模块化多电平变流器高压直流输电系统直流故障改进控制策略

模块化多电平变流器高压直流输电系统直流故障改进控制策略姚骏;谭义;裴金鑫;熊小伏;欧阳金鑫
【摘要】针对模块化多电平变流器高压直流(MMC-HVDC)输电系统直流故障,首先建立全桥型MMC-HVDC系统的详细数学模型,并对故障期间系统过电压或过电流的产生机理及其发展过程展开深入分析,分析结果表明:在直流双极短路和单极接地故障期间,MMC-HVDC系统正、负极直流母线电压与MMC上、下桥臂电压的直流分量不匹配,导致桥臂电容迅速放电,进而引起系统严重过电流.因而提出在直流故障期间将MMC上、下桥臂实行分离控制,并使上、下桥臂电压的直流分量跟随正、负极直流母线电压而变化,从而实现MMC-HVDC系统直流故障下的安全、稳定运行,所提控制策略实现了MMC-HVDC系统三种直流故障穿越控制的有效简化和统一.另外,为提升直流单极接地和断线故障条件下MMC-HVDC系统的经济运行能力,进一步提出了一种新型功率指令优化策略.最后基于PSCAD/EMTDC仿真证明了所提MMC-HVDC系统直流故障控制策略以及功率指令优化策略的正确性与可行性.
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2018(033)014
【总页数】13页(P3306-3318)
【关键词】模块化多电平变流器高压直流输电;全桥子模块;直流故障;故障穿越控制【作者】姚骏;谭义;裴金鑫;熊小伏;欧阳金鑫
【作者单位】输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆400044;输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆 400044;
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆 400044;输配电
装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆 400044;输配电装备及
系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆 400044
【正文语种】中文
【中图分类】TM721
随着全球能源危机以及环境污染的日益加剧，新能源的高效、合理开发利用势在必行。

发达国家和许多新兴市场国家在提高传统化石能源利用率的同时，大力开发和利用以风能、太阳能为代表的清洁可再生能源，以优化各国能源结构[1-4]。

然而，具有分散性、间歇性以及远离主电网的可再生能源接入给传统的交、直流输配电系统带来一系列新的问题与挑战。

结合了直流输电技术和高压输电技术的电压源高压直流（Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current, VSC-HVDC）输电技术是解决能源结构多元化的一种有效途径[5-7]，目前已投运的VSC-HVDC 系统多采用两电平、三电平以及模块化多电平变流器（Modular Multi-level Converter, MMC）三种拓扑形式。

其中，采用逆变器级联形式的MMC因模块化设计，各子模块无需同时开通或关断，功率器件所承受的电压、电流应力大为降低。

另外，模块化设计使得系统容量升级也更为容易、可扩展性更强。

此外，MMC提供了一个公共直流侧易于背靠背连接，十分适用于VSC-HVDC输电系统。

因此，MMC-HVDC已成为目前VSC-HVDC系统的主流。

MMC-HVDC虽具有传统交、直流输配电技术无可比拟的优势，但同时也带来了
诸多问题，如MMC-HVDC系统发生直流故障时，会产生各种过应力，严重威胁
设备安全以及系统可靠性。

目前，已有较多文献针对MMC-HVDC系统的直流故
障展开了深入分析，文献[8]将MMC-HVDC系统直流故障分为双极短路、单极接地和断线三种类型。

其中对于直流双极短路故障的研究已经较为充分[9-15]，文献
[13,14]分别基于半桥和全桥混合型以及钳位双子型MMC-HVDC系统实现了直流双极短路故障下的穿越运行，在故障期间可保证子模块电容电压稳定的同时还可为交流电网提供快速的无功支持。

文献[15]基于全桥型MMC-HVDC系统进一步实
现了直流双极短路故障下的穿越运行，但文中并未给出具体的无功功率控制策略且子模块电容电压的控制结构较为复杂。

针对直流单极接地故障，文献[16-18]对各
种典型接线方式下MMC-HVDC系统的故障特性进行了仿真分析，其中文献[18]
指出MMC-HVDC系统直流单极接地故障特性与系统接线方式密切相关，当MMC-HVDC交流系统采用星型接线且中性点接地运行方式时，故障极将通过交
流系统中性点构成对地回路，系统将面临严重的过电流威胁，但文中未对MMC-HVDC系统直流单极接地故障特性进行理论推导，且系统闭锁期间子模块电容电
压也存在着发散的可能。

