基于混合旁路MMC-HVDC直流故障隔离技术研究

谢志德 杨明发

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

基于混合旁路MMC-HVDC直流故障隔离技术研究

谢志德 杨明发

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）在直流电网中具有较大的应用潜力。当前各类MMC拓扑中，半桥型 MMC具有最佳经济效益，但缺乏直流故障清除能力。针对柔性直流架空线路频发的瞬时性直流故障，本文提出了一种模块化多电平混合旁路直流故障隔离方案。当直流侧发生故障时，导通旁路晶闸管，利用避雷器去除桥臂剩余电流并用快速机械开关迅速隔离直流线路。混合旁路故障隔离方案能够快速隔离换流站与直流线路，并可以在隔离后迅速起动换流器做STATCOM运行。通过在PSCAD/EMTDC建立双端柔性直流输电仿真模型。

模块化多电平换流器（MMC）；混和旁路；双极短路故障；就地保护；双晶闸管子模块

模块化多电平柔性直流输电技术（MMCHVDC）已成为一种新型的灵活输电方式，适合于新能源并网、孤岛供电、特大型城市电网输配电、交流电网互联等多种应用场合[1-5]。目前已有的MMC柔直工程都使用半桥型模块化多电平换流器，由于半桥型多电平换流器不具备直流故障隔离的能力，直流侧发生故障只能依靠交流侧交流断路器清除故障，系统恢复时间长，所以实际工程中不得不选择造价昂贵的电缆作为输电介质，电缆直流侧发生故障必为永久性故障，必须停电检修[6-8]。利用直流断路器快速清除直流故障是最直接有效的手段，然而因为故障电流没有自然过零点，灭弧困难，所以高压、大容量的直流断路器无在技术和成本上都面临着巨大的挑战[9]。2013年ABB公司提出一种320kV混合式高压直流断路器的设计方案，其断开电流的时间为 5ms，开断电流的大小为9kA[10]。但其开合电压高，需串联上百个 IGBT管，控制复杂，价格昂贵，目前还没有商业化应用。

利用交流侧的断路器切断直流系统与交流系统的连接。当直流侧发生故障将故障转移到交流侧时，使交流侧的断路器断开，系统停止运行，这也是目前柔性直流输电工程所使用的保护方案。文献[9]提出基于双晶闸管半桥子模块直流故障隔离方案，故障后通过导通双晶闸管为交流提供通路，将直流故障转换成交流侧三相短路，从而阻止交流侧电源向直流故障点继续流入短路电流，让直流线路的故障电流自然衰减到零。该方法对交流系统的稳定性影响很大，且直流故障电流清除时间长。本文将单晶闸管子模块的晶闸管独立串联成一新的旁路桥臂，并结合混合高压直流断路器中采取避雷器吸收直流故障能量的方法，提出一种基于混合旁路直流故障快速隔离的方案，并分析了故障隔离机理。运用文献[11]提出的直流故障就地保护方案，快速检测直流故障，并进行快速隔离控制方案。最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台，通过仿真实验证明了该混合旁路故障隔离方案的可行性与在隔离速度上的快速性。

1 单晶闸管和双晶闸管的直流故障处理方案

1.1 直流故障分析

柔性直流系统直流故障主要有3种，即单极接地故障、双极短路故障和短线故障，其中双极短路最为严重，因此本文主要根据双极短路故障为例对直流故障隔离技术进行研究。

为了保护子模块的IGBT，检测到直流故障后，IGBT迅速关断，IGBT关断后换流器内部的续流二极管构成一个不控整流桥，使交流侧通过不控整流桥向直流侧提供故障电流，如图1所示。因此，系统直流侧、交流侧以及换流器内的故障电流将长期存在，因为故障回路阻抗很小，导致故障电流很大，所以必须采取措施实现故障线路的快速切除。

图1 故障后不控整流阶段等效电路

1.2 基于晶闸管的故障隔离策略

图 2（a）、（b）分别为基于单晶闸管和基于双晶闸管子模块电路图。对于单晶闸管主要目的是当直流故障发生后，打开晶闸管以实现对半桥子模块中二级管的分流，避免续流二极管的过流危害。该方法并不能阻止交流源给直流故障点提供故障电流，因此，从单晶闸管衍生出了双晶闸管隔离方法（b），当故障发生直流故障后交流电流通过两个反向的晶闸管形成回路，由于换流器6个桥臂完全对称，相当于在换流器位置发生了三相短路故障，因此交流侧也无法继续向故障点注入电流。对于直流侧，故障电流将由桥臂电抗器的续电流提供，最终自然衰减到零实现直流故障清除。

