MMC-HVDC直流侧故障分析*

杜少华， 高 昕

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

随着电力电子技术和电力系统的飞速发展，多端柔性直流输电系统在这些领域都有着光明的前景，也受到了国内外众多学者的关注。2001年，MMC这种新型的电压源换流器，被德国学者Lesnicar和Marquardt首次设计出来。

柔性直流输电系统能够较容易控制，有着很强的系统灵活度，能独立地调节有功和无功，潮流反转更快速。这些优点使得柔性直流输电在电网互联、城市配电网增容、新能源并网等方面有着光明的未来[1-3]。但现阶段仍有不足之处：发生故障后，无法实现故障快速清除；适合高压场合的直流断路器制造水平不够先进；作为输电线路的电缆造价昂贵。这些问题阻碍了柔性直流输电的发展和应用。文献[4]主要探究了最近电平逼近调制策略，保证MMC换流器输出的交流电压逼近调制波；文献[5]运用了电容均压控制策略，可以实现桥臂电流电荷的快速均匀分配，保证子模块电容电压的一致性；文献[6-7]探究了MMC的环流问题以及控制方法，通过设计相应的控制器，实现环流抑制。在系统运行时，直流侧发生各种故障是在所难免的，所以如何解决直流侧故障是一个很大的挑战。

面对直流侧存在的3种故障问题，给出适用于MMC-HVDC系统的控制方法，设计并改进相应的控制器，对直流侧故障开始仿真。从仿真结果可知：给出的控制方法可以使MMC-HVDC系统在故障发生后能较快地恢复稳态运行，为之后的故障保护提供思路。

1 MMC直流输电系统运行原理

1.1 MMC拓扑结构

由图1(a)可知，MMC换流器包括6个桥臂。一个电抗器L0和n个相同且互联的子模块(SM)组成一个桥臂，上下桥臂称为一个相单元。子模块如图1(b)所示，为半桥结构。Uc是电容电压，Usm是输出电压。

(a)MMC换流器结构

(b)子模块结构

1.2 子模块的运行原理

子模块的运行状态如图2。

图2 子模块工作状态Fig. 2 Submodule running state

投入状态：VT1导通、VT2关断，此时电流只能通过VT1或者VD1流过，电容充电还是放电取决于电流的流通方向。VD1导通时，电流流过VD1向电容充电，使得电容电压升高；VT1导通时，电流流过VT1向电容放电，导致电容电压降低。投入状态时，Usm=Uc。

切除状态：VT1关断、VT2导通，电流不流过电容，电流只通过VT2或者VD2流入，所以Usm=0。切除状态时，子模块电容和电压都没有受到影响。

闭锁状态：VT1，VT2都处于关断状态。此时电流只能通过VD1或者VD2流过，VD1导通，电流则通过VD1向电容充电，使得电容电压升高；VD2导通，电流则通过VD2导致电容旁路，使得电容电压恒定，该状态称为“旁路状态”。

1.3 MMC的工作原理

MMC通过使用最近电平逼近调制策略、子模块电容均压控制策略并结合PWM技术确保输出三相对称的交流电。现在以A相为例，解释MMC基本原理。MMC的A相等效电路图如图3所示。

图3 MMC单相等效电路Fig. 3 MMC single phase equivalent circuit

不计桥臂电阻的影响，根据KVL可知上、下桥臂电压方程式为

式中两项相加得：

Upa+Una=Udc

(1)

式中两项相减得：

由式(1)可知，投入上、下桥臂子模块数总和为N，可以保证直流电压不变，而且MMC可以通过控制子模块投入的数量来达到不同的电压等级。

因为MMC是三相对称运行，各相交流电流会均匀分配到上桥臂和下桥臂中，直流电流Idc也会平均分布到3个相单元中。不考虑相间环流的影响，得出A相上、下两桥臂电流解析式：

2 MMC控制策略

2.1 MMC子模块电容均压控制

要使MMC能够更加稳定的运行，需要使每个子模块的电容电压和额定电压相同，这样才可以降低相间环流。实际工程中，子模块通常采用不同种类的排序算法来实现电容均压控制，以下为传统均衡控制策略具体的过程：