文献[19]针对交流侧采用星型接线且中性点接地运行方式的MMC-HVDC系统直流单极接地故障特性进行详细的数学推导，但文中并未涉
及故障控制策略。

为实现MMC-HVDC系统直流单极接地故障下的穿越运行且同
时保证子模块电容电压的稳定，文献[20,21]基于半桥和全桥混合型MMC-HVDC
系统进一步实现了直流单极接地系统故障期间的有功传输和对交流电网的无功支持。

但是故障极已经丧失有功传输能力，MMC上、下桥臂有功和无功功率容量不再一致，如何实现MMC上、下桥臂功率指令的合理分配以最大程度地满足系统有功
和无功功率要求便成为亟待解决关键性问题。

针对MMC-HVDC系统直流断线故障，文献[22,23]指出故障极的有功传输将立即中断，恒压站的直流母线电压可基
本保持恒定，而恒功率站可能因欠电压或过电压而被封锁，系统经济性严重受损。

文献[24]进一步根据变流站的工作模式详细推导了MMC-HVDC系统直流断线故
障下的过电压水平，提出非故障相会出现故障电流的新特性，但文中并未涉及故障下的控制策略。

综合以上分析，现有研究成果对于MMC-HVDC系统直流故障控制策略的研究依
然存在诸多不足：MMC-HVDC系统直流故障的控制策略较为分散，均只是针对双极短路、单极接地或断线三种典型直流故障中的一种或两种，未能实现三者的有效统一；另一方面，在直流单极接地和断线故障期间故障极将丧失有功传输能力，MMC上、下桥臂有功和无功功率容量不再一致，此时通过MMC上、下桥臂功率指令的合理分配可有效提高系统的经济运行能力，但目前仍缺乏相关研究。

本文以全桥型MMC-HVDC系统为例，针对直流故障期间系统过电压或过电流的产生机理及其发展过程展开进一步分析，并提出一种统一的直流故障穿越运行控制策略。

然后为提升直流单极接地和断线故障条件下MMC-HVDC系统的经济运行能力，进一步提出一种新型功率指令优化策略，最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台证明了本文所提控制策略的正确性与可行性。

本文所提直流故障改进控制策略适用于常用的全桥型、半桥和全桥混合型以及钳位双子型MMC- HVDC系统，以下分析均以全桥型MMC为例。

全桥型MMC的拓扑形式如图1所示，共计三相六个桥臂，每个桥臂均由n个全桥子模块和一个桥臂电抗器L0串联组成，其中us、Rac1及Lac1分别为交流电网电压、交流线路电阻及电感；ii、iiu、iil、uiu、uil（i=a, b, c）分别为MMC第i相输入电流、上桥臂电流、下桥臂电流、上桥臂电压及下桥臂电压；P、N、Rd、Udc分别表示MMC的正极直流母线、负极直流母线、直流接地电阻及直流母线电压。

全桥型MMC在正常运行时的工作状态与半桥型MMC相似，子模块输出电压usm仅为UC（子模块的电容电压）和0。

故全桥型MMC在正常运行时上、下桥臂均带有直流分量，分别叠加上正、负极直流母线电压之后得到三相对称的正弦电压与电网相互作用从而实现有功和无功功率交换。

另外，本文采用最近电平调制算法[25-27]以及交叉耦合环流抑制策略[28]实现电容均压和系统环流抑制。

MMC-HVDC两端系统分为送端和受端。

送端有功类控制量选为直流母线电压Udc给系统有功传递提供通道，无功类控制量选为无功功率Q以满足送端电网的
无功需求。

受端有功类控制量选为有功功率P以实现系统两端之间的有功传递，
无功类控制量同送端，选择无功功率Q以满足受端电网的无功需求。

MMC-HVDC系统直流单极接地故障运行特性与系统接线方式密切相关，其中以
交流系统采用星形接线且中性点接地运行方式系统所面临的过电流应力最为严重。

MMC-HVDC系统直流单极接地和断线故障等效电路如图2所示。

本文以该接线
方式下的全桥型MMC-HVDC系统正极直流母线发生单极接地故障为例展开以下
分析，如图2中①所示，其中R0为MMC桥臂的等效电阻。

由图2中①可知，当MMC-HVDC系统正极直流母线发生接地故障时，MMC上
桥臂通过交流电网中性点形成对地回路，上桥臂电容将迅速放电导致桥臂电流中直流分量急剧增大，进而引起正极直流母线严重过电流。

