA3、Id2分别为TA3、TA′2的电流。

发生阀侧短引线单相接地故障时，采用方式1及方式3情况下的差动电流及制动电流波形如图6所示。

图6 发生阀侧短引线单相接地故障时的差动电流和制动电流波形Fig.6 Waveforms of differential and restraint currents during single-phase grounding fault of valve-side AC bus

由图6可见，2种方式下的制动电流均基本等于阀侧短引线额定电流，而差动电流值受接地电阻影响较大。由于两侧电流互感器不同型，受电流互感器误差影响，差动保护启动电流宜取0.2IN（IN为额定电流）以上。显然采用方式1，即接地电阻为200 Ω时，差动电流达不到差动保护的启动电流，即不能保证短引线差动保护的灵敏度。采用方式3时差动电流大于差动保护启动电流，保护可正确动作。

3.2.2 换流阀桥臂差动保护

桥臂差动保护采用全波有效值差动，利用三相桥臂阀顶、阀底电流互感器构成，保护换流阀1/2桥臂，以串联换流器上桥臂差动为例，差动电流及制动电流为：

其中，Id7及Id9分别为桥臂阀顶电流互感器TA′7及桥臂阀底电流互感器TA′9电流。

发生串联侧换流器桥臂阀底单相接地故障，接地方式1及方式3差动电流及制动电流波形如图7所示。

图7 发生换流器桥臂单相接地故障时的差动电流和制动电流波形Fig.7 Waveforms of differential and restraint currents during single-phase grounding fault of converter bridge-arm

桥臂差动保护两侧均采用：同型号的高精度光学原理电流互感器，差动保护启动电流可选为0.1IN。采用方式1时的暂态过渡过程中，制动电流减小，差动电流较大，保护可正确动作。采用方式3时，桥臂电流随时间放射状增大，即制动电流增加，但差动电流仍很大，可保证桥臂差动保护的可靠动作。

笔者经过大量仿真实验，证明仅并联变阀侧短引线单相接地短路及并联变阀侧绕组单相接地短路情况下，采用方式1时，相应主保护差动保护不能满足灵敏度要求，具体过程不再赘述。但如图4所示，并联变阀侧短引线单相接地过流程度低，不影响功率的正常传输，可采用并联变中性点零序电流保护短暂延时后切除故障。而采用方式3时，接地电阻阻值过小，导致单相接地故障短路电流大，易造成桥臂子模块过流，不利于装置安全。

综上所述，建议采用方式1，即并联变中性点经大电阻（200 Ω）接地。

4 结论

本文论述了3种MMC-UPFC交流侧接地方案，通过理论分析和仿真验证，重点分析接地点位置对串联变网侧单相接地故障及对应保护的影响，以及接地电阻阻值对阀侧短引线单相接地故障、换流器桥臂单相接地故障及相应保护的影响，得到如下结论。

a.采用串联变中性点经大电阻接地，串联变网侧发生单相接地故障时，阀侧存在零序电流流通回路，中性点流过零序电流，抬升中性点零序电压，阀侧对地电压为中性点电压叠加阀侧绕组端电压，导致阀侧对地严重过压。

b.接地电阻阻值较大时，发生并联变阀侧单相接地短路，阀侧短引线差动保护灵敏度可能不足。但阀侧单相接地故障本身过流程度低，不影响功率的正常传输，可采用后备保护延时切除。

c.综合理论分析与RTDS实时数字仿真验证可知，MMC-UPFC示范工程在现阶段宜采用的接地方式为仅并联变阀侧中性点经大电阻接地。

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