多端柔性直流输电系统直流故障保护策略

罗永捷，等: 多端柔性直流输电系统直流故障保护策略
3
{ {
i au = － i al
1 1 i + i dc + i diff 2 a 3
1 1 = i a + i dc + i diff 2 3
( 2)
电流主要依靠桥臂 电 抗 器 限 制; 通 常 出 于 限 制换流 阀体积和成 本 的 考 虑， 模块电 容 值 较 小、 放电速度 快， 导致故障电流直流分 量 迅 速 增 大。 故障 电流 交 流分量为交流电网通过直流侧短路故障点形成等效 三相短路故障的馈入电流。换流阀闭锁能够快速抑 制故障电流， 实现直流侧故障清除。 MMCMTDC 换流 阀 闭 锁后， 但是， 若 不 断开交 流断路器， 由于功率模块参数的差异性， 会导致电容 电压逐渐发散， 最终 因 电 容 电压 超过 安全 阈 值 而 使 MTDC 系统 退 出 运行。 利 用 FBMMC 能 整个 MMC－ UC 、 0 三 种 电平的 特 性， 够输出 + U C 、 提 出 一 种改 进的换流器直流故障保护策略。 MMC ， 如图 3 所示 FB由于上下 桥 臂 对 称 性， 分 别对上下三相 桥 臂 建立 数 学 模型。 以 上桥 臂 为 例， 其数学模型为: － L di au － Ri au － u au = u ao + u oP dt di bu － Ri bu － u bu = u bo + u oP － L dt di cu － L dt － Ri cu － u cu = u co + u oP
与基于晶闸管相控换流器的传统直流输电技术 ( LCCHVDC ) 相比， 基于电压源型换流器的柔性直 HVDC ) 具有不存在换相失败风险、 流输电( VSC潮 流反转时直流电压极性不变、 有 功和无功独立解耦 控制等诸多优点， 有较高的经济性和灵活性， 非常适 ［14 ］ 。 ( MTDC ) 于构建 多 端系 统 多 端 柔性直流输电 系统具有多个受端和送端， 能 够将 分 布式 能源输 送 至多个负荷中心， 具有传输 损耗低、 潮流控制 灵活、
平
1
( 1． 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室 ，中国科学院电工研究所，北京 100190 ; 2． 中国科学院大学，北京 100049 ) 摘要: 直流故障保护是多端柔性直流输电系统的一个关键性问题 。本文在全桥型模块化多电平换 流器的基础上， 提出适用于多端直流输电系统的换流器级和系统级直流故障保护策略 。 根据全桥 型模块拓扑特性， 换流阀闭锁实现故障电流快速清除; 然后换流器等效为双星型级联 H 桥 STATCOM 并 联 运行， 为故障清除和 隔离开 关动 作隔离 故障点提 供条件; 最 后 转 换换流器 运行 模 式完成 多端柔性直流输电系统的快速 恢复。 在 PSCAD / EMTDC 中 搭建了三 端柔性直流输电系统 仿真 模 型， 分析了直流故障和系统重新启动的运行特性， 仿真结果证明了控制策略的有效性。 关键词: 多端柔性直流输电; 直流故障; 全桥型模块化多电平换流器; 短时闭锁; STATCOM 并 联 运行
{
L
di ud + Ri ud － ωLi uq = e ud － u ud dt
di uq L + Ri uq + ωLi ud = e uq － u uq dt
( 6)
3. 2
换流器级保护策略 发生短路故障时， 故障电流急剧增大， 在很短时
i ud， u ud， 式中， 桥 臂 电压 q、 q 和 e ud， q 分 别 为 上桥 臂 电流 、 和交流电压的 dq 轴分量。 由数学模型可知， 当三相上桥臂独立控制时， 可 通过控制桥臂参考 电压， 使 三 相 上桥 臂 连接 公共 点 ( 直流母线 正 极 ) 与电 网 电压 中 性 点 等电 位; 同 理， 三相下桥臂 连接 公共 点 ( 直流 母 线 负 极 ) 也 与电 网 MMC 直流 侧 极 间 电压中性点等电 位， 从 而 使得 FB电压 u PN 为零。直流极 间 电压为 零 是 不 使 用 高压 大 容量直流断路器， 利 用现 有直流 隔离 开关对 故障点 进行可靠隔离的前提条件。换流器级保护策略控制 框图如图 5 所示。 换流器级保护 策略 分为 两个 阶段: ① MTDC 发