随着MMC上桥臂电容电
压不断下降，上桥臂电压无法实时跟踪桥臂参考信号，进一步引起交流电网馈入电流急剧增大。

当MMC上桥臂电容放电至0时，交流电网通过MMC上桥臂形成
三相短路，直流单极接地故障进入稳态。

当MMC-HVDC系统正、负极直流母线
同时发生接地故障时形成直流双极短路故障。

因此，直流双极短路故障为直流单极接地故障的一种特例，故MMC- HVDC系统发生直流双极短路和单极接地故障时具有相似的运行特性。

综合以上分析，在直流双极短路和单极接地故障期间，MMC-HVDC系统正、负极直流母线电压与MMC上、下桥臂电压的直流分量不
匹配，导致桥臂电容迅速放电，进而引起系统严重过电流，系统安全受到严重威胁。

针对MMC-HVDC系统直流双极短路和单极接地故障，本文提出在故障瞬间迅速
将上、下桥臂控制分离，并充分利用全桥子模块正、负对称输出能力将故障极控制为不带直流分量的正弦电压直接与电网相互作用，为交流电网提供快速的无功支持；而非故障极仍保持正常运行状态，为系统继续传递有功功率。

故当正、负极直流母线同时发生单极接地故障时，系统将完全丧失有功传输能力。

当故障极MMC桥
臂电压的直流分量被控制到0时，桥臂电容将立即停止放电，并在子模块电容电
压控制作用下逐渐恢复至参考值，此时MMC上、下桥臂电压可实时跟踪参考信号，从而实现直流双极短路和单极接地故障下MMC-HVDC系统的安全稳定运行。

本文以MMC-HVDC系统正极直流母线发生单极接地故障为例，由于故障期间电
容均压算法仍然有效且MMC三相对称，故当MMC上桥臂工作在静止无功补偿
器状态时，正极直流母线P并无电压存在，故忽略正极直流线路和接地电阻将图2进一步简化为图3所示。

由图3可知，MMC在直流单极接地故障时上、下桥臂电压方程式分别为
式中，usa、usb和usc为对应的交流电网三相电压us。

在直流单极接地故障下MMC-HVDC系统改变运行方式之后，负极仍处于正常工
作状态可继续传输有功功率。

而正极无直流母线电压的支撑只能工作在静止无功补偿器状态。

因而MMC上、下桥臂电流的交流分量未必均分，但仍然满足基尔霍
夫电流定律，由此可得其表达式为
结合式（1）～式（3）进一步可得
式中，Req=Rac1+R0；Leq=Lac1+L0；UP和UN分别为直流单极接地故障期
间MMC上、下桥臂附加电压，UP和UN的表达式为
令viu和vil（i=a, b, c）分别为
将式（7）和式（8）分别代入式（4）和式（5）进一步得到直流单极接地故障下MMC上、下桥臂的数学模型，即
由式（9）和式（10）可得MMC在单极接地故障下的单相等效电路，如图4所示。

MMC-HVDC系统发生直流断线故障时（以正极为例），如图2中②所示，处于
故障中的正极直流母线电流将立即下降至0，系统有功传输降为故障前的一半，而后在受端有功功率控制器调节作用下负极直流母线电流不断上升，系统有功传递随之增加，但是受直流母线电流和MMC桥臂电流的限制，断线故障下系统有功传
输极限容量为0.5(pu)。

