基于MMC的电力电子变压器保护系统研究*

周廷冬，徐永海

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206)

0 引 言

近年来，随着智能电网、可再生能源以及特高压技术的发展逐步引出了能源互联网的概念，为实现能源互联网中多源、多负荷之间的传输及变换则需要使用能量路由器。电力电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)拥有较多的可接入端口，可以方便的实现电能在交直流、高低压之间的传输及变换，便于可再生能源与电动汽车等接入，因此可作为能量路由器的核心设备，应用前景广阔。

PET发展至今已有多种不同的拓扑结构[1-3]，但为了满足能量路由器的需要，拥有多端口接入的三级型PET拓扑成为了研究热点。目前，三级型PET主要有级联H桥(Cascaded H Bridge，CHB)型和模块化多电平(Modular Multilevel Converter，MMC)型两种拓扑。MMC已在高压直流输电领域得到了广泛的应用，具有模块数及电压等级灵活可调、输入谐波含量低等优点，将其应用到PET中还可显著减少高频变压器以及功率器件的数量[4]，因此，MMC型PET在未来应用中拥有较强的竞争优势。

除了研究适用于能量路由器的PET拓扑以及相应的控制策略之外，PET在实际应用中其保护系统也是必不可少的环节，对于提高PET的可靠性以及其所在系统的安全稳定运行均具有重要意义，但目前鲜有文献研究PET的保护系统。文献[5]将PET应用到未来可再生能源传输与管理系统(Future Renewable Electric Energy Delivery and Management, FREEDM)中，提出了适用于微型电网的分层式保护方法，但却没有研究PET本身的保护系统。文献[6]对CHB型PET在外部电网故障、雷击过电压及非理想负荷等对电力电子变压器的影响及相应的保护配置要求进行了研究，但与MMC型PET的故障特征以及保护系统有较大的区别。

针对MMC型PET的保护系统开展研究，配置其保护系统，针对不同类型的故障提出相应的保护策略，最后基于PSCAD仿真平台对所提PET保护策略进行仿真验证，证明了其正确性与可行性。

1 PET原理及保护配置

所研究的MMC型PET为三级型拓扑，分为输入级、隔离级和输出级。输入级MMC采用定直流电压双闭环解耦控制策略，子模块采用工程中应用较多的最近电平逼近以及排序均压控制[7]，将交流输入电压转换为直流电压；隔离级采用双有源桥(Dual Active Bridge, DAB)结构，两端为H全桥结构，中间为高频变压器，DAB采用输入串联输出并联的连接方式，两侧H桥采用开环控制，触发脉冲同相位，将MMC输出的直流电压转换为高频方波，经高频变压器降压之后再经过DAB中的H桥整流为低压直流输出；PET的输出级为VSC逆变器，同样采用双闭环解耦控制方法，将DAB输出的直流电压转换为交流输出电压，为交流负荷供电。

图1 基于MMC的PET主电路拓扑、测点及保护配置Fig.1 Main circuit topology, measuring point and protection configuration of MMC based PET

实际工程应用中需要为PET配置接地方式，考虑到交流配电网电力变压器低压绕组一般为Δ型接线方式，即与PET输入侧相连的交流电网没有中性点，因此选取交流配电网中应用广泛的接地变压器[8]构造接地点实现PET系统的接地。基于MMC的PET主电路拓扑[4]以及其配置的测点与保护类型如图1所示，主要对交流输入侧输电线、MMC桥臂电抗器、MMC直流线路、DAB中的高频变压器、DAB输出直流线路以及交流输出侧输电线配置保护，此外，对于PET装置本体以模块为单位(包括MMC子模块、隔离级H桥和输出VSC逆变器)，为其配置相应的冗余保护。上述保护配置基本涵盖了PET所有故障点，能够较好的应对PET可能出现的各种故障类型。

由于故障类型及保护较多，选取几种MMC型PET中特殊存在的故障以及保护配置进行详细说明，并对其正确性和有效性进行仿真验证，包括交流输入侧接地电阻对保护配置的影响，MMC直流双极短路故障的应对策略。

