CDSM-MMC直流側(cè)故障隔離原理及重啟動策略

郭琦，徐東旭，林雪華，李巖，劉崇茹

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東廣州 510080；2.華北電力大學(xué)，北京 102206）

CDSM-MMC直流側(cè)故障隔離原理及重啟動策略

郭琦1，徐東旭2，林雪華1，李巖1，劉崇茹2

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東廣州 510080；2.華北電力大學(xué)，北京 102206）

采用模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)，目前除了常見的半橋和全橋結(jié)構(gòu)型的子模塊，基于鉗位雙子模塊的模塊化多電平換流器由于其不僅能夠隔離直流側(cè)故障，且在經(jīng)濟性、性能上具有較強的優(yōu)勢，得到了廣泛的關(guān)注和研究。通過介紹鉗位雙子模塊（Clamp Double Sub-Module，CDSM）的工作原理，詳細討論分析了CDSM對于直流側(cè)發(fā)生雙極性短路、單極短路、斷線等故障的隔離原理，以及柔性直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障后控制器的工作狀態(tài)，提出一種新型的柔性直流輸電系統(tǒng)故障后的重啟動策略，并在PSCAD/EMTDC下建立單端21電平基于CDSM結(jié)構(gòu)的柔性直流輸電仿真模型，通過對比所提出的重啟動過程與原有重啟動過程，驗證了所提出重啟動策略的有效性。

模塊化多電平換流器；鉗位雙子模塊；直流側(cè)故障；重啟動

柔性直流輸電因其采用了可單獨控制導(dǎo)通/關(guān)斷的IGBT而非傳統(tǒng)直流輸電中的晶閘管，使得柔性直流輸電可以工作在無源換流狀態(tài)，獨立控制有功和無功，無需額外的無功補償，沒有換相失敗的問題[1-3]。模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）作為一種新型的柔性直流輸電技術(shù)，由于其模塊化拓撲結(jié)構(gòu)易擴展、集成化程度高、輸出諧波少而成為新的研究熱點[4-5]。應(yīng)用于MMC的子模塊主要有3種：半橋子模塊（half bridge sub-module，HBSM）、全橋子模塊（full bridge sub-module，F(xiàn)BSM）、鉗位雙子模塊（clamp double sub-module，CDSM）。HBSM由于其結(jié)構(gòu)簡單，所用器件少，在目前的MMC實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用，但HBSM因其自身拓撲結(jié)構(gòu)的限制，無法隔離直流側(cè)故障，只能通過在交流側(cè)設(shè)置斷路器來處理直流側(cè)故障，經(jīng)濟性和安全性都比較差。盡管FBSM具有隔離直流側(cè)故障的能力，但由于造價太高而一直未被采用。CDSM被提出后，由于其不僅能夠隔離直流側(cè)故障，而且在經(jīng)濟性、性能上具有較強的優(yōu)勢，從而被視為隔離直流側(cè)故障的最佳選擇。

文獻[6-7]研究了HBSM-MMC直流側(cè)發(fā)生故障后故障電流的變化，說明了HBSM無法通過閉鎖隔離直流側(cè)故障的原因；文獻[8-9]著重分析了三種子模塊的優(yōu)缺點；文獻[10-12]分析了CDSM的結(jié)構(gòu)特點，并且分析了直流側(cè)雙極性短路故障下CDSM隔離直流側(cè)故障的原理，但未涉及直流側(cè)單極短路故障與斷線故障；文獻[13-16]研究了HBSM-MMC的重啟動過程，但針對CDSM的重啟動研究則較少。

本文從分析CDSM的工作原理入手，通過對直流側(cè)雙極性短路故障、單極接地短路故障、斷線故障等效電路的分析，詳細闡述了基于CDSM的MMCHVDC系統(tǒng)隔離直流側(cè)故障的過程，并針對故障后直接重啟動時所產(chǎn)生的波動量大、恢復(fù)穩(wěn)定時間長問題，通過分析控制器在故障條件下的響應(yīng)，提出一種新型的重啟動策略，并在PSCAD/EMTDC環(huán)境下驗證了其有效性。