若系统将0.5(pu)的容量全部用以传输有功功率，则无法
为交流电网提供无功支持，降低了系统的运行性能。

此外，处于故障中的正极虽不能继续传送有功功率，但对地电压仍为1/2Udc，对人身以及设备安全造成严重威胁。

因此，本文提出采用与直流单极接地故障相同的控制策略实现MMC-HVDC
系统直流断线故障下的穿越运行。

即在故障瞬间将全桥型MMC-HVDC系统正、
负极实行独立控制，利用负极继续向送端传送有功功率，而正极工作于静止无功补偿器状态为交流电网提供快速无功支持。

此时全桥型MMC-HVDC系统的正极直
流母线电压下降为0，人身与设备安全得到有效保障。

同直流单极接地故障，在直流断线故障期间电容均压算法仍然有效且MMC三相
对称，故当MMC上桥臂工作在静止无功补偿器状态时，正极直流母线和直流接
地电阻上均无电压存在，图2简化为图5。

对比图3和图5可知，MMC-HVDC系统在直流单极接地故障和断线故障条件下
具有完全一致的等效电路，故MMC-HVDC系统直流断线故障下的数学模型同直
流单极接地故障。

在MMC-HVDC系统直流双极短路故障期间，系统完全丧失有功传输能力，故MMC上、下桥臂应各自承担一半的无功功率。

而在直流单极接地和断线故障期间，处于故障中的正极无法传递有功功率，但可为交流电网提供无功支持。

非故障极（负极）既可为系统传输有功功率又可为交流电网提供无功支持。

因此如何实现MMC-HVDC系统功率指令在MMC上、下桥臂之间合理分配以最大程度的满足
系统有功和无功功率需求，从而提高系统的经济运行能力成为亟待解决的问题之一。

本文由此而展开了进一步研究，并提出非故障极（负极）应优先保证MMC-HVDC系统有功功率的传输要求，再利用剩余的裕量来满足交流电网的无功需求。

而处于故障中的正极此时工作于静止无功补偿器状态，应最大程度地满足交流电网的无功需要。

但是在故障期间上桥臂也会与电网产生少量的有功功率交换以维持电容电压的平衡，具体分析如下。

假设MMC的视在功率S为1(pu)，且上、下桥臂容量均分，则Su=Sl=0.5(pu)。

当MMC-HVDC系统有功指令为Pref时，故障中的正极无法传输有功功率故MMC上桥臂的有功指令为
处于故障中的正极无法传输有功功率，则可利用其裕量来最大程度满足交流电网的无功需求，故MMC上桥臂的无功指令为
式中，Qref为MMC-HVDC系统的无功指令。

MMC-HVDC系统非故障极应优先保证MMC- HVDC系统的有功传输要求，故MMC下桥臂的有功指令为
式中，Pref为MMC-HVDC系统的有功指令。

当MMC-HVDC系统有功指令Pref满足-0.5≤Pref≤0.5时，非故障极还剩下一定的裕量可用以满足交流电网的无功需求，故MMC下桥臂的无功指令为
综上可知，MMC上、下桥臂有功和无功指令总和与分别为
由式（11）～式（14）分别得到MMC上、下桥臂的有功指令、和无功指令、的
三围曲面如图6所示。

由式（15）可知MMC-HVDC系统最终的有功指令、无功指令三围曲面如图7所示。

由图7a可知，MMC-HVDC系统在发生直流单极接地和断线故障时仍能传输一定容量的有功功率：当MMC-HVDC系统有功指令Pref绝对值小于0.5(pu)时，MMC的有功指令随系统有功指令Pref线性变化，且能全部实现；当MMC-HVDC系统有功指令Pref绝对值大于或等于0.5(pu)时，MMC有功指令达到上限值0.5(pu)，此时系统的有功传输要求不能完全实现。

由图7b可知，MMC在单
极接地和断线故障下仍保持0.5(pu)以上的无功容量，当MMC-HVDC系统有功
指令Pref小于0.5(pu)时，MMC的无功容量可进一步增大，在MMC- HVDC系统无有功传递要求时系统无功容量达到上限1(pu)。

3.2.1 MMC-HVDC系统电流内环控制器设计
综合以上分析可知，直流双极短路故障为直流单极接地故障的一种特例，而直流断线与单极接地故障在本文所提控制策略作用下具有一致的数学模型，故MMC-HVDC系统三种直流故障下的控制策略可实现有效简化和统一。