2 故障特性分析及保护策略

2.1 接地电阻的选择

2.1.1 故障分析

PET系统交流输入侧采用接地变压器接地，接地变压器为Z型接线方式，当发生单相接地故障时，接地变压器对正序和负序电流呈现高阻抗，而对零序电流呈现低阻抗，该零序电流可通过接地变压器接入的电阻进行抑制，从而减小接地故障电流。因此，接地电阻的取值决定了接地故障发生后的接地电流大小，此外，当PET输入级MMC发生单极接地故障后，故障点与接地变压器接地点会形成放电回路，接地电阻的取值同样会影响该放电回路的故障电流。交流输入侧发生单相接地故障后的输电线路零序放电回路和MMC直流线路发生单极接地故障下的等效放电回路如图2所示。图中，Z0表示交流线路故障点与接地变压器之间的零序阻抗，XG、RG分别表示接地变压器的等效电抗和接地电阻，Iup表示MMC单极接地瞬间桥臂电流，L0表示MMC桥臂电感，C0表示MMC子模块电容，N表示MMC每桥臂子模块个数，2C0/N表示放电回路的等效电容，Rf表示故障点过渡电阻。

图2 故障等效电路Fig.2 Fault equivalent circuit

由图2可以看出，接地变压器接入电阻的取值对交流单相接地故障以及直流单极接地故障的故障电流均有影响，阻值过小则直流单极接地故障的放电电流过大，阻值过大则交流零序回路阻抗变大，不利于交流系统及时发现故障。

交流系统单相接地故障后的零序回路较为简单，不做详细讨论，重点介绍直流单极接地故障后的故障电流特性。由图2(b)所示等效电路可知，该故障回路的放电过程为RLC二阶电路零输入响应，其初始条件为：

式中Udc表示直流侧电压，求解二阶动态电路的微分方程可得故障回路电流为：

(2)

式中：

根据式(2)，故障后的电流随时间的变化关系如图3所示。

图3 故障电流随时间变化曲线Fig.3 Curve of fault current changes with time

故障发生后，直流电压参考电位将发生变化，MMC的单相数学模型可表示为：

式中ua、ub、uc分别表示交流系统三相电压；U表示其有效值；UPO、UNO分别表示直流正负极电压；uap、uan分别表示MMC上、下桥臂电压。因此单极接地故障发生后(以正极为例)，正极电压变为零。

UPO=uap+ua=0

(9)

结合式(7)可得交流侧电压：

再由式(8)得到负极直流母线电压：

因此，根据式(9)和式(11)可知，单极接地故障后接地极电压降为零，非故障极电压升高为故障前两倍，但保持直流极间电压不变，因此对PET隔离级不会产生影响。

根据以上故障分析，提出以下保护策略以提高PET的供电可靠性：

(1)由于直流单极接地故障后极间电压保持不变，仍可对PET隔离级及输出级供电，因此可考虑故障后仍持续运行一段时间(如2 h)，需要注意的是应加强直流线路的短时绝缘强度；

(2)由于接地变压器接地电阻对交流接地故障和直流单极接地故障都有影响，因此提出正常运行时接入较小阻值，当检测到直流单极接地故障后投入大电阻对故障电流进行限制，投入大电阻的故障判据可表示为：

式中假设故障极为正极，故障极为负极时的判据类似，Δ1表示低电压判据；Δ2表示过电压判据，理想情况下Δ1值接近于0，Δ2值接近于1，考虑过渡电阻的影响，可将其进行适当调整(例如取Δ1=0.1，Δ2=0.9)；

(3)根据(2)中保护策略，直流单极接地故障发生后系统仍可持续运行一段时间，在此期间直流不平衡保护发出报警信号，便于运维人员检修排除故障，超过一定时间之后，若故障仍然存在则直流电压不平衡保护动作切除故障。

2.1.2 仿真验证

为对上述故障分析结果以及所提保护策略进行验证，基于PSCAD仿真平台搭建了仿真模型，参数如表1所示，仿真中设定0.3 s发生故障。

表1 PET仿真模型参数Tab.1 Simulation model parameters of PET

图4所示为交流系统A相发生单相接地故障后，接地变压器取不同接入电阻情况下的PET交流出口处A相电流有效值仿真结果。根据仿真结果可知，接地变压器接入电阻越大，则A相电流越接近正常值，从而不利于故障的发现与排除。