1 CDSM工作原理

圖1是CDSM-MMC的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，圖2是CDSM的拓撲圖。

圖1 CDSM-MMC結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of CDSM-MMC

圖2 CDSM結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of CDSM

1）正常運行狀態(tài)下，T5保持導(dǎo)通，T1與T3、T2與T4觸發(fā)信號互補。T1導(dǎo)通T3閉鎖時，第一個電容投入，T4導(dǎo)通T2閉鎖時，第二個電容投入運行。此時，CDSM可以等效為兩個HBSM的級聯(lián)，只需要將等效的第二個HBSM的觸發(fā)信號取反即可。

2）閉鎖狀態(tài)下，所有IGBT均閉鎖，此時CDSM可等效為如圖3所示的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖3 CDSM閉鎖等效電路Fig.3 The equivalent circuit of locked CDSM

圖3中箭頭表示電流正方向，UC表示電容C上的電壓的大小。

由圖3可以看出，CDSM閉鎖時，存在2種情況：1）電流為正（從N1到N2），CDSM相當(dāng)于一個二極管與2UC電容的串聯(lián)；2）電流為負（從N2到N1），CDSM相當(dāng)于一個二極管與UC電容的串聯(lián)。

2 CDSM隔離直流側(cè)故障原理分析

從以上分析可知，閉鎖狀態(tài)下，電流都會經(jīng)過電容，并且電容均處于充電狀態(tài)，這就為直流側(cè)故障的隔離提供了可能。下面以具體的直流側(cè)故障為例，詳細分析CDSM隔離直流側(cè)故障的原理。

由于文獻[14]已對直流側(cè)雙極性短路故障的隔離原理進行了充分分析，因此，本文的分析重點為直流側(cè)單極接地故障與斷線故障時，CDSM對于故障的隔離原理。

2.1 單極接地短路故障

直流側(cè)發(fā)生單極接地短路故障時（以正極為例），電路中的短路電流主要由交流測電源通過故障極所對應(yīng)的橋臂的對地放電構(gòu)成。CDSM閉鎖后，以A相為例，其等效電路見圖4，UA為A相電壓。

由圖4可看出，圖中兩條電流通路存在的必要條件是：

由于MMC系統(tǒng)的調(diào)制比通常小于1，式（1）和式（2）恒不滿足，因此這種情況下的短路電流通路并不存在，即CDSM能夠隔離直流側(cè)單極短路接地故障。

圖4 單極接地短路故障電流通路Fig.4 The single short circuit current path

2.2 斷線故障

當(dāng)直流側(cè)發(fā)生斷線故障時（以負極為例），由于直流側(cè)電流通路被阻斷，電路中的故障電流通路以相間回路為主，且此相間回路是同一個橋臂的相間回路。以AB相上橋臂為例，CDSM閉鎖后，其等效電路見圖5。

圖5 直流側(cè)斷線故障電流通路Fig.5 The current path of DC side break line fault

由圖5可以看出，若以上電流通路存在，則必須滿足

同樣由于調(diào)制比小于1，式（3）、式（4）恒不成立。電流通路不存在，即CDSM能夠隔離直流側(cè)斷線故障。

2.3 故障分析仿真驗證

為了驗證以上分析的正確性，在PSCAD/EMTDC中建立CDSM-MMC單端模型，如圖6所示，直流側(cè)用直流電源代替。具體參數(shù)如表1所示。

表1中US為交流側(cè)線電壓有效值，ZS為交流側(cè)阻抗，Udc為直流側(cè)電壓，L0為橋臂電感，C為子模塊電容。

2.0 s直流側(cè)發(fā)生故障，2.02 s所有IGBT閉鎖。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 CDSM-MMC模型Fig.6CDSM-MMC model

表1 CDSM-MMC模型參數(shù)Tab.1 The parameter of CDSM-MMC model

由圖7仿真結(jié)果可以看出，直流側(cè)故障發(fā)生后，由于電流通路不存在，換流器所傳送的功率迅速降為0。由于橋臂電感的存在，導(dǎo)致電流不會突然變?yōu)?，而是會從正常運行狀態(tài)下逐漸衰減到0。從而導(dǎo)致在CDSM閉鎖時，電容電壓會有一個充電過程，然后達到穩(wěn)定不變的狀態(tài)。

