MMC—HVDC 直流输电线路的保护研究

刘 易，陈芳芳，秦滨慧，解海翔，盖佳郇，徐天奇

（1.云南民族大学电气信息工程学院，云南昆明 650031；2.云南电网公司大理供电局，云南 大理 671000）

随着输电系统的不断发展，基于模块化多电平换流器的高压直流输电技术被电力系统所着重关注，成为研究的热点[1]。为确保MMC—HVDC 系统安全运行，其直流线路的保护则是关键。而多端以及环状的MMC—HVDC 的出现，使得直流线路的保护愈发突出[2]。直流线路发生故障之后，可能会导致整个系统发生故障。因此，在柔性直流电网的发展中，直流输电线路保护的研究必不可少。

现有的柔性直流输电工程当中，主要采用的是基于电压源换流器VSC（Voltage Source Converter）的柔性直流系统[3-5]。对于模块化多电平换流器MMC（Modular Multilevel Converter）的柔性直流输电系统并不多。采用基于MMC 的柔性直流输电系统具有很好的工程应用前景，比传统的直流输电技术控制方式更加灵活、更具优势等，所以很有必要研究MMC—HVDC 的故障特性及其保护[6-7]。

文献[8-9]主要分析MMC—HVDC 系统的各种直流故障，提出相应的保护方案；文献[10-11]通过对双极短路故障进行建模分析验证，对工程设备的保护具有现实意义；文献[12-16]研究了直流故障的过流、电流差动以及电流方向纵联保护。

该文主要对模块化多电平的双端直流输电系统直流故障进行研究。根据叠加原理，通过故障的附加网络对保护区内和区外故障进行分析，并利用三阶微分综合立方法提取电压与电流的故障分量。并且在PSCAD 仿真软件上搭建了MMC 两端柔性直流输电系统仿真模型，结果验证了该文的故障分析是准确的，判断出了保护方案的正确性，且提高了保护的灵敏性与快速性。

1 柔性直流输电系统

1.1 系统的构成

双端MMC—HVDC 输电系统的基本结构如图1所示。主要包括直流输电线路，整流与逆变系统，以及交流系统。图1 中，MMC1 与MMC2 是拓扑结构的整流侧和逆变侧；K1、K2、H1、H2为4 个继电保护装置；f1～f6表示故障发生的位置。

图1 双端MMC—HVDC系统结构

1.2 MMC的拓扑结构

MMC 的电路拓扑图如图2 所示。由3 个相同的相单元与6 个相同的桥臂组成的。每一个相单元由上下两个相同的桥臂组成。每个桥臂由n个子模块（SM）和一个电抗器L组成，且n个子模块结构完全相同，相互连接。子模块（SM）结构如图3 所示，由两个绝缘栅双极型晶闸管（IGBT）T1、T2，两个反并联二极管D1、D2和一个直流侧电容器C0构成。图3 中的子模块输出电压为USM，直流储能电容的电压为每个子模块都有两个连接端子，用来连接主电路。

图2 MMC电路拓扑图

图3 子模块结构图

1.3 MMC的工作原理

换流器产生相电压波形的原理如图4 所示。图中可看出MMC 一个相单元的上下桥臂的导通模块数量的变化情况。上桥臂和下桥臂可以同时开通子模块，且子模块的开通数量为0～N。通过子模块的开通数量，可以得到MMC 的输出电平为(N+1)。普遍情况下，所有子模块的数量N为偶数。每一个相单元同时开通的N个子模块是可以通过上下两个桥臂进行均分的，且上下两个桥臂开通的子模块数量是相同的。所以每一个相单元交流输出的电压为0。

图4 MMC的相单元运行原理

2 直流线路区内外故障分析

2.1 区内故障分析

图5 为根据叠加原理所得保护区内直流输电系统故障后的附加网络图。

图5 区内故障后系统的附加网络图

图5 中的(a)、(b)、(c)、(d)分别对应图1 中f1～f4发生故障时的附加网络图；分别为K1、K2、H1、H2处测量的故障分量电流；ZMMC1、ZMMC2分别为整流器与逆变器的等值阻抗；分别为故障点到整流端和逆变端输电线路的等值阻抗；分别为K1、K2、H1、H2处测量的电压故障分量。

根据图1 可知f1处发生的故障为区内正极接地故障。结合故障附加网络图5（a）可得f1处电压故障分量为：

根据图1 可知f2处发生的故障为区内负极接地故障。结合故障附加网络图5（b）可得f2处电压故障分量为：

根据图1 可知f3处发生的故障为区内正负极接地故障。结合故障附加网络图5（c）可得f3处电压故障分量为：

根据图1 可知f4处发生的故障为区内正负极短路故障。结合故障附加网络图5（d）可得f4处电压故障分量为：

2.2 区外故障分析

图6 为根据叠加原理所得保护区外直流输电系统故障后的附加网络图。其中（a）、（b）分别对应图1 中f5、f6发生故障时的附加网络图；、ZMMC1、ZMMC2、同2.1 所述；为K1、K2、H1、H2处测量的电压故障分量。

根据图1 可知f5处发生的故障为整流侧区外正极短路故障。结合故障附加网络图6（a）可得f5处电压故障分量为：

图6 区外故障后系统的故障附加网络

根据图1 可知f6处发生的故障为逆变侧区外正极短路故障。结合故障附加网络图6（b）可得f6处电压故障分量为：

根据图5 与图6 的分析可得，在f1～f4处发生故障，即区内故障时，电流的故障分量都具有相同的极性；在f5和f6处发生故障，即区外故障时，电流的故障分量极性均不同。所以故障区内区外的判断标准可以通过电流故障分量的极性来判断。

