基于MMC多端柔性直流輸電保護關(guān)鍵技術(shù)研究

付 艷，黃金海，吳慶范，范子強，許朋見，蘆明明，范雪峰

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

基于MMC多端柔性直流輸電保護關(guān)鍵技術(shù)研究

付 艷，黃金海，吳慶范，范子強，許朋見，蘆明明，范雪峰

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

基于MMC的多端柔性直流輸電是直流輸電的重要發(fā)展方向。對MMC多端柔性直流輸電控制保護系統(tǒng)進行了研究，介紹了一種基于子模塊電容電壓優(yōu)化平衡控制算法的控制策略，詳細(xì)給出了柔性直流輸電系統(tǒng)保護配置，對閥側(cè)交流母線差動保護策略和換流器區(qū)保護策略等保護關(guān)鍵技術(shù)問題進行深入研究，給出了具體的解決策略。并搭建了多端MMC-HVDC仿真試驗系統(tǒng)驗證控制保護研究策略，詳細(xì)分析了閥側(cè)交流母線兩相短路接地故障和換流器上橋臂短路故障仿真結(jié)果。所研究內(nèi)容對多端MMC-HVDC工程的研究和發(fā)展有重要的借鑒意義。

電壓優(yōu)化平衡；閥側(cè)交流母線差動保護策略；換流器區(qū)保護策略；多端 MMC-HVDC；仿真試驗系統(tǒng)；故障仿真結(jié)果

0 引言

柔性直流輸電采用的是可關(guān)斷的電壓源型換流器(VSC)，具有向無源電網(wǎng)(孤島)供電、快速獨立控制有功與無功、潮流反轉(zhuǎn)快、運行方式靈活等優(yōu)點。柔性直流輸電技術(shù)作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，已成為當(dāng)今世界電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的制高點[1-2]。模塊化多電平換流器(MMC)是一種新型 VSC 拓?fù)?，因其具有結(jié)構(gòu)模塊化、開關(guān)頻率低、諧波含量小、易于實現(xiàn)高壓多電平輸出等優(yōu)點，成為柔性直流輸電工程的優(yōu)選拓?fù)渲籟3-4]。多端直流(MTDC)比兩端直流系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟性和靈活性，實現(xiàn)多電源供電、多落點受電，是直流輸電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向[5-6]?；?MMC 的多端柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)合了MMC技術(shù)和MTDC技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 柔性直流輸電控制保護系統(tǒng)研究

1.1 MMC 基本原理

圖1 所示為三相模塊化多電平換流器(MMC)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，O點為零電位參考點，一個換流器包含6個橋臂，每個橋臂由一個電抗器和N個子模塊串聯(lián)而成[7-10]。

圖1 MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of MMC topology

子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。MMC子模塊是由兩個 IGBT、兩個反并聯(lián)二極管和一個電容組成，兩條有端點的引線連接主電路。圖中給出了子模塊運行時的工作狀態(tài)，流過子模塊的電流為 i，設(shè)流入子模塊為正，流出子模塊為負(fù)，而電流的正負(fù)決定電容的充放電。

圖2 子模塊運行時的工作狀態(tài)Fig. 2 Structure of sub-module running condition

當(dāng) T1導(dǎo)通、T2關(guān)斷時，電容被投入到主電路中，子模塊輸出端引出子模塊電容電壓。電流的方向決定了子模塊是處于充電還是放電狀態(tài)，利用這一特點可實現(xiàn)各子模塊電壓維持在同一水平值。當(dāng)T2 導(dǎo)通、T1 關(guān)斷時，電容從主電路中切出，子模塊輸出端約為零電壓，即僅是開關(guān)器件的通態(tài)壓降，利用這一特點可實現(xiàn)子模塊冗余保護的設(shè)計。當(dāng)兩個 IGBT 均閉鎖時，子模塊只能被充電而不能放電。即要實現(xiàn)子模塊的投入或切除，只需控制該子模塊的上下兩個 IGBT 的開關(guān)狀態(tài)。

