MMC换流站阀侧交流接地故障电流解析

单节杉，任 敏，田鑫萃，束洪春，李 涛

MMC换流站阀侧交流接地故障电流解析

单节杉，任 敏，田鑫萃，束洪春，李 涛

(昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650504)

对模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)换流站阀侧交流接地故障特性进行研究发现：阀侧交流系统发生金属性接地故障时，故障点入地电流由下桥臂电容放电电流和上桥臂以及对端桥臂电容放电电流构成，网侧交流系统不会馈入入地电流；带过渡电阻接地故障时，网侧交流系统将通过过渡电阻作用于故障点入地电流。详细推导了三相接地故障和单相接地故障下的入地故障电流和桥臂电流的数学解析式。采用RTDS仿真验证了该表达式的正确性。由于阀侧交流出口处电位被钳制为0，因此上桥臂的子模块电容将产生过电压。下桥臂与故障点构成放电电容回路，下桥臂流过的故障电流迅速增大，且无法通过断路器切断故障电流。因此，建议采取可靠的限流措施避免阀侧故障对换流站等一次设备造成严重伤害。

柔性直流输电；阀侧交流；接地故障；故障回路；电流解析

0 引言

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)最早由德国学者 R. Marquardt和A. Lesnicar 提出，并于2010年11月在美国旧金山投运Trans Bay Cable首条柔性直流输电工程。2011年上海南汇投运柔性直流工程是中国首条VSC直流工程，2015年中国厦门柔性直流工程的投运是世界首个真正意义上的真双极直流系统。经过60年的发展，世界首个四端柔性直流环形电网组网成功，标志着直流电网成为现实。2020年7月2日，乌东德混合多端高压直流工程昆北站、龙门站双极单阀组系统调试送电成功，标志着大容量柔性直流在大电网中的应用。可见，采用架空线路的柔性直流电网已经逐渐形成。由于架空线路故障率高，而直流系统是一个低惯量、弱阻尼系统，所以直流系统接地故障后，故障电流迅速上升，而且幅值很大，数毫秒内超出换流器内部元件过流保护阈值[1-8]。

换流站交流阀侧故障作为特殊少有的故障类型[9-12]，主要为由穿墙套管绝缘老化、雷击闪络等引起的接地故障。如某年某月某日16时44分，某直流换流站穿墙套管故障引起极I高端换流器差动保护II段动作、极I差动保护II段动作。该故障引起的冲击电流巨大，导致套管防爆膜完全炸裂脱落，套管内部有熏黑痕迹，伞裙存在缺口。由于阀侧故障接地点与直流侧接地点构成故障电流的流通通路，换流器闭锁前的冲击电流很大甚至比直流线路故障更为严重，而该故障位于交流保护区，不能通过直流断路器切除，极易对换流站造成损害，同时由于现有的限流装置位于直流母线出口，对于这种情况下，不能对故障电流进行抑制[13-15]。目前对换流站交流阀侧接地故障电流特性分析和研究的文献较少，并且主要聚焦于换流阀闭锁后的故障特性的分析，如文献[16-18]对交流系统阀侧故障特性进行了分析，推导了闭锁后故障电流数学表达式并提出了相应的保护控制策略。文献[19]对换流站阀侧交流三相接地故障进行故障解析，而实际工程中关注的是单相接地故障，这种情况下解析推导故障电流表达式才有意义。文献[20-21]分析了MMC换流站阀侧交流接地故障，闭锁前及闭锁后过电压的产生机理以及闭锁时刻对过电压的影响。文献[22]对逆变侧换流变压器阀侧接地故障进行理论分析和仿真试验，并结合仿真试验详细分析了这些保护动作策略存在的问题，提出了相应的改进措施。

本文对MMC换流站交流阀侧故障特性进行了研究，详细推导了交流阀侧发生三相接地故障和单相接地故障，换流站IGBT闭锁前，直流侧提供故障点电流以及桥臂电流的数学解析式。分析结果表明：对于对端换流站与故障点构成的放电回路，由于上桥臂电容初始电压与故障电流方向相反，且故障回路存在平波电抗器等限流器件，故直流线路故障电流较小，但由于阀侧交流出口处电位被钳制为0，因此上桥臂的子模块电容将产生极大的过电压，导致子模块电容击穿，通过断开近端直流断路器可有效解决该问题[23-24]；而对于下桥臂与故障点构成的放电回路，下桥臂流过的故障电流迅速增大，且无法通过断路器切断换流站与故障点的联系，因此建议采取可靠的限流措施，有效避免阀侧故障对换流站等一次设备造成严重伤害，并降低对此类故障的保护要求。