( 4)
三相平衡 电 网 满 足 u ao + u bo + u co = 0 。 在直流 MTDC 系统尚未恢复功率传输， 短路故障 发生后， 因 此有 i au + i bu + i cu = 0 。对式( 4 ) 求和， 有: u oP = － ( u aP + u bP + u cP ) / 3 ( 5)
图3 Fig． 3 MMC 电路拓扑
Circuit topology of MMC
FBMMC 功率模块由 4 个全控型 半 导 体开关 器 件和直流电 容构 成， 包括四种 工 作 状态: 输 出 + U C 、 － UC 、 0 和闭锁状态。正常运行状态下， 全 桥 型模块 与半桥型模块工作方式相同， 输出电压为 + U C 或 0 。 FBMMC 交流输出电压 u ao 可表 示 以 A 相为例，
中图分类号: TM72 文献标识码: A 3076 ( 2015 ) 12000106 文章编号: 1003-
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引言
交流断路器属于机械开关， 响应速度慢; 发生短路故 障且断路器未分断 期 间， 故障点 等 效 为 交 流电 网三 相短路， 急剧增大的 短路 电流 对交 流 系 统 稳定 性 和 换流阀的安全有 严 重 影响; 此外， 清除故障 后， 直流 系统重新恢复功率 输 送 需要预充 电、 解 锁 等 复杂 的 时序配合。上述问题使得工程中通常采用造价昂贵 的电缆作为输电线 路 以降 低故障 率， 阻碍了 多 端 柔 ［812 ］ 。 性直流输电的发展和应用 基于上述原因， 直流 短路故障 保护日益成 为多 端柔性直流输电系统的研究热 点。 德 国 学者 Rainer Marquardt 将 MMC 拓扑分为: ①半桥型 HBMMC ， 功 率半导体器件少、 损耗低， 但是缺乏直流故障穿越能 MMC 和 双 钳 位 子 模 块 型 DC力; ② 全 桥 型 FBMMC ， 具 备 直流 故障 穿越 能力， 但功率半导体器件 13］ MMC 的直流 故 多、 损耗较高。文献［ 研究了 DC障穿越机理， 即模块电 容 在 故障 回 路 提供 的反电 势 足够大， 利用二极管 单 向导 通 特 性 完 成 故障 电 弧切 14］比 较 了 各种 MMC 拓扑 的 参数 和 性 断。文献［ 能， 以混合串联全桥型和半桥型模块的方式， 实现减 15］利 用 FBMMC 直流 母 少开关器 件 数 量。 文献［
图1 Fig． 1 MTDC 系统结构
为:
Structure of MTDC system
2. 2
换流器数学模型 MMC 由六 个桥 臂 构 成， 全桥型 FB每 桥 臂包括 N 个功率模块( SM) 和桥 臂 电 感 L， 上 下 两个桥 臂 构 成一个相单元， 如图 3 所 示。图 3 中 u io 为 交 流输 出 i = a， b， c; 电压， 其 中 o 为 假想 的 交 流相电压 中点， U dc 为直流母线电压。
பைடு நூலகம் 2
电工电能新技术
第 34 卷
线电压在一定范围内可 控的 特 性， 提出一种降低直 流母线电压以实现直流侧单极对地短路和双极短路 故障穿越的保护策略。 换流站的协调控制也对多端直流输电系统故障 保护有重要影响。 协调 控制 通 常 包括主从 式 控制、 偏差控制和下垂控制等。主从式控制依赖于换流器 主站 发生 故障 后 系 统 无 与控制系统间的高 速 通 信， 法正常运行。偏差控制对控制器参数选择有较为严 格的限制， 容易 出 现系 统 震荡。 下垂 控制 策略 为多 点控制， 不 依赖 于换流 站 间 的高 速 通 信， 可靠 性 较 ［16 ］ 高 。 针对 MTDC 直流故障 保护 存在的 问题， 本文基 FBMMC ， 于 拓扑 首 先 建立 换流器 数 学 模型， 对换 提 出 一 种 适用 于 流器级保护策略进 行 改进。 然 后， 多端柔性直流输电 系 统的“换流 阀 短 时 闭 锁 + 重 解 锁双 STATCOM 并联运行” 直流 故障 保护 策略， 能够 实现短路故障电流 快速清除， 并 且 避免 交 流 断 路 器 跳闸和系统停运。结合多端系统的直流电压下垂控 制， 实现故障后 MTDC 系统快速 恢复 和 N － 1 运行。 最后 ， 在 PSCAD / EMTDC 中 验证所 提 出 故障 保护 策 略的有效性。