1.2 MMC 控制策略研究

已知MMC的運行條件：一、恒定的直流電壓。每個橋臂由N個子模塊組成，每個相單元含上下兩個橋臂，任一瞬時每個相單元投入N個子模塊，即

二、交流側(cè)輸出三相交流電壓[11]。當(dāng)一個橋臂投入的子模塊數(shù)從 0~N 變化時，交流側(cè)可以得到 N+1級電壓[12]?？梢缘贸鋈我粫r刻 MMC 上下橋臂需要投入子模塊的個數(shù)為

如何實現(xiàn)在任一時刻子模塊的投入和切除控制的同時，又要保證子模塊的電容電壓均衡，是MMC控制的關(guān)鍵。首先，監(jiān)測各子模塊的電容電壓值，并輸入控制器進行排序。其次，測量橋臂電流方向，確定子模塊電容是放電還是充電。最后，在下次電平變動時刻，如果橋臂電流對子模塊電容充電，則投入該橋臂中電容電壓偏低的子模塊；如果橋臂電流方向?qū)е伦幽K電容放電，則投入該橋臂中電容電壓偏高的那些子模塊。子模塊電容電壓優(yōu)化平衡控制算法如圖3所示。

圖3 子模塊電容電壓優(yōu)化平衡控制算法Fig. 3 Sub-module capacitor voltage optimization of balance control algorithm

1.3 柔性直流輸電系統(tǒng)保護配置研究

首先根據(jù)一次設(shè)備和運行維護以及確認(rèn)故障范圍的需要[13]，將柔性直流輸電系統(tǒng)的保護區(qū)域劃分為換流變壓器保護區(qū)、閥側(cè)交流母線保護區(qū)、換流器保護區(qū)和直流極保護區(qū)。各個區(qū)域的保護功能配置如圖4所示。其中，換流器保護區(qū)主要對換流器、換流器與交流母線的部分連接線路以及橋臂電抗器進行保護，包含子模塊保護、閥保護、直流保護，以上保護區(qū)域的劃分確保了對所有相關(guān)的直流設(shè)備進行保護，相鄰保護區(qū)域之間重疊，不存在死區(qū)。

圖4 保護分區(qū)、測點、保護功能配置示意圖Fig. 4 Structure of protect partition, measuring point, and function configuration

2 保護關(guān)鍵技術(shù)問題研究及解決策略

目前柔性直流輸電工程大多采用偽雙極接線方式，即在換流變壓器閥側(cè)并聯(lián)三相星形電抗器構(gòu)造人為中性點，并經(jīng)接地電阻接地，使直流線路呈現(xiàn)正、負(fù)極性對稱的線路，此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和測點配置大大增加了閥側(cè)交流母線差動保護的設(shè)計難度，而閥側(cè)交流母線差動又是閥側(cè)交流母線區(qū)域的主保護，因此本文針對此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和測點配置，提出一種閥側(cè)交流母線差動保護的實現(xiàn)方法，經(jīng)試驗驗證，該方法可快速、準(zhǔn)確地判斷故障，有效地保護整個系統(tǒng)。

換流器保護區(qū)內(nèi)包含了柔性直流輸電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元器件即 MMC，由于 IGBT 的器件特性，造價昂貴，電流和電壓的過載能力差，大倍率的過流和過壓的能力都在幾 μs 到幾十 μs，所以換流器區(qū)的保護是柔性直流輸電保護系統(tǒng)的重點和難點。因此，本文主要針對閥側(cè)交流母線差動保護和換流器區(qū)保護問題研究提出解決策略。