图2 基于单晶闸管和双晶闸管子模块

2 基于混合旁路的直流故障隔离方案

2.1 故障隔离方案原理

根据晶闸管法存在的问题，本文使用如图3所示的混合旁路方案。其原理如图 3（a）、（b）所示将原单晶闸管子模块中的晶闸管独立出来串联构成一个由GTO串联的晶闸管旁路桥臂，该桥臂只有在直流侧发生故障才起作用，在旁路桥臂中加入限流电阻来限制故障电流。换流站出口处两个串联大电阻接地来构造虚拟零电位，建立伪双极柔直输电系统。而在晶闸管桥臂与子模块桥臂之间串一个混合开关，如图3（c）所示。混合开关由电力电子开关、避雷器和快速机械开关，利用混合开关上的避雷器来吸收旁路桥臂导通后子模块桥臂上桥臂电抗器的剩余能量，使电流降为零，实现快速机械开关的零电流开断。换流器正常运行时，旁路桥臂闭合不起作用。当直流侧发生故障时，迅速闭合子模块中的IGBT，同时导通旁路桥臂的晶闸管，将故障电流迅速转移至旁路桥臂电路，然后闭合混合开关上的IGBT，等电流下降到零时打开快速机械开关，隔离直流故障。机械开关打开后就可解锁子模块。

图3 混合旁路故障隔离原理图

2.2 直流故障隔离步骤

1）假设t0时直流侧发生短路故障，根据就地保护方法，当直流电压达到3倍额定电流时判断为发生直流故障，即t1时刻。t1时刻关闭MMC上所有的IGBT，同时使SRB上的晶闸管导通（导通角α =0°）。

2）间隔几微秒（确保旁路桥臂上所有的晶闸管都触发）t2时刻关闭混合开关上所有的IGBT。当旁路桥臂完全导通后，子模块桥臂和旁路桥臂两端就形成了一个最小电压差，这时候关断混合开关的IGBT的损耗也更低。t2～t3这段时间利用避雷器将子模块桥臂上电抗器的储能清除，子模块桥臂和旁路桥臂两端的电流降为零，以实现快速机械开关零电流打开。

3）当混合开关母线上电流降到零时，t3时刻给快速机械开关脱扣信号，实现零电流打开，快速机械开关打开时间为2ms[12]。

4）t4时刻快速机械开关处于打开状态，关断晶闸管的触发信号去除故障电流。当MMC与直流电路完全隔离后，子模块桥臂可以立即重起来作为静止无功补偿器（STATCOM）给交流线路提供无功补偿。

5）t5时刻故障短路电流降为0，开始重起系统。

3 仿真结果验证及分析

3.1 仿真系统及参数设定

为了验证本文混合旁路直流故障隔离方案的可行性，在PSCAD/EMTDC中搭建了如图4所示的双端测试系统，系统参数见表 1。换流站 1采用定有功功率和无功功率控制，稳定情况下向直流侧输出300MW的功率；换流站2采用定直流电压和无功功率控制。两个换流站之间通过架空线路相连其额定容量为300MWA。

图4 双端测试系统

表1 仿真系统参数

3.2 双晶闸管故障隔离方案仿真

该仿真换流站使用如图2所示的基于双晶闸管子模块，图5为仿真结果波形图，图5（a）为交流侧电流，图5（b）为直流侧电流，图5（c）为桥臂电流。其中，假设双级金属性故障发生t=4s时刻，故障持续故1s，故障点与换流站1的距离为10km。从图中可以看出，故障发生后电流迅速上升，当电流上升到3倍额定电压，即t=4.00065s时刻关断子模块的 IGBT管同时触发子模块上的双晶闸管阻止交流侧继续向直流侧注入故障电流。由直流侧电流可以看出，打开晶闸管后，故障电流开始缓慢下降直到t=4.15s时故障电流降为零为止。所以双晶闸管法实现故障线路切除所需的时间为 150ms，这一速度无法满足直流系统保护方案的要求。