1 架空线路MMC-HVDC结构

MMC结构特性使开关器件损耗、阶跃电压减小，波形质量以及换流器运行性能提高。与VSC相比MMC内的子模块以级联形式组成，同时将直流储能电容分散到每个级联的子模块内，而不是接在直流线路两极之间。MMC-HVDC系统整流侧和逆变侧换流站结构相同，图1为换流站拓扑及子模块结构示意图。MMC的三相电路由6个桥臂组成，同相由上下桥臂构成一个相单元，而每个桥臂由多个子模块和一个桥臂电抗串联构成，MMC系统通过控制子模块工作状态来维持电压稳定。

图1 换流站拓扑及子模块结构示意图

MMC-HVDC系统的接地方式可以分为交流侧接地以及直流侧接地。交流侧接地可以分为换流变压器阀侧绕组中性点接地以及换流器阀侧电抗器中性点接地；直流侧接地可以分为极线经大电阻接地、极线经大电容接地与经接地极引线的接地几种类型。经接地极引线接地的双极MMC-HVDC系统单侧的两个换流器之间通过接地极引线接地，该系统直流输电线路发生单极接地故障时，非故障极仍可以正常运行。架空线路柔性MMC直流系统仿真模型如图2所示。

图2 架空线路柔性MMC直流系统仿真模型

2 交流阀侧三相接地故障电流解析

现场实际存在由于穿墙套管绝缘老化、雷击闪络等引起的阀侧接地故障。故障引起的巨大冲击电流导致套管防爆膜完全炸裂脱落，套管内部有熏黑痕迹，伞裙存在缺口，如图3所示。

图3 套管防爆膜脱落实物图

Fig. 3 Physical picture of casing explosion proof film falling off

2.1 下桥臂故障回路电流解析

阀侧交流发生三相接地故障，按照电流的流通路径可分为3个部分，其故障电流回路如图4所示。

回路I：交流网侧的馈入电流，对于对称短路，不会提供入地电流(零序电流)。对于非金属性接地，网侧电流会影响桥臂电流。

回路II：下桥臂电容的放电电流，其放电回路由故障点→故障侧下桥臂→接地极构成。

回路III：对端换流站以及故障侧上桥臂的放电电流，其放电回路由上桥臂→直流线路→远端换流站→远端换流站接地极→故障点构成。

图4 阀侧交流发生三相接地故障电流回路

由于阀侧故障接地点与直流侧接地点构成桥臂电容放电电流的流通通路，故障冲击电流很大，因此在下文分析直流侧提供的故障点入地电流，同时当接地点过渡电阻为零时，交流网侧没有馈入入地电流，且回路II和回路III没有耦合，可以独立计算。对于过渡电阻的影响，将在仿真验证时进行讨论分析。

图5 △侧接地故障下故障点、下桥臂和接地极构成的电流流通通路

图6 △侧接地故障下故障点、下桥臂和接地极构成的电流流通通路的等效电路

考虑到下桥臂子模块投切与控制系统密切相关，精确求取下桥臂故障电流较为复杂，而由于MMC闭锁前电容放电过程极短，约为1～2 ms，因此本文忽略控制投切的影响，以故障临界时刻的桥臂电压、电流为初始条件，求解闭锁前换流站提供的故障电流。

图7 a相桥臂等效电源单独作用下的等效电路

根据图7即可得下桥臂a相提供的故障点入地电流为

2.2 上桥臂故障回路电流解析

回路III的故障电流流通路径为上桥臂→直流线路→远端换流站→远端换流站接地极→故障点，如图8所示。

图8 △侧接地故障上桥臂与对端换流站构成的电流流通通路

对于图8所示的故障回路，其等效电路如图9所示。

综合图10和图11可知，对端换流站以及故障侧上桥臂提供的故障点入地电流为

图10 对端换流站等效电源对上桥臂的放电回路

图11 上桥臂等效电源对换流站的放电回路

根据图10可以得到对端换流站等效电源对上桥臂的放电回路电流为

根据图11可以得到上桥臂等效电源对换流站的放电回路电流为

对端换流站以及故障侧上桥臂提供的故障点入地电流为

由上述分析可知，交流阀侧发生三相接地故障，直流侧提供的入地故障电流为

3 交流阀侧单相接地故障电流解析

实际工程中，单相接地故障概率高，现以阀侧A相接地为例，故障点入地电流由交流侧电势激励、电感元件和电容元件初始值激励共同作用的结果。根据线性电路的叠加原理，分别解析出各激励源单端作用下的响应，再根据线性相加即可得到总响应。