圖7 直流側(cè)故障下電容電壓與交流側(cè)輸出功率變化Fig.7 The changes of capacitor voltage and AC side output power in DC faults condition

由圖8可看出，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生雙極性短路故障時，由于短路通路的存在，故障電流先會增大。當(dāng)CDSM閉鎖后，由于電路的阻斷，電流迅速減小至0。此仿真結(jié)果驗證了本文關(guān)于CDSM隔離直流側(cè)故障分析的正確性。

圖8 雙極性短路故障下故障電流Fig.8 The fault current after bipolar short-circuit fault

3 重啟動策略

3.1 PI工作原理

為了達到MMC的控制目標(biāo)，在控制系統(tǒng)中引入了大量的PI控制器，其工作原理如下：

式中：out為輸出；in為輸入；K為比例環(huán)節(jié)系數(shù)；T為積分環(huán)節(jié)系數(shù)。為了使得在暫態(tài)過程中PI的輸出不過大，在實際應(yīng)用中，往往會在給PI的輸出out限值。如圖9所示。

圖9 PI工作原理Fig.9 The operational principle of PI

3.2 按初始時刻啟動

本文首先以單端CDSM-MMC系統(tǒng)發(fā)生直流側(cè)雙極性短路為例，研究其按照初始時刻的啟動過程重啟動的策略的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，雖然這種方式可以對系統(tǒng)進行重啟動，但需要時間長波動量比較大，并不是一個好的方案。例如，采用圖7所示的系統(tǒng)進行分析，1.6 s～1.65 s發(fā)生直流側(cè)雙極性短路，其他時間正常運行。發(fā)生故障后，系統(tǒng)在1.602 s閉鎖所有IGBT，在1.7 s解除IGBT閉鎖狀態(tài)。

可以看出，將初始啟動時刻的啟動策略應(yīng)用于重啟動中雖然系統(tǒng)能夠重啟動成功并且恢復(fù)穩(wěn)定運行，但是其恢復(fù)穩(wěn)定所需的時間大約為1.3 s，且恢復(fù)穩(wěn)定過程中電容電壓波動量達到2 kV，交流側(cè)輸出有功功率一度達到12 MW，橋臂電流波動達到1 kA。對于實際系統(tǒng)來說，此種重啟動效果恢復(fù)時間過長，波動量過大，會給系統(tǒng)保護帶來巨大的挑戰(zhàn)。

3.3 PI清零重啟動策略

為了解決以上重啟動策略恢復(fù)穩(wěn)定的時間長，波動量大的問題，本文發(fā)現(xiàn)CDSM-MMC的控制器一直在作用，所以PI環(huán)節(jié)中的積分部分一直在繼續(xù)計算，以致于在故障發(fā)生和故障閉鎖之后，系統(tǒng)中各個量運行在非正常狀態(tài)下時PI仍然在繼續(xù)積分，由此而得到的PI值必定會影響其恢復(fù)穩(wěn)定的過程。

圖10 無附加策略重啟動效果Fig.10 The restart effect with no additional strategy

按初始時刻啟動，其PI輸出值如圖11所示。

圖11 PI輸出值Fig.11 The output of PI

由于控制系統(tǒng)所涉及大量的PI，本文僅以其中一個為例。由圖11可看出，在系統(tǒng)發(fā)生故障期間，PI仍處于計算過程。一次系統(tǒng)的暫態(tài)電氣量會使得PI的值不斷偏離穩(wěn)態(tài)值，使得系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時間長，波動大。

為了解決上述問題。由于在CDSM閉鎖之后，系統(tǒng)之間傳送的功率降為0，因此本文考慮在CDSM閉鎖的同時，將PI控制器中的初始值清零。PI清零策略如圖12所示。

其中pre_out為PI積分部分的前一時刻值，out_j為本時刻值，det為仿真步長，in為PI輸入，out為PI輸出，T為積分系數(shù)，K為比例系數(shù)，min為PI輸出最小值，max為PI輸出最大值。