2.1 閥側(cè)交流母線差動保護研究

閥側(cè)交流母線保護區(qū)一次設(shè)備與測點如圖4閥側(cè)交流母線保護區(qū)所示，閥側(cè)交流母線差動保護判據(jù)為

則閥側(cè)交流母線區(qū)各相差流的絕對值為

2.2 換流器區(qū)保護策略研究

柔性直流的換流器保護區(qū)采用分級、分層的分布式結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，如圖4換流器保護區(qū)所示，包含子模塊保護、閥保護、直流保護。其中，子模塊保護包括子模塊過壓、欠壓保護，子模塊驅(qū)動故障保護，子模塊通信故障保護，旁通開關(guān)拒動保護，在子模塊中集成，文獻[14]對子模塊故障進行了詳細(xì)的分析，并提供了保護解決方案。由于常規(guī)的直流保護裝置計算能力有限，無法滿足保護對于時間上的要求，故將閥級橋臂過流保護集成在閥控制保護裝置里。保護判據(jù)為：時，閥保護發(fā)出閉鎖、觸發(fā)旁通晶閘管請求。直流保護包括橋臂電抗器差動保護、換流器差動保護、換流器過流保護，均用到各相橋臂電流值，故橋臂電流是換流器區(qū)故障檢測的重要指標(biāo)。

由于換流器過流保護的保護判據(jù)采用的是各相橋臂電流的有效值，故需要求交變電流：的有效值。根據(jù)有效值的定義 ，交變電流在一個周期內(nèi)通過電阻R產(chǎn)生的熱量為

根據(jù)交變電流有效值的定義，有

3 柔性直流輸電仿真試驗研究

3.1 仿真試驗平臺構(gòu)建

基于MMC的柔性直流輸電系統(tǒng)需要大量的子模塊串聯(lián)，給實時仿真計算帶來了巨大的挑戰(zhàn)針對多端MMC-HVDC控制保護系統(tǒng)同時構(gòu)建多端MMC-HVDC 的 RTDS 和 RT-LAB 仿真模型，均實現(xiàn)了控制保護系統(tǒng)的實時半實物仿真。構(gòu)建不同的仿真平臺，可以通過不同仿真軟件的仿真試驗更好地了解多端 MMC-HVDC 的特性，更好地驗證多端MMC-HVDC 控制保護系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定性。

柔性直流保護試驗故障點示意圖見圖5所示。

圖5 柔性直流保護試驗故障點示意圖Fig. 5 Structure of flexible DC protection test failure point

3.2 閥側(cè)交流母線兩相短路接地故障仿真

系統(tǒng)運行工況為：站 1 采用定直流電壓 400 kV，定無功功率 0 Mvar，站 2 采用定有功功率 300 MW，定無功功率 0 Mvar，故障點設(shè)置站 2 閥側(cè)交流母線AB 兩相短路接地故障 F1，故障持續(xù)時間為 200 ms。站 2 仿真波形如圖6 所示：其中圖6(a)為閥側(cè)交流母線電流波形圖；圖6(b)為啟動回路閥側(cè)電流波形圖；圖6(c)為閥側(cè)電壓波形圖；圖6(d)為接地電阻電流波形圖。

圖6 站 2 仿真波形圖Fig. 6 Simulation waveform structure of station 2

通過波形圖可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定運行 1 s 后發(fā)生閥側(cè)交流母線AB兩相短路接地故障，站2系統(tǒng)：故障后 6.00 ms 閥側(cè)交流母線差動保護閉鎖，閥側(cè)交流母線過流保護閉鎖，故障后 46.00 ms 跳開交流斷路器。站 1 系統(tǒng)：故障后 10.00 ms 收到對站啟動閉鎖信號，閉鎖本站。從波形圖看，故障發(fā)生后，換流器閥側(cè) AB 兩相電壓為 0 kV，C 相電壓由相電壓變?yōu)榫€電壓，換流器閥側(cè) AB兩相電流迅速增大，達到閥側(cè)交流母線過流保護限值，保護啟動閉鎖、跳交流斷路器出口命令，同時，有較大的故障電流流入 F1處接地點，使閥側(cè)交流母線差動保護也達到保護限值，保護啟動閉鎖、跳交流斷路器出口命令。