3.1 交流侧等效电势激励下的响应

交流侧等效电势激励作用下的短路电流如图12所示。

根据电路叠加定理，当某一独立电源作用时，其他独立电源应为零值。因此，当交流侧等效电势激励单独作用时，桥臂电容等效激励电压为零，因此，其电容值为零相当于短路，对图12进行简化后的等效电路如图13所示。

图12 交流侧等效电势激励源的短路电流

图13 交流侧等效电势激励源作用下简化等效电路

由图13可知，a相提供的短路电流满足的回路方程为

求解式(15)，得到

由图14可知，a、b和c相电流满足

基于上述分析，得到交流激励等效作用下的上桥臂电流为

下桥臂电流为

3.2 直流侧储能元件等效激励下的响应

从近端换流站看，a相所连接的下桥臂与故障点、接地极构成放电回路I，同时，b、c相桥臂通过a相上桥臂、故障点、接地极构成放电回路II，如图14所示。

图14 阀侧A相接地下近端换流站桥臂电流通路

对于图14所示的放电回路I，将其转换成运算电路模型如图15所示。

由图15可知，放电回路I提供的故障点入地电流为

式(21)对应的时域表达式为

对于图14所示的放电回路II，将其转换成运算电路模型如图16所示。

由图16可知，放电回路II提供的故障点入地电流为

式(25)对应的时域表达式为

式中：

上桥臂电流为

下桥臂电流为

直流侧提供的故障点入地电流为

综上所述，交流系统阀侧交流侧电势激励、电感元件和电容元件初始值激励共同作用的上桥臂电流为

下桥臂电流为

总的故障点入地电流为

4 仿真验证

利用RTDS搭建如附录图A1所示的基于RTDS的MMC仿真模型，其中MMC1、MMC2为定直流电压和定交流电压控制，换流器MMC3、MMC4为定有功功率和定交流电压控制。换流器采用半桥子模块且参数一致，单个换流站主回路参数如附录表A1所示。

为验证上述理论分析的正确性，现设MMC1换流站交流阀侧发生三相接地短路故障(ABCG)和单相接地故障(AG)进行仿真分析，仿真电流与计算电流的结果如图17和图18所示。

图17 阀侧三相接地故障直流侧提供的故障点入地电流

直流故障电流上升快、幅值大，考虑限流器在内，保护需在1～3 ms出口动作，目前性能较好的混合式DCCB动作时间约为3～5 ms，可认为清除故障电流的极限时间为8 ms，因此要保证该时间段内故障电流小于换流站闭锁值。结合模型参数，取桥臂电流5 kA换流站闭锁电流。由图17和图18可知，当交流系统阀侧发生接地故障，由于回路阻尼小，故障相下桥臂电容放电过冲电流大，且无法通过断路器切断故障电流，极易对换流站等一次设备产生极大的过应力。

1) 过渡电阻影响分析

在上述分析中均没有考虑接地点过渡电阻影响，现以三相接地故障带有过渡电阻为例，分析故障点入地电流，其故障回路等效电路如图19所示。

图19 阀侧交流发生三相带过渡电阻接地故障等效电路

根据图19、回路电压定理以及节点电流可以得到过渡电阻下故障点入地电流，具体推导过程在附录A中展示。当阀侧交流发生三相带过渡电阻的接地故障时，网侧交流系统将通过过渡电阻作用于故障点入地电流。不同过渡电阻下的桥臂电流和故障点入地电流如图20所示。

2) 故障时刻的影响

不同故障时刻下的入地故障电流的仿真曲线和计算曲线如图21所示。为直观地比较不同故障时刻对故障电流的影响，将不同故障时刻下的电流波形对齐。

3) 控制方式的影响

在上述仿真中，MMC1、MMC2为定直流电压和定交流电压控制，换流器MMC3、MMC4为定有功功率和定交流电压控制。现讨论不同控制方式下的阀侧故障下电流特性。例如将MMC4改为定无功功率控制方式，即