圖12 PI清零策略Fig.12 The PI cleared strategy

由圖12可看出，其用梯形積分計算PI的積分部分，并且可以實現(xiàn)故障閉鎖期間，PI中存儲的上一時刻積分部分的值為0，可以有效避免故障時積分部分的持續(xù)計算對于系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的不利影響。

將PI清零策略應(yīng)用于系統(tǒng)故障后恢復(fù)穩(wěn)定的仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 附加PI清零的重啟動控制策略Fig.13 The restart effect with PI cleared strategy

由圖13可以看出，附加PI清零的重啟動控制策略重新恢復(fù)穩(wěn)定運行所需的時間為0.6 s，在恢復(fù)穩(wěn)定運行的過程中，電容電壓的波動峰值只有1 kV，橋臂電流的波動峰值為0.5 kA，交流側(cè)輸出功率的波動量也顯著小于無附加策略的重啟動過程。

將圖14與圖11相比可看出，當(dāng)加入PI清零策略后，PI值在故障閉鎖期間能夠維持在一定值，從而不會對系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運行造成過大的不利影響。

圖14 PI輸出值Fig.14 The output of PI

將2種重啟動方式的仿真圖形比較可得，所提出PI清零的重啟動策略較無附加策略的重啟動策略在恢復(fù)穩(wěn)定運行的過程中各電氣量波動更小，且能更快地達到穩(wěn)定運行狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文通過分析了CDSM-MMC在直流側(cè)故障的等效電路，闡述了CDSM-MMC能夠隔離直流側(cè)雙極性短路故障、單極接地短路故障、斷線故障的原理，并且通過仿真驗證了所分析的正確性。在直流側(cè)故障頻發(fā)的直流輸電中，CDSM的這種能力為工程中解決類似問題提供了一種新的思路。此外，本文還通過分析控制器中的PI單元，說明了影響CDSMMMC重啟動效果的關(guān)鍵性因素，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的附加PI清零的重啟動策略，仿真結(jié)果也驗證了所提出重啟動策略的優(yōu)越性。

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（編輯 黃晶）

Principle of the DC Side Fault Isolation and Its Restart Strategy for CDSM-MMC

GUO Qi1，XU Dongxu2，LIN Xuehua1，LI Yan1，LIU Chongru2
（1.EPRI of China Southern Power Grid，Guangzhou 510080，Guangdong，China；2.North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

For the modular multilevel converter（MMC）based HVDC flexible system，at present，besides the common half bridge sub-module（HBSM）and full bridge sub-module（FBSM，the MMC based on clamp double sub-module（CDSM）has

extensive attention and has been widely researched because of its isolation of the DC side fault and its advantages in both performance and economical benefits.In this paper，the operation principle of Clamp Double Sub-Module（CDSM）is introduced first of all.Secondly，the paper expounds how the CDSM to isolate DC side fault when the bipolar short-circuit fault，single pole short-circuit fault，and broken line fault take place on the DC side.In addition，a new HVDC flexible restart strategy is proposed in the paper after analyzing the operation states of the controller when DC side fault takes place in HVDC flexible system.A single terminal 21 level model based on CDSM HVDC flexible system is built to verify the proposed restart strategy.The restart process between the proposed strategy and the existing one are compared in PSCAD/EMTDC.The simulation results show the proposed restart strategy is effective and correct.

modular multilevel converter；clamp double sub-module；DC side fault；restart

南方電網(wǎng)科技項目：大容量高電壓柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用研究（CSGTRC-K142031）。

Project Supported by Southern Power Grid Technology Project: Key Technology and Engineering Application Research for Large Capacity and High Voltage VSC-HVDC（CSGTRC-K142031）.

2016-01-12。

郭 琦（1979—），男，博士研究生，教高，研究方向為高壓直流控制保護技術(shù)和電網(wǎng)仿真技術(shù)研究等；

徐東旭（1992—），男，碩士研究生，研究方向為柔性直流輸電技術(shù)；

林雪華（1988—），女，碩士研究生，研究方向為柔性直流仿真建模與控制保護技術(shù)研究。