含柔性直流輸電系統(tǒng)的故障仿真分析

運奕竹，婁 劍，朱天權，王 鶴

(東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

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含柔性直流輸電系統(tǒng)的故障仿真分析

運奕竹，婁 劍，朱天權，王 鶴

(東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

在柔性直流輸電系統(tǒng)故障特性的研究中，對單相接地故障的研究較少，針對二端柔性直流輸電系統(tǒng)交流側和直流側發(fā)生的故障，研究了相互之間的影響，進行了理論分析，又在MATLAB/SIMULINK搭建了模型，通過對仿真波形的觀察，驗證了理論分析的正確性。

柔性直流輸電；交互影響；交流側故障；直流側故障

隨著電力電子技術和PWM(Pulse Width Modulation)技術的發(fā)展與完善，基于電壓源型換流器的柔性直流輸電(High Voltage Direct Current Based on Voltage Source Converter，VSC-HVDC)技術得到了相關領域的重視，正在迅速發(fā)展[1-4]。VSC-HVDC是一種新型輸電技術，與傳統(tǒng)輸電技術相比有著其獨特的優(yōu)點，改善了傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)中的無功功率的消耗、換相失敗的問題的存在、必須與有源網絡聯(lián)結等缺點。VSC-HVDC具有的主要優(yōu)點有：對有功功率和無功功率能夠完成獨立控制；可實現(xiàn)向孤島或無源網絡提供電能；對交流母線無功功率完成動態(tài)補償；潮流反轉時能夠實現(xiàn)電壓極性不變的情況下實現(xiàn)電流的方向反轉等特點。模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是以電壓源型換流器為基礎，在此基礎上做出了一些相應的改進的一種新型換流器，近年來，廣泛應用在了風電并網、直流輸電等領域[5-8]。

文獻[9]從MMC-HVDC的直流故障為切入點，從定性的角度進行了分析，提出了針對問題的處理方案；文獻[10]分析了雙極短路故障的情況，在故障狀態(tài)下對其過電流進行了相應分析，并搭建起了相應的電路模型，通過對模型的詳細分析，能夠在理論基礎上對故障特性進行分析，對設備的選取和保護的規(guī)劃有重要借鑒意義；文獻[11]對子模塊做了改進處理，為了減輕故障帶來的影響，將晶閘管進行反并聯(lián)連接；以上研究都為定性分析，對于MMC-HVDC的雙極短路故障，已有文獻僅僅分析了故障后直流母線電壓和電容電壓的變化預測，而針對較為普遍的單極接地故障分析的文獻相對較少，也并沒有提及MMC-HVDC系統(tǒng)中換流站發(fā)生故障后直流側和交流側的相互影響，本文將從直流側發(fā)生故障對交流側的影響以及交流側發(fā)生故障對直流側的影響進行分析。

1 柔性直流輸電系統(tǒng)

柔性直流輸電系統(tǒng)的原理圖為圖1所示，一個完整的輸電系統(tǒng)由交流系統(tǒng)、變壓器、接地阻抗、換流站和直流線路組成。換流站內的設備主要有換流變壓器、交流濾波器、連接電抗器、換流器。由于柔性直流輸電系統(tǒng)的功率能夠實現(xiàn)雙向流動，其中任意一個換流站既可以工作在整流狀態(tài)也可以工作在逆變狀態(tài)，其中處在送電端的換流站以整流方式投入運行，處在受電端的換流站以逆變方式投入運行。柔性直流輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由內環(huán)電流控制器和外環(huán)功率控制器組成。

圖1 雙端柔性直流輸電系統(tǒng)單線原理圖

2 原理分析

在柔性直流輸電系統(tǒng)中，變壓器二次側與換流器閥之間的母線故障被看做是站內交流故障，如圖2所示，直流電壓會產生輕微的振蕩，但是由于接地阻抗很大，而且故障發(fā)生時只是改變了直流系統(tǒng)的電位參考點，對直流電壓平均值沒有影響，相對于正常運行狀態(tài)，交流側發(fā)生單相接地故障，影響換流站內功率傳輸，直流電壓中直流分量大幅度下降，除基波外其它次諧波也相對下降，對于直流電流而言，相對于正常運行狀態(tài)，換流站內功率傳輸受交流側影響，當交流側發(fā)生單相接地故障時，此時電流中直流分量將會大幅度下降，除基波外的其它次諧波也會發(fā)生相對下降。直流母線故障指連接閥與直流線路之間的連接母線故障，如圖3所示，發(fā)生故障后，對零序分量影響較大，正負序分量發(fā)生輕微震蕩，對于交流電流而言，正序分量受影響較大。

圖4 換流母線故障圖

故障情況下交直流側的相互影響分為以下兩個方面：

(1)交流側發(fā)生單相接地故障時，直流側電壓和電流的變化；

(2)直流側發(fā)生故障時，交流側電壓和電流的變化。

對各電壓電流做傅里葉分解分析和正負零序分解分析，觀測故障前后電壓和電流中正序、負序、零序的變化以及基波分量、直流分量和高頻分量的變化。

3 仿真分析

本文在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下搭建了雙端柔性直流輸電系統(tǒng)的模型，針對交流側和直流側分別發(fā)生單相接地故障時對另一側的影響進行仿真研究，仿真參數如表1所示。