i a 为 A 相电流; i dc 和 i diff 为直流分 量和 环 流分 式中， 量。 上下桥臂参考电压 u au_ref 和 u al_ref 分别表示为: 1 u au_ref = U dc － u m cos( ωt + δ) 2 ( 3) 1 u al_ref = U dc + u m cos( ωt + δ) 2 U dc 为直流 母 线 电压; u m 为 桥 臂 电压 交 流分 量 式中， 幅值; ω 为工频角频率; δ 为相位角。
只考 虑 基 波 分 量， 在 三 相电压平 衡 的工 况 下， u oP = 0 。同理， 对下桥臂可得 u oN = 0 。 对 式 ( 4 ) 进 行 Park 变换可得:
图4 Fig． 4
FBMMC 模块闭锁状态电流回路
Current path of blocked FBMMC module
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3. 1
控制保护策略
短路电流清除原理 FBMMC 拓扑具备直流故障清除 能力。 发生直
所有换流 阀 功 率 模块 中 的 开关 器 件 流短路故障后， 立即关断， 功率模块处于闭锁状态， 根据初始时刻桥 臂电流方向的不 同， 存在 两 种 电流 回 路， 如图 4 所 示。在桥臂电感的 续 流 作 用 下， 桥 臂 电流为模块电 容充电， 因此所有闭 锁 状态 的模块电 容 均 以充 电 状 态串入放电回路。 正 常 状态下 MMC 桥 臂 电 容 电压 所 以 闭 锁后 桥 臂 电流 将 迅 速 高于交流线电压峰 值， ， 减小至零 实现故障电流清除。
［57 ］ 。 世界首 能够连接异步 电 网且易 于 扩 展等 优点 — —中国广东南澳大规模 个多端柔性直流输电系统—
海上风电接入示范工程已于 2013 年底投入运行。 直流短路故障是柔性直流输电系统最严重的故 障之一。一方面， 当前 工 程中常用 的 两 电平 或三 电 MMC ) 平 VSC 和半桥 型模块化多电平换流器 ( HB无法实现直流短路故障的快速清除; 另一方面， 适用 于高压大容量场合 的直流 断 路 器制 造 工 艺尚 不 成 熟。因此通常采用 分 断交 流 断 路 器的方 式， 断开交 直流系统的连接， 以清除故障电流、 保护换流阀。但
图2 Fig． 2 MTDC 系统连接方式［2］ Connection of MTDC system
2
2. 1
MTDC 运行原理
多端系统连接方式
多端柔性直流输电系统的结构如图 1 所示。典 型的连接 风电 场和 交 流电 网 MTDC 系 统 包括 直流 网络、 交流电网和 换流 站。 直流 系 统 连接 方 式 可 分 ［2 ］ 为串联、 并联 和 混联 ， 如图 2 所 示。 目 前 工 程中 一般采用并联方式。
0819 收稿日期: 2015-
基金项目: 国家高技术研究发展计划 ( 863 计划) 资助项目( 2015AA050102 ) ) ，男，重庆籍，博士研究生，研究方向为模块化多电平换流器与柔性直流输电技术 ; 作者简介: 罗永捷( 1988) ，男，河南籍，研究员，博士生导师，研究方向为电力电子变流技术 、电机分析与控制技术 李耀华( 1966等。
{
u ao = u ao
di au 1 U － u au － L － Ri au 2 dc dt
di al 1 = － U dc + u al + L + Ri al dt 2
( 1)
u au 和 u al 为 上 下 桥 臂 电压。 桥 臂 电流 i au 和 i al 式中， 表示为:
第 12 期
第 34 卷 第 12 期 2015 年 12 月
电工电能新技术 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol． 34 ，No． 12 Dec． 2015
多端柔性直流输电系统直流故障保护策略
1， 2 1 1 罗永捷 ，李耀华 ，李子欣 ，王