与此同时，发现在电流故障分量极性确定之后，电压的故障分量也具有极性。如f1处发生的区内正极故障和f2处发生的区内负极故障，两者的电流故障分量极性相同，而前者的故障电压分量的极性是负的，后者的故障电压分量是正的。在f3和f4发生故障，即区内双极故障时，其故障的电流分量极性相同，而电压故障分量的电压极性不相同。所以故障极的判断标准可以通过电压故障分量的极性来判断。

3 保护方案

由前文分析可知通过故障电流的分量极性是否相同，来确定是区内还是区外故障。在确定是区内故障的前提下，通过故障电压分量极性的正负是否相同来判断是正极故障还是负极故障。

3.1 三阶微分综合立方法提取故障分量

根据上文的分析可以得到：故障的区内、外的区分可以通过电流故障分量的极性是否相同来判断；故障极性可以通过电压故障分量的极性是否相同来判断。

由于在高阻抗接地时，系统发生故障的故障分量很小，需要通过放大才能进行分析。故提出一种通过三阶微分综合立方法来提取故障分量的方法。

所需三阶微分公式如下：

令k为采样的时间，y为故障分量。通过式（7）可以得到电流以及电压的故障分量的三阶微分量，然后进行立方法处理，即B(k)3。

3.2 保护的方案

通过上述综合分析，提出一种基于三阶微分综合立方法的MMC—HVDC 直流输电线路快速保护方案。由图7 保护方案流程图可知该保护方案分为以下四步。

图7 保护方案流程图

Step1 检测系统直流侧的电流

当K1、K2、H1、H24 个继电保护装置处测量的电流在数值上比正常电流值要高时，认定系统此时发生故障。

Step2 电压与电流故障分量的提取

在系统故障之后，用继电保护装置对故障电压电流进行读取，以及发生故障之前的电压电流测量值的读取。将故障前后电压电流与测量值进行相减，得到的数值就是电压与电流的故障分量。

Step3 故障区内区外的判断依据

将电流故障分量用三阶微分综合立方法处理。当处理后的故障电流分量极性不同时，可判断为区外故障；反之，则为区内故障。

Step4 故障选极

根据前一个步骤判断故障为区内故障后，通过三阶微分综合立方法对电压的故障分量进行处理。当其极不相同时，可判断故障为双极区内故障；反之，则为单极区内故障。在其极性相同的前提下，若同为正极，可判断故障为负极故障；若同为负极，则可判断为正极故障。

4 仿真验证

在PSCAD 仿真平台中搭建如图1 所示的双端MMC—HVDC系统。仿真系统的主要参数如表1所示。

表1 仿真系统的主要参数

4.1 区内故障

图1 中f1～f4处发生的区内故障，均是故障电流分量，具有相同极性，因此只分析f1处发生故障的仿真图，其他情况同理可得。

图8 中的(a)、(b)、(c)3 组图,分别代表f1处发生故障时，故障电流的原始图、三阶微分处理的图以及该文所提方法处理的图。通过这3 组图，可以得到电流的极性均为正，由此可以判断f1处发生故障为区内故障。

图8 f1 处发生故障的仿真图

4.2 故障选极

图1 中f1～f4处发生的区内故障，f1和f2处发生的故障为单极故障；f3和f4处发生的故障为双极故障。故障的选极均是通过电压故障分量的极性来判断的，因此该文只分析f1和f3处发生故障的仿真图，其他情况同理可得。

通过图9 中的(a)、(b)、(c) 3 组图，可以得到电压的极性均为负，由此可以判断f1处发生故障为正极故障。通过图10 中的(a)、(b)、(c) 3 组图，由上及下均可以得到电压的极性不相同，由此可以判断f3处发生故障为双极故障。

图9 f1 处发生故障的仿真图

图10 f3 处发生故障的仿真图

4.3 区外故障

图1 中f5和f6处发生的区外故障，均是故障电流分量具有不同极性，因此只分析f5处发生故障的仿真图，f6处的情况同理可得。

通过图11 中的(a)、(b)、(c) 3 组图，由上及下均可得到电压的极性为负，由此可以判断f5处发生故障为正极故障。

图11 f5 处发生故障的仿真图

由以上仿真结果可以验证，该文提出的保护方法可以有效地判别故障的区内区外，进行故障选极，并且提高了保护的灵敏性和快速性。

5 结论

由于基于模块化多电平的双端柔性直流输电系统，在直流侧发生故障时会对系统的直流端造成非常大的损害。故在对该系统进行故障分析的前提下，提取出电流电压分量，并对其进行三阶微分综合立方法处理，得到电压电流故障分量。

在进行判断故障是区内还是区外时，通过三阶微分综合立方法对电流故障分量进行处理后，以其极性异同为判断标准的。当其极性相同时，为区外故障；反之，则为区内故障。

故障的选极，是在故障为区内故障的前提下，通过电压故障分量的三阶微分综合立方法分析处理后，根据其极性来判断的。当其极性都为正时，为负极故障；当其极性都为负时，为正极故障；当其极性一正一负时，为正负极故障。

最后，在PSCAD 仿真平台上搭建了基于模块化多电平的双端柔性直流输电系统，并且对次模型进行仿真。仿真结果表明，所提出的保护方法不但可以有效地对故障的区内区外以及故障的极性进行识别，还提高了保护的灵敏性和快速性。