对比式（9）和式（10）可知，MMC-HVDC系统故障极与非故障极数学模型的最大区别在于桥臂
电压直流分量的差异，故当系统发生直流故障时无需进行故障类型判断，只需在检测到正、负极直流母线电流的迅速变化之后立即将MMC相应桥臂电压的直流分
量控制到0便可实现MMC-HVDC系统直流故障下的穿越运行。

MMC-HVDC系统电流内环控制器设计以直流单极接地和断线故障为例。

由式（7）和式（8）分别经abc三相静止坐标到dq同步旋转坐标变换可得故障期间MMC 上、下桥臂的电压方程，即
由式（16）可知，将wLeqiud和ωLeqiuq作为前馈项实现d、q轴控制电压与
电流之间的解耦。

此时直流单极接地和断线故障下全桥型MMC上桥臂电流内环
的控制方程为
由此可得上桥臂电流内环的控制框图如图8所示。

同理可得下桥臂电流内环的控
制方程为
下桥臂电流内环控制框图如图9所示。

结合式（9）、式（10）及2倍频环流抑制分量（i=a, b, c）可知，全桥型MMC
在直流单极接地和断线故障条件时上、下桥臂的控制电压方程为
3.2.2 MMC-HVDC系统外环控制器设计
全桥型MMC-HVDC系统直流单极接地和断线故障期间，上桥臂（故障极）主要
用于满足交流电网的无功需求，其次与交流电网交换少量的有功功率以维持桥臂电容电压的平衡。

直流单极接地和断线故障下送、受端全桥型MMC上桥臂有功类
外环控制器如图10a所示。

为加快故障期间系统的动态响应能力，无功类外环控
制器采用电流前馈控制，如图10b所示。

对于送端上桥臂无功类外环控制器，由
于送端有功类控制量为直流母线电压，因此其功率指令计算模块的有功输入采用送端下桥臂输入的有功Po；对于受端上桥臂无功类外环控制器，其功率指令计算模
块的有功输入仍采用有功参考Pref。

通过结合无功参考分量Qref，由功率指令计
算模块决定最终的送、受端上桥臂无功参考电流。

其中Pref和Qref分别表示MMC-HVDC系统直流故障期间的有功和无功指令。

而全桥型MMC下桥臂在故障期间仍处于正常运行状态，送端MMC有功类控制
维持MMC-HVDC系统负极直流母线电压的恒定，为故障下系统有功传输提供传
输通道，如图11a所示。

受端MMC有功类控制为定有功功率控制，如图11b所示。

另外，为加快直流单极接地故障下全桥型MMC-HVDC系统的动态响应能力，送、受端下桥臂无功类外环控制器也采用电流前馈控制，如图11c所示。

同理，
送端MMC下桥臂无功类外环控制器的功率指令计算模块的有功输入采用送端下
桥臂输入的有功Po。

而受端MMC下桥臂功率指令计算模块的有功输入则采用有功参考Pref。

基于PSCAD/EMTDC仿真平台对本文所提改进型直流故障控制策略和功率指令优化策略进行证明，其中系统仿真参数设置见表1。

仿真主要围绕MMC-HVDC系
统直流故障穿越运行控制展开，分为故障前运行、故障穿越运行和故障恢复运行三个仿真场景。

场景1：仿真时间1.1～1.3s。

系统处于故障前的启动和稳定运行阶段，此时系统
送端与受端的无功功率均设定为0，系统有功传输设定为-0.6(pu)。

场景2：仿真时间1.3～2.6s。

为进一步证明本文所提功率指令优化策略的正确性，将场景2划分为5个阶段，其中1.3～1.375、1.375～1.62s、1.62～2.025s、
2.025～2.375s和2.375～2.6s分别为阶段1～5。

送端无功功率在阶段1～5均设定为0；受端无功功率在阶段1、2和3～5分别设定为0、0.3(pu)和-0.6(pu)，
系统有功传输在阶段1～3、4和5分别设定为-0.6(pu)、0和0.6(pu)。