图4 不同电阻时输电线路A相电流有效值Fig.4 RMS of phase A current in transmission line with different resistances

图5所示为PET输入级MMC发生直流正极接地故障后的仿真结果。由图5(a)可知，故障发生后MMC子模块会形成放电回路，由于未采取保护措施因而子模块电压呈现工频振荡现象；图5(b)中直流接地极电压变为0，非接地极电压升高为故障前2倍并伴随3倍频振荡，这是由于MMC三相子模块电压振荡所致；图5(c)所示为接地变压器接入不同电阻之后的故障电流有效值变化关系，增大接入电阻之后可以显著减小故障电流，并且抑制了非故障极的电压振荡，如图5(d)所示。因此，所提保护策略可提高直流单极接地故障下的系统运行可靠性。

图5 直流正极接地故障仿真结果Fig.5 Simulation results of DC positive grounding fault

2.2 MMC直流双极短路故障

2.2.1 故障分析

MMC直流双极短路故障是直流侧最严重的故障类型，对于MMC型PET而言，MMC与DAB之间的连接母线非常短，且位于装置内部，因此发生双极短路故障的概率非常低，暂不做考虑。PET的中压直流母线需要接入直流电网时，如图1所示，则直流线路发生双极短路的可能性变大，因此主要分析直流线路双极短路故障对PET的影响。

根据图1所示PET拓扑，直流线路发生双极短路故障之后，输入级MMC和隔离级DAB均会存在放电回路。故障发生后，PET保护动作前交流系统会通过MMC向直流侧馈入电流，同时MMC子模块也会通过故障点迅速放电[7]，此外，由于隔离级DAB采用输入串联输出并联的连接方式，输入侧串联电容也会通过直流故障点迅速放电，产生严重的冲击电流。

MMC采用半桥子模块后发生双极短路故障后，由于半桥子模块不具备故障电流抑制能力，因此在子模块闭锁之后，交流系统仍然可以通过反并联二极管向直流侧馈入电流，该部分内容已有较多文献进行分析，不再详述，详细内容可参考文献[7]。为了克服半桥子模块的上述不足，采用具有直流故障电流抑制能力的箝位双子模块(Clamp Double Sub-Module，CDSM)拓扑替换半桥子模块，用于闭锁后限制故障电流。

文献[9]分析了CDSM的原理以及直流故障电流抑制机制，但并未分析引入CDSM所带来的问题。由于MMC的直流保护判据需要用到桥臂电流值[10]，因此故障发生后直流保护动作时桥臂电流已经增大到较大的值，而由于桥臂电感电流不能突变，当桥臂电流超过保护定值闭锁MMC之后，桥臂电流中所存储的能量将会回馈到CDSM的电容中，由于该部分能量较大，将不可避免的导致电容出现过电压[11]。CDSM闭锁之后的故障电流通路如图6所示，图中C1、C2表示子模块电容。

图6 CDSM闭锁后故障电流通路Fig. 6 CDSM fault current path after blocking

根据文献[9]所述CDSM工作原理，正常运行情况下电流不流经箝位二极管，即图6中的D6、D7，因此为解决上述CDSM闭锁之后引起的电容过电压问题，采用箝位二极管串联阻尼电阻的方法[11]耗散桥臂电流能量，降低子模块电容电压，加入阻尼电阻之后的CDSM拓扑如图7所示，图中Rd表示阻尼电阻。正常运行时由于箝位二极管的作用阻尼电阻不会投入，故障闭锁后故障电流流经子模块电容、阻尼电阻和箝位二极管，因此阻尼电阻可以分担桥臂电流中的一部分能量。