3.3 換流器上橋臂短路故障仿真

系統(tǒng)運行工況為：站 1 采用定直流電壓 400 kV，定無功功率 0 Mvar，站 2 采用定有功功率-300 MW，定無功功率 0 Mvar，故障點設(shè)置站 2 上橋臂短路故障，故障持續(xù)時間為 200 ms。站 2 仿真波形如圖7 所示：其中圖7(a)為閥側(cè)交流母線電流波形圖；圖7(b)為啟動回路閥側(cè)電流波形圖；圖7(c)為換流器上橋臂電流波形圖；圖7(d)為換流器下橋臂電流波形圖。

通過波形圖可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定運行 1 s 后發(fā)生換流器平抗網(wǎng)側(cè)AB兩相短路故障，站2系統(tǒng)：故障后 7.20 ms 橋臂電抗器差動保護閉鎖，橋臂過流保護閉鎖，閥側(cè)交流母線過流保護閉鎖，啟動回路過流保護閉鎖，故障后 42.00 ms跳開交流斷路器。站 1 系統(tǒng)：故障后 10.00 ms收到對站啟動閉鎖信號，閉鎖本站。從波形圖可以看出，故障發(fā)生后，閥側(cè)交流母線電流、啟動回路閥側(cè)電流、換流器上橋臂電流和換流器下橋臂電流的AB兩相電流均迅速增大超過保護定值，保護啟動閉鎖、跳交流斷路器出口命令，同時，橋臂電抗器差動保護也達到保護限值，保護啟動閉鎖、跳交流斷路器出口命令。

圖7 站 B 仿真波形圖Fig. 7 Simulation waveform structure of station B

4 總結(jié)

本文介紹了 MMC-HVDC 基本原理，并闡述了一種基于子模塊電容電壓優(yōu)化平衡控制算法的控制策略。詳細(xì)分析了柔性直流輸電保護系統(tǒng)，主要包括柔性直流輸電系統(tǒng)保護配置研究、保護關(guān)鍵技術(shù)問題及解決策略，包含閥側(cè)交流母線差動保護、換流器區(qū)保護策略。搭建了多端 MMC-HVDC 仿真試驗系統(tǒng)，詳細(xì)分析了閥側(cè)交流母線兩相短路接地故障和換流器上橋臂短路故障仿真，驗證了控制保護系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，為多端 MMC-HVDC 工程的研究和發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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(編輯 魏小麗)

Key technologies research based on multi-terminal MMC-HVDC protection

FU Yan, HUANG Jinhai, WU Qingfan, FAN Ziqiang, XU Pengjian, LU Mingming, FAN Xuefeng
(XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

The flexible multi-terminal HVDC based on MMC is an important development direction of HVDC. This paper researches the control and protection system of flexible HVDC based on MMC. It introduces one control strategy based on sub-module capacitor voltage optimization of balance control algorithm and provides the protection configuration of flexible HVDC system in detail. The key technical problems of protection including the strategy of valve side AC busbar differential protection and inverter area protection are researched further. And a specific solution strategy is provided. A multiterminal MMC-HVDC simulation test system is set up to examine control and protection strategy. Then it analyzes the fault simulation results of two-phase connected to ground in valve side AC busbar, and the short circuit in inverter up bridge arm. The research in this paper has important significance for the research and development of multiterminal MMC-HVDC project.

voltage optimization balance; strategy of valve side AC busbar differential protection; strategy of inverter area protection; multiterminal MMC-HVDC; simulation test system; fault simulation results

10.7667/PSPC151706

：2015-12-31

付 艷( 1987-)，女，碩士研究生，工程師，從事柔性直流輸電保護軟件設(shè)計及研究；E-mail: fuyan@xjgc.com

黃金海(1975-)，男，高級工程師，長期從事高壓直流輸電保護軟件設(shè)計及研究；

吳慶范(1982-)，男，碩士研究生，高級工程師，長期從事高壓直流輸電保護軟件設(shè)計及研究。

河南省重大專項項目“高壓大容量柔性直流輸電裝備關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)品研制”；國家電網(wǎng)公司科技項目“±500 kV 柔性直流電網(wǎng)超高速保護關(guān)鍵技術(shù)研究”。