场景3：仿真时间2.6～3s。

系统重新投入运行，送端与受端无功功率分别设定为
0和-0.6(pu)，系统有功传输设定为0.6(pu)。

图12和图13分别为采用本文所提直流故障控制策略下MMC-HVDC系统送端和受端的运行特性仿真分析结果。

1.3s时进入仿真场景2，MMC-HVDC系统发生直流单极接地故障。

1ms之后立
即切换为本文所提的直流故障控制策略，由图12和图13可知，系统切换为本文
所提控制策略之后，MMC上桥臂参考电压立刻被设定为上、下对称且不含直流分量。

而下桥臂参考电压仍与正常运行时保持一致，此时上、下桥臂电压之和Udc
降为额定直流母线电压的一半，即20kV。

由于MMC上桥臂电压无直流分量，桥臂电容停止放电，上、下桥臂电容电压UC均稳定在参考值4kV左右，此时正极
直流母线电流Idc_P逐渐衰减至0左右。

同时故障期间系统内部环流i2f也得到较好的抑制，由此可见直流单极接地故障下的各种过电压、过电流应力均得以消除。

此外，在直流单极接地故障期间MMC-HVDC系统仍可以传递一定容量的有功功率，并同时为交流电网提供快速的无功支持，见表2。

综上可见，在本文所提直流故障控制策略作用下MMC-HVDC系统的安全性、稳定性以及经济性得到了显著
提升。

由表2可知，在直流单极接地故障期间系统有功传输指令绝对值小于等于0.5(pu)时均能实现，如阶段4；否则不能实现，如阶段1、2、3和5。

当无功指令绝对值小于或等于0.5(pu)均能实现，如阶段1和2；当无功指令绝对值大于0.5(pu)时，只有在系统有功传输指令绝对值小于0.5(pu)时可以实现，如阶段4；否则不能实现，如阶段3和5。

且无论任何仿真场景下均优先保证了MMC-HVDC系统的有
功传输要求，实现了MMC上、下桥臂有功和无功指令的合理分配，有效的提高
了系统的经济运行能力。

对比表2与图7可知，本文对直流单极接地故障期间系
统的有功和无功功率容量分析以及所提功率指令优化策略正确可行。

2.6s时进入仿真场景3，由图12和图13可知，在直流单极接地故障期间子模块
电容电压UC也得到了较好的控制，此时直接将MMC-HVDC系统投入运行，系
统恢复正常运行，并具有良好的稳态运行特性。

图14和图15分别为采用本文所提直流故障控制策略下MMC-HVDC系统送端和受端的运行特性仿真分析结果。

1.3s时进入仿真场景2，MMC-HVDC系统发生直流断线故障，1ms之后立即切
换为本文所提的直流故障控制策略。

由图14和图15可知，MMC上桥臂被控制
为不带直流分量的正弦电压，而下桥臂参考电压仍与正常运行状态保持一致，此时上、下桥臂电压之和Udc也降为额定直流母线电压的一半，即20kV，均与直流
单极接地故障控制作用下的运行特性一致。

由于系统正极直流母线发生断线故障，故正极直流母线电流Idc_P立刻下降为0，而负极直流母线在故障期间同单极接地故障均为系统有功传递提供通道，其电流大小随系统传递有功Po大小而实时变化。

对比图13和图15可知，直流断线故障控制与直流单极接地故障控制下系统的
PQ曲线完全一致，另外系统2倍频内部环流分量i2f也得到较好的抑制。

综上分
析可知，直流断线故障下系统的各种电压、电流过应力均得以消除，系统的安全性、可靠性和经济性得到显著提高。

2.6s时进入仿真场景3，由于故障期间子模块电容电压均稳定在参考值4kV左右
无需重新启动，直接将MMC-HVDC系统投入运行，有效提高了MMC-HVDC系统的可靠性。

由图14和图15可知，系统恢复正常运行，并具有良好的稳态运行
特性。

1）建立了MMC-HVDC系统三种直流故障的统一数学模型，针对直流单极接地
和断线故障下的MMC-HVDC系统提出了功率指令优化策略，实现了故障期间MMC上、下桥臂有功和无功功率指令的合理分配，有效提高了MMC-HVDC系。