① 测量桥臂子模块的电容电压Uca，且对测量出来的电容电压值根据电压值的大小进行排布。

② 观察桥臂电流i的方向，确定电流是流入子模块是还是流出子模块。

③ 遵照电容电压值排列表和桥臂电流方向确定投入的子模块数N1。假如电流是流入子模块，就加入排序表中电容电压值较小的N1个子模块，并断开剩下的N-N1个电容电压值较大的子模块；假如电流是流出子模块，就加入序号表中电容电压值较大的N1个子模块，并把剩下的N-N1个电容电压值较小的子模块断开，这样就可以确保桥臂子模块电容均压。

图4为子模块均压控制的原理图。

图4 电容电压排序均衡控制原理图

2.2 MMC相间环流抑制策略

不同相单元间流过的电流叫相间环流，在实际运行中，MMC各个桥臂都要串联很多的子模块来实现大功率、高压的目的。

MMC的相间环流会造成电力电子元件经受的电流增大，还会导致输出的电压、电流波形产生畸变，所以要使用方法来抑制相间环流。下面是内部环流解析式：

(2)

式(2)中:Q10是3次及以上的谐波分量，I2m是桥臂二倍频环流幅值，Idc/3表示直流分量，为工作电流。而二倍频负序分量单独存在，仅仅在桥臂间流动，既不流向直流线路，又不流向交流电网，因此二倍频分量不仅对MMC系统的稳态运行没有用处，而且会增加系统的损耗。为了确保MMC系统能够高效稳定工作，希望二倍频负序分量能被加以抑制，即使不能完全消除。

3 MMC直流侧故障系统仿真及分析

通过MATLAB/SIMULINK搭建两端11电平MMC-HVDC模型，设定t=0.5 s时发生3种故障，系统仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数Table 1 Simulation parameters

3.1 单极接地故障

MMC-HVDC正极接地故障示意图如图5所示。

图5 单极接地故障示意图Fig. 5 Unipolar ground fault scheme

仿真波形图见图6，图6(a)表示在0.5s故障时，正负极间电压Udc保持不变，正极电压Up迅速降为零，负极电压Un变为原来的两倍。图6(b)可知故障发生后的无功功率为零，有功功率大体上维持不变，可以让系统正常进行功率传输。

MMC交流侧相电压会出现直流偏置，因为正极和负极电压的骤变，如图6(c)所示。由图6(d)可以看出：发生正极接地故障时，三相输出的交流电流仍然对称。

由仿真结果可以得知：在发生单极接地故障时，直流线路的过流水平相对很低，但仍然能确保功率输送，但交流侧电压会发生偏置而增大，要求线路的耐压程度比较高，设备绝缘程度比较高才行。在故障清除后，系统可恢复稳态运行。

(a)直流侧电压波形

(b)系统有功、无功功率

(c)MMC三相输出交流电压

(d)MMC三相输出交流电流

3.2 双极短路故障

极间短路故障大多是永久性的故障，它可能是几种直流侧故障中最为严重的故障，因为系统阻尼系数非常小，导致故障电流的变化量很大。MMC-HVDC双极短路故障如图7所示。

图7 极间短路故障示意图Fig. 7 Bipolar short circuit fault schematics

(a)A相上桥臂电流

(b)直流侧电流

(c)直流侧电压

(d)MMC网侧交流电压、电流

(e)B相环流及其上下桥臂电流

3.3 断线故障

断线故障的发生往往由于直流侧线路的裂开或者断路器因为保护动作跳开而产生，其故障示意图如图9所示。

图9 断线故障示意图Fig. 9 Line broken fault diagram

断线故障仿真波形图10，图10(a)表明在0.5 s正极断线故障瞬间，直流侧正、负极电流立即变为零，系统不会再进行功率传输；在系统中剩余功率的作用下，子模块被充电，使交流电流在短时间内增加，如图10(b)显示；图10(c)表示A相环流和A相上、下桥臂电流仿真图，断线故障瞬时间内，A相环流中的直流分量迅速变为零，上、下桥臂电流会在短时间内增大然后慢慢减弱为零。

(a)正负极电流

(b)MMC1输出交流电流

(c)A相环流及其上下桥臂电流

4 结束语

针对MMC-HVDC直流侧常见的3种故障类型，提出了适用于MMC-HVDC直流输电系统的子模块均压控制和相间环流抑制策略，然后在MATLAB/SIMULIN上搭建MMC-HVDC 3种直流侧模型，对故障特性仿真。仿真结果表明：3种直流侧故障发生会对系统稳态运行产生影响，在提出的控制策略作用下，系统能够在故障发生后保持稳定运行，提高系统解决故障的能力。3种故障的仿真分析为之后的故障过电流抑制和故障保护措施提供了研究方向。