图5 双晶闸管故障隔离仿真结果

3.3 混合旁路故障隔离方案仿真

图6 混合旁路故障隔离仿真结果

图6为使用混合旁路故障隔离技术方案各电流仿真波形。假设在t0=4s时，距换流站1出口10km处发生双极短路故障。从图中可以看出，故障发生后，故障电流快速上升，到达 t1=4.0006s时刻直流电流达到额定电流的3倍，此时判断为直流故障。所以，在t1=4.0006s时刻关断所有子模块上的IGBT，同时导通旁路晶闸管，延迟50μs后，即t2=4.00065s时刻闭合混合开关上的 IGBT，从图 6（b）、（c）、（d）（e）、（f）可以看出导通旁路桥臂后，故障电流转移到混合旁路，故障电流继续增大。关断混合开关后，从图 6（d）、（e）可以看出子模块桥臂电抗的电流由避雷器吸收开始下降，经过 2.2ms后，即t3=4.00285s时子模块桥臂电流全部降为零，此时混合开关快速机械开关上的电流为零，给快速机械开关出发信号。2ms后，即t4=4.00485s时快速机械开关完成打开动作，实现了故障点与 MMC换流器的物理隔离。在t4=4.00485s时关闭旁路桥臂晶闸管的触发信实现故障电流清除，由图 6（b）、（c）、（f）可以看出故障到t5=4.0125s时，故障电流衰减到零。根据仿真可以得出实现直流故障隔离所需的时间为4.85ms。直流故障电流清除的时间为12.5ms。在双极短路故障隔离具有快速性，远远快于双晶闸管故障清除的150ms。

3.4 故障隔离后换流站作STATCOM仿真

当 MMC换流器与直流故障实现物理隔离后（快速机械开关断开后）就可换流站起动做静止无功补偿器（STATCOM）运行。将换流站1的定有功功率和定无功功率控制转换成定直流电压和定无功功率控制。由前文可知当t=4.00485s时MMC换流站以实现与直流故障的物理隔离。所以在 t=4.010s时，将换流站1转换成定直流电压和定无功功率控制，转流站2原来就是定直流电压和定无功功率控制，额定直流电压为 320kV，额定无功功率为 0。仿真波形如图7所示。从图7可以看出，MMC重起后电压经过短暂的振荡后重新恢复到额定电压。

图7 MMC换流器重起作STATCOM运行直流电压

4 结论

MMC柔性直流输电系统在出现直流故障后，鉴于换流器内部续流二极管使故障电流长期存在，必须采取相应措施实现故障快速隔离。双晶闸管经济性、损耗、控制复杂性具有一定的优势，但其存在故障电流清除时间过长的不足。本文提出将单晶闸管法的晶闸管独立串联出来并加入混合开关来快速隔离直流故障。在PSCAD/EMTD内建立双端MMC直流模型进行仿真实验。实践验证了混合旁路故障隔离方案在直流故障隔离具有可行性和快速性，该隔离方案能够快速解锁子模块使换流站作STATCOM运行。基于混合旁路的换流器在 MMC柔性直流输电系统工程的应用中具有应用更少的开关元件及二极管器件能快速实现直流瞬时故障和永久故障隔离的优点，可进一步的降低投资成本。

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Reserch on the DC Fault Isolating Techique base on Hybrid Bypass in MMC-HVDC

Xie Zhide Yang Mingfa
(College of Electrical & Automation Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

Modular multilevel converter (MMC) with half-bridge sub-modules (SMs) is the most promising technology for high voltage direct current (HVDC) grids, but it lacks DC-fault clearance capability.Aiming at the frequent transient DC faults in flexible HVDC, the paper proposes a way of DC fault isolation based on hybrid bypass in MMC-HVDC. When DC-fault occurs, get the bypass thyristor connected, then remove the residual current of the bridge arm by virtue of arrester and isolate the DC line by a fast mechanical switch. Hybrid bypass DC-fault isolation scheme can isolate immediately the MMC and DC transmission line, and the MMC is capable of operating in STATCOM mode after fault isolation. A model of a two-terminal monopolar HVDC grid is developed in PSCAD/EMTDC.

modular multilevel converter (MMC); hybrid bypass; DC bipolar short-circuit fault;local action; DTSS

谢志德（1992-），男，福建省泉州市人，硕士研究生，研究方向为柔性直流输电直流故障保护研究。