图7 加入阻尼电阻的CDSM拓扑Fig.7 CDSM topology with damping resistors

闭锁后阻尼电阻耗散的能量以及所承受的电压可以表示为：

式中W表示阻尼电阻中消耗的能量；t0和ts分别表示起始和终止时刻；if表示故障电流；URd表示阻尼电阻所承受的电压。W和URd是图7中阻尼电阻选取的重要指标，如果阻尼电阻上消耗的能量过大，则不利于子模块散热，Rd承受的电压过大则需要增加其电压等级，增加成本。因此，阻尼电阻需要满足上述指标的要求。

对于隔离级DAB而言，串联电容在直流侧发生双极短路之后也会通过故障点形成放电回路，其等效电路如图8(a)所示，其实质为RC放电回路，图中C/M表示DAB串联侧等效电容，M表示DAB个数，Rf表示过渡电阻。由于电容串联之后其值减小为之前的1/M，故障点的过渡电阻也不会很大，因此导致放电回路的时间常数很小，同时由于直流电压较大，因此会在故障瞬间产生严重的冲击电流。为了减小冲击电流对电容可能造成的损害，采用在直流输电线路出口处添加平波电抗器的方法，由于电感电流不能突变，因此可以限制故障电流上升率，改造之后的等效电路如图8(b)所示，其实质变为RLC放电回路，图中LX表示平波电抗器中的等效电感。

图8 DAB串联侧放电等效电路Fig.8 DAB series side discharge equivalent circuit

2.2.2 仿真验证

MMC采用半桥子模块时，直流输电线路发生双极短路故障后的仿真结果如图9所示，仿真中设定0.3 s发生故障，检测桥臂过电流650 A(可根据IGBT所能承受的过电流选取)，之后延时2 ms闭锁PET，0.5 s断开交流输入侧断路器。根据仿真结果可知，故障后虽然及时闭锁了PET，但是直流故障电流仍然存在，这是由于半桥子模块不能抑制故障电流，交流系统仍可以向直流侧继续馈入电流所致，这种情况一直持续到交流侧断路器断开；DAB电容迅速放电，出现非常大的冲击电流。

图9 半桥子模块仿真结果Fig.9 Simulation results of half bridge sub module

为解决上述问题，采用CDSM替换半桥子模块，并在直流线路出口加入10 mH平波电抗器，仿真中设定0.3 s发生双极短路故障，检测桥臂过电流650 A，之后延时2 ms PET闭锁，改进之后的仿真结果如图10所示。由图10可知，采用CDSM的PET在故障闭锁之后直流侧电流得到抑制，经一段时间的衰减之后降为零；由于直流线路出口平波电抗器的作用，DAB串联侧电容电流得到了明显的抑制。

图10 改进拓扑仿真结果Fig.10 Simulation results of improved topology

图10中直流侧电流在PET闭锁之后电流出现一定的衰减期，这是由于桥臂电感中的电流不能突变，而此部分闭锁之后的电流会流经CDSM中的电容，对其进行充电，从而导致电容过电压，因此可通过在CDSM箝位二极管串联阻尼电阻的方法消耗部分能量以减小电容过电压。阻尼电阻选取0 Ω、1 Ω、3 Ω、5 Ω时的仿真结果如图11所示。与加入阻尼电阻之前相比，电容过电压得到了有效的抑制，阻尼电阻越大，过电压抑制效果越明显，同时阻尼电阻中消耗的能量也会相应的增加，其所承受的最大电压相应升高，应合理选择阻值以降低对子模块散热造成的影响并降低成本。

图11 加入阻尼电阻后的仿真结果Fig.11 Simulation results after adding damping resistors

3 结束语

PET的保护系统配置是其实际应用中必不可少的环节，针对基于MMC的PET中可能出现的故障类型配置了相应的保护方法。详细分析了接地电阻对交流接地故障和PET输入级MMC直流单极接地故障下故障特性的影响，并提出正常运行时接入小电阻，检测到直流单极接地故障后投入大电阻的运行保护策略；对MMC直流双极短路中PET闭锁后引起的CDSM电容过电压问题以及DAB串联电容产生冲击过电流现象的原因进行了分析，并采用在CDSM箝位二极管串联阻尼电阻以及直流线路出口加入平波电抗器的改进方法。最后通过PSACD仿真对以上故障及保护策略进行了验证，证明了其正确性与有效性。