表1 仿真模型系統(tǒng)參數

3.1 站內直流側發(fā)生故障對交流側的影響分析

站內直流側發(fā)生單相接地故障交流側電壓波形的變化如圖5所示，故障發(fā)生前，如圖5(a)所示交流電壓以基頻為主，直流側在2 s時加入故障，此故障類型為單相接地故障，由圖中可知交流電壓中直流分量增加；故障發(fā)生后對交流側電壓進行了正序、負序和零序分解，由圖5(b)可知交流電壓中零序分量迅速增加，大小與正序分量大小相同，隨后在故障消除前迅速下落到0，正序分量與負序分量發(fā)生振蕩，持續(xù)時間為200 ms，2.2 s時故障結束。本文對此電壓又做了傅里葉分解，進一步驗證了以上分析的正確性。

圖5 交流側電壓波形

圖6 交流側電流波形

站內直流側發(fā)生故障時，對交流電流仿真圖如圖6。由圖6可知，2s時加入單相接地故障，故障發(fā)生后，利用正序、負序和零序的分解對電流的變化進行觀察，由觀察可知，正序分量先下降后上升，上升后的值超過了故障前的電壓值，零序分量與負序分量小幅度上升，相對于正常運行狀態(tài)下，發(fā)生故障后直流分量上升，二次諧波上升。故障持續(xù)200 ms，2.2 s時故障結束。本文對此電壓又做了傅里葉分解，進一步驗證了以上分析的正確性。

3.2 站內交流側發(fā)生故障對直流側的影響分析

站內交流側發(fā)生故障時，對直流側電壓的仿真分析圖如圖7所示，由圖7(a)可知，在2 s時故障發(fā)生，直流電壓會產生輕微的振蕩，但是由于接地阻抗很大，而且相比與故障前，故障的發(fā)生只改變了直流系統(tǒng)的電位參考點，對直流電壓平均值影響不大；與正常運行狀態(tài)相比，交流側發(fā)生單相接地故障時，站內功率傳輸受到影響，因此，直流電壓中直流分量大幅度下降。故障持續(xù)了200 ms，2.2 s時故障結束。本文對此電壓又做了傅里葉分解，進一步驗證了以上分析的正確性。

圖7 直流側電壓波形

圖8 直流側電流波形

站內交流側發(fā)生故障時對直流側電流的影響如圖8所示，如圖8(a)所示，2 s時故障發(fā)生，故障持續(xù)200 ms，2.2 s故障結束，故障后與故障前比較，直流電流發(fā)生振蕩，但是振蕩幅度不大。由傅里葉分解可知，相對于正常運行狀態(tài)，交流側發(fā)生單相接地故障，影響換流站內功率傳輸，直流電流中直流分量大幅度下降，除基波外其它次諧波也相對下降。

3 結 論

本文在雙端柔性直流輸電系統(tǒng)的基礎上，對其換流站內交流側和直流側進行了單相接地故障的仿真。得出以下結論：

(1)當直流側發(fā)生故障時，交流側零序電壓上升幅度較大，而負序和零序發(fā)生微小震蕩，交流側電流中的正序分量先下降后上升，上升后的值超過了故障前的電壓值，零序分量與負序分量上升幅度較??；

(2)當交流側發(fā)生故障時，直流側電壓由于受接地阻抗的影響，震蕩幅度較小，直流側電流也發(fā)生較小的震蕩；

(3)逆變側的功率能夠維持平衡，如果在線路絕緣允許情況下，發(fā)生暫時性故障時，可以繼續(xù)進行功率傳輸，但若發(fā)生永久性故障，應立即跳開換流器。直流側電壓、電流，閥側交流電壓、電流變化都很大，而且功率傳輸不能保持平衡。故障發(fā)生后，應第一時間隔離換流器，減少故障對系統(tǒng)的影響。本文的研究，為今后交直流交互影響的分析有著借鑒意義。

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AC/DCHybrid System Containing Flexible HVDC Fault Simulation Analysis

Yun Yizhu，Lou Jian，Zhu Tianquan，Wang He

(Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

Study on fault characteristics of flexible HVDC system，the single-phase grounding fault of the AC side is less，for the two ends of the flexible HVDC system and the DC side fault，studied the mutual influence and analyzed in theory，and in the MATLAB/SIMULINK to build a model，through the observation of the simulation waveform and simulation results show that conclusion of above-mentioned fault analysis is correct.

VSC-HVDC；Interaction effect；DC side fault；AC side fault

2016-05-21

運奕竹(1987-)，女，碩士，助理實驗師，主要研究方向:柔性直流輸電技術.

1005-2992(2017)02-0019-05

TP29

A

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