而定交流电压控制为

图22 不同控制方式下阀侧故障电流特性

由图22可以看出，在不同的控制策略下，各特征量的稳态值差别很小。精确计及控制系统对故障电流的影响较为困难，通常交流网侧故障下，为避免换流阀提供的故障电流过大从而导致换流阀闭锁，指令值的限幅值略大于额定值，阀侧交流接地故障强度高，控制系统对故障电流影响极小(类似于直流侧故障)，因此本文忽略了控制系统的作用。

由上述分析可知，故障点过渡电阻和故障时刻会影响故障点入地电流的大小。

5 结论

本文详细推导了MMC换流站交流阀侧发生三相接地故障和单相接地故障下的桥臂电流的数学解析式，采用RTDS仿真平台搭建了双端柔性直流输电系统的仿真模型，验证了桥臂电流数学解析式的正确性，并得出如下结论：

1) 阀侧交流系统发生三相接地故障，其入地电流成分与过渡电阻有关。对于金属性接地故障，故障点入地电流由下桥臂电容放电电流和上桥臂以及对端桥臂电容放电电流构成，网侧交流系统不会馈入入地电流；对于带过渡电阻接地故障，网侧交流系统将通过过渡电阻作用于故障点入地电流。

2) 阀侧交流系统发生单相接地故障，故障点入地电流由交流侧电势激励、电感元件和电容元件初始值激励共同作用的结果。

3) 阀侧交流发生接地故障，交流出口处电位被钳制为0，因此上桥臂的子模块电容将产生极大的过电压，导致子模块电容击穿，通过断开近端直流断路器可有效解决该问题。

4) 对于下桥臂与故障点构成的放电回路，下桥臂流过的故障电流迅速增大，且无法通过断路器切断换流站与故障点的联系，因此建议采取可靠的限流措施能有效避免阀侧故障对换流站等一次设备造成严重伤害，并降低对此类故障的保护要求。

附录A

图A1 基于RTDS的MMC仿真模型的搭建

Fig. A1 Construction of MMC simulation model based on RTDS

表A1 换流站主回路参数

Table A1 Main circuit parameters of converter station

参数数值 换流器额定容量/MVA750 网侧交流母线电压/kV175 直流电压/kV320 连接变压器额定容量/MVA900 电压比230/175 短路阻抗百分比/%10.5 子模块额定电压/kV8.5 单个桥臂子模块数目76 子模块电容值/mF5.1 桥臂电抗器电感/mH50 平波电抗器电感/mH100 极址电阻Rg/W15

根据图19和回路电压定理，得到回路II的电压方程为

故障回路II的电压方程为

回路III的电压方程为

故障点入地电流为

将式(1)再求一次微分，写成矩阵的形式为

式中：

对于式(A6)的解析表达式较难获取，但可通过电流初值迭代式(A6)，得到其数值解。

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Analysis of grounding fault current at the AC valve side of an MMC converter station

SHAN Jieshan, REN Min, TIAN Xincui, SHU Hongchun, LI Tao

(Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650504, China)

In this paper, the AC grounding fault characteristics on the valve side of an MMC converter station are studied. It is found that when the metal grounding fault occurs in the AC system on the valve side, the grounding current at the fault point is composed of the capacitor discharge current of the lower bridge arm andthe capacitor discharge current of the upper bridge arm and the opposite bridge arm, and the grid side AC system will not feed the grounding current. For a grounding fault with transition resistance, the AC system at the grid side will act on the grounding current at the fault point through the transition resistance. The mathematical expressions of grounding fault current and bridge arm current under a three-phase grounding fault and single-phase grounding fault are derived in detail. The correctness of the expression is verified by RTDS simulation. Since the potential at the valve side AC outlet is clamped to 0, the sub module capacitance of the upper bridge arm will produce an overvoltage. For the discharge capacitor circuit composed of the lower bridge arm and the fault point, the fault current flowing through the lower bridge arm increases rapidly and cannot be cut off through the circuit breaker. Therefore, it is recommended to take reliable current limiting measures to avoid serious damage to primary equipment caused by a valve side fault, such as to the converter station.

flexible DC transmission; AC valve side; ground fault; fault circuit; current analysis

10.19783/j.cnki.pspc.211709

国家自然科学基金地区项目资助(52167011)；国家自然科学基金重点项目资助(52037003)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52167011).

2021-12-15；

2022-05-21

单节杉(1979—)，男，博士研究生，主要研方向为电力系统新型继电保护与控制；E-mail: 736495310@qq.com

田鑫萃(1985—)，女，通信作者，博士，副教授，主要研方向为电力系统新型继电保护与控制，故障测距。E-mail: 1105479731@qq.com

(编辑 周金梅)