基于多电平换流器的直流配电网极间短路故障保护分析

格日勒

(锡林郭勒职业学院 教育系， 内蒙古 锡林浩特 026000)

0 引言

与传统形式的电网换相型换流器相比，多电平换流器能够有效降低换相过程中发生失败的概率，优化输出性能，并且对直流配电网发挥了越来越重要的作用[1-3]。利用MMC实现的直流配电网出现极间短路的情况时，将会引起子模块电容发生瞬间放电的现象，在数毫秒的极短时间中便到达峰值故障电流，严重破坏子模块中的各工作器件。由此可见，设计可靠的直流故障保护方法已经成为建立直流配电网的一项关键技术[4-7]。对直流侧开展故障测试分析已经成为保护直流配电网的一项重要方法，目前对这方面进行研究的文献报道也较多[8]。其中，由学者在不考虑暂态变化的情况下为子模块设置数量实时变动的电路结构分析方法，全面分析了MMC直流侧出现单极接地以及极间短路问题时形成的等值电路模型，可将其作为构建保护策略的参考依据[9]。学者根据FBMMC对短路电流进行清除的性能，设计了一种快速应对单极对地短路的保护方案，能够使直流侧在低阻抗接地的条件下防止直流断路器发生跳闸的问题，从而实现功率传输过程的快速恢复，但是采用此方法并没有对过渡电阻产生的影响进行分析[10]。

本文主要研究了通过不同拓扑结构MMC来实现的双端直流配电网系统，构建了数学模型并推导得到暂态电压电流表达式。之后为HBMMC构建了综合运用桥臂限流模块以及直流断路器进行保护的策略，可以同时实现故障的快速断开并有效控制开断容量。

1 直流配电网电路模型

本文选择双端直流配网拓扑结构，对10 kV直流线路进行了保护测试，如图1所示。

从图1中可以看到双端11电平MMC直流配电网的结构模型。按照Y接地的形式构建直流侧变压器，从而避免直流侧产生过电流的问题，故障极的母线电压为0，同时非故障极的电压增大至与直流侧电压相等的状态[11]。如果直流线路耐压满足要求，则不需要闭锁换流站，此时系统依然可以继续运行。但发生极间短路问题时将会形成过电流并对直流配电网系统造成严重损害，根据以上分析，本文重点分析了直流侧极间短路发生故障的问题并提出了相应的保护策略。

图1 直流配电网模型

2 极间短路故障保护

2.1 极间故障特性

出现HBMMC直流侧极间短路的情况时，在直流模块中的每相桥臂子模块二极管将短路电流引入直流侧的故障部位，并且SM电容可以利用IGBT2对短路点实施放电，对单相桥臂进行分析得到的放电路径,如图2所示。

图2 闭锁前放电路径

当换流器未闭锁时，短路电流由SM电容放电决定，可以计算出直流侧的故障电流以及桥臂电容电压，如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

当换流器发生闭锁时，形成的短路电流依然包含二个部分。这时桥臂电抗利用二极管续流以及直流系统将短路电流引入故障部位，得到如下所示的直流侧电流，如式(3)、式(4)。

(3)

(4)

2.2 故障保护策略

通过以上分析可以发现，在直流电缆上出现极间短路故障后，由HBMMC闭锁形成的故障电流发生了缓慢的暂态衰减，同时达到很高的稳态幅值。对HBMMC直流配网极间短路进行保护的流程,如图3所示。

图3 直流配网保护策略

3 FBMMC极间短路故障保护

3.1 FBMMC极间故障特性

通过FBMMC实现的直流配电网发生换流器闭锁之前形成的极间短路故障跟HBMMC相近[12]。但两者也存在一定的差异性，其中，FBMMC换流器发生闭锁之后，不管故障电流呈正向还是负向分布状态，在二极管具有的单向导通特性，SM电容将一直处于充电的状态[13]。当SM电容受到反电动势影响时电流将会快速减小，实现对故障电流的去除功能。FBMMC换流器发生闭锁时在单相桥臂上形成的放电回路，如图4所示。

图4 闭锁后放电回路

以下显示了故障电流与桥臂电容电压的计算式,如式(5)、式(6)。

(5)

(6)

3.2 FBMMC故障保护策略

根据以上分析内容可以发现，当SM发生闭锁之后，FBMMC能够对故障电流进行高效清除。因此本文设计了一种经过改进处理的对FBMMC直流配网极间短路进行保护的方案，具体流程,如图5所示。

图5 直流配网保护策略

4 仿真验证

4.1 仿真平台

采用图1的双端直流配电网模型对HBMMC与FBMMC直流配网发生极间短路故障的状态进行了测试并验证了保护策略的有效性，仿真测试的各项参数,如表1所示。

表1 系统仿真参数

4.2 极间短路保护策略仿真分析

对HBMMC直流配网的保护策略有效性进行仿真测试。设定系统在0.5 s的时候持续直流极间短路问题，故障点与换流器的直流出口间距为5 km。该系统的仿真测试结果,如图6所示。

(a) 直流线路电流

(b) 直流线路电压

当系统发生故障时，引起直流电流快速增大的现象，同时在直流侧的电压迅速减小。采取低电压过电流保护措施，经过2 ms延迟处理使换流器发生闭锁，从发生故障到完成闭锁的阶段直流电流从原先的0.4 kA增大到了1.8 kA。同时，换流器还在桥臂上构建了限流模块，使直流电流快速减小，到达0.52 s时符合直流断路器的开断要求，到达4 ms时直流断路器被断开。与2.1节内给出的1.75 kA稳态直流相比，设置限流电阻能够明显降低电流值。通过上述仿真测试可以发现，故障限流模块除了可以减小稳态电流以外，还能有效控制断路器成本，同时避免极间短路时在直流侧形成过电流的冲击问题。

4.3 FBMMC极间短路保护策略仿真分析

采用FBMMC直流配网保护策略可以使暂态极间短路故障以更快的速度恢复，当发生永久短路故障问题时，需通过直流断路器进行跳闸的方式使故障被清除掉。实际仿真测试结果,如图7所示。

(a) 直流线路电流

(b) 直流线路电压

直流侧电流由原先的0.3 kA快速增大为1.8 kA，电压则快速降低。根据以上故障电气量可以实现保护判定模块的快速处理，经过2 ms延迟,各个IGBT2触发信号都被断开。当阀控系统接收到故障点的弧道熄灭信息后，经过5 ms延时将对换流器实施解锁操作。

5 总结

(1) 当SM发生闭锁之后，FBMMC能够对故障电流进行高效清除，本文设计了一种经过改进处理的对FBMMC直流配网极间短路进行保护的方案。

(2) 当系统发生故障时，引起直流电流快速增大的现象，在直流侧的电压迅速减小。故障限流模块除了可以减小稳态电流以外，还能有效控制断路器成本，避免极间短路时在直流侧形成过电流的冲击问题。

(3) 直流侧电流由原先的0.3 kA快速增大为1.8 kA，电压则快速降低，可以实现保护判定模块的快速处理，经过2 ms延迟,各个IGBT2触发信号都被断开。