一種實現(xiàn)柔直系統(tǒng)快速恢復的自取能故障阻尼器

謝曄源 ，曹冬明 ，李繼紅 ，朱銘煉 ，姜田貴 ，連建陽

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211002；2.國網浙江省電力公司，浙江 杭州 310007）

0 引言

模塊化多電平換流器MMC（Modular Multi-level Converter）自 2001 年被提出［1-4］以來受到學術界和工業(yè)界的廣泛關注。但對基于半橋結構的MMC的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，通常存在以下幾個問題［5-8］。

a.不能抑制直流短路電流。在直流側發(fā)生雙極故障時，故障電流會達到10 kA以上并且流過絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的反并聯(lián)二極管，燒毀器件。

b.直流側故障隔離困難。目前對于直流故障的清除主要是借助于交流斷路器，一旦發(fā)生直流側故障，則需要將多端柔性直流系統(tǒng)中所有的換流站全部停運，且系統(tǒng)恢復時間長。

c.故障時閥側交流電流出現(xiàn)直流分量。在換流器橋臂短路故障時會致使閥側交流電流出現(xiàn)直流分量，致使交流開關可能不能分斷。

針對半橋MMC的不足，基于全橋結構和組合結構的MMC被相繼提出［9-14］，這些拓撲能在發(fā)生故障時通過閉鎖換流閥，使得故障電流為子模塊的電容充電，通過電容電壓的抬升來抑制交流電源對短路點的電流。但是這些拓撲會帶來損耗的增加和工程造價的提高，限制其應用和發(fā)展。

在直流線路上加裝直流斷路器可以快速隔離直流側故障［15-18］，然而直流斷路器造價昂貴，而且對于故障時閥側交流電流出現(xiàn)直流分量的問題沒有作用。

ABB公司提出一種在直流正負極出口串入由IGBT和阻尼電阻組成的直流開關的方案［19］，直流故障時利用阻尼電阻的限流作用，加速短路電流的衰減過程。該方案需要在直流出口布置安裝開關，且需要由電力電子元件的串并聯(lián)來實現(xiàn)的高壓直流電子式開關，造價較為昂貴，對于安裝場地要求較高。

文獻［20-21］提出在MMC中串入IGBT和阻尼電阻組成的回路，在換流器或直流線路故障時投入阻尼電阻來加速衰減故障電流。這個回路因為沒有儲能元件，所以無法為IGBT的驅動及控制電路提供能量，目前只能從鄰近的模塊中取能，造成串聯(lián)的各個模塊阻抗不平衡，影響MMC的充電均衡度。

為此，本文從研究半橋MMC的故障機理出發(fā)，分析了故障電流的各個階段構成，提出一種自取能模塊化故障阻尼器拓撲。該拓撲在正常工作時可循環(huán)工作在流通狀態(tài)和補能狀態(tài)，實現(xiàn)阻尼器的自取能；在故障時工作在阻尼狀態(tài)，提供額外的阻尼電阻，迅速衰減故障電流，加速了剩余健全換流器的重啟過程，整個隔離故障和系統(tǒng)重啟過程在數百毫秒內完成，實現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)的故障快速恢復。該拓撲還可以在橋臂短路故障中起到抑制直流分量的作用，加快閥側交流電流的過零，保證閥側交流開關的可靠分斷。最后本文搭建了基于舟山五端柔直工程的PSCAD／EMTDC數字仿真平臺，對所提出的模塊化故障阻尼器的功能進行了驗證。

1 半橋MMC故障分析

由半橋子模塊構成的MMC的基本拓撲如圖1所示，每個MMC由3個相單元構成，每個相單元分為上下結構對稱的2個橋臂單元，每個橋臂單元包括n個級聯(lián)的半橋子模塊和1個橋臂電抗器。

對于半橋MMC而言，不同的故障類型下對換流閥設備的電氣應力也不同，通?？紤]以下故障類型：換流站出口單極接地短路；換流站出口雙極短路；橋臂間短路；閥單相接地短路；單橋臂短路；閥側交流單相接地短路；閥側交流兩相短路；閥側交流三相短路。

圖1 半橋MMC拓撲及故障類型Fig.1 Topology of half-bridge MMC and its fault types

通過仿真分析柔性直流系統(tǒng)在單極接地、雙極接地和橋臂對地短路等各種典型故障工況下短路故障電流，可以得到如下結論：

a.雙極短路（圖1中F1所示）產生的故障電流最大，且衰減最慢，其余故障的故障電流均可在換流站閉鎖或者交流斷路器跳開后消失；

b.單橋臂短路（圖1中F2所示），換流站交流系統(tǒng)側會產生較大直流電流偏置，導致交流電流過零點延遲，影響系統(tǒng)正常停運。

圖2（a）對雙極短路故障的機理進行了分析，故障電流的發(fā)展過程分為4個階段：故障發(fā)生數微秒內，模塊的電容對故障點放電，形成數十kA的尖峰電流①；數十微秒后IGBT保護切除電流①，此時流過橋臂電抗器的電流通過橋臂的反并聯(lián)二極管續(xù)流②，并呈現(xiàn)衰減趨勢；在交流開關跳開之前交流電源提供穩(wěn)態(tài)的短路電流③；交流開關跳開后，橋臂電抗器仍然向短路點提供短路電流，并經過數十秒衰減到零。圖 2（c）描述了直流雙極短路（F1）下橋臂電流的波形，其各個階段與圖2（a）一一對應。

同理，圖2（b）對單橋臂短路故障的機理進行了闡述，假設A相上橋臂短路，首先換流器將閉鎖，由對端的正極電壓通過A相上橋臂的短路點放電，構成故障電流①，B、C兩相交流電壓分別在本相正半周通過A相上橋臂短路點放電，構成故障電流②③。三部分的故障電流將導致閥側交流電流出現(xiàn)直流偏置，如圖 2（d）所示，t0時刻發(fā)生 F2故障，t1時刻 B 相閥側電流過零，B相閥側交流開關分斷，此時C相電流將變化為與A相反向，并在回路阻抗的作用下衰減，在t2時刻當A、C兩相閥側電流過零時，A、C相閥側交流開關相繼分斷。

圖2 半橋MMC典型故障分析Fig.2 Analysis for typical faults of half-bridge MMC

但實際的交流開關分斷能力是有限的，它依靠壓氣罩或儲氣室的運動來提供吹弧壓力，使電弧在過零時熄滅。閥側交流開關從開始吹氣到結束有一定時間限制（一般為40～80 ms），各相電流的過零和開斷必須在這個時間內完成，如果不能保證某相電弧過零，而交流開關壓氣室的壓力釋放后已經無法保證繼續(xù)吹弧，則該相的電弧可能會繼續(xù)燃燒一段時間，等待自然熄弧或是外部切除故障。在圖2（d）中，t0時刻發(fā)生故障，假設交流開關在t0+40 ms時觸頭開始動作分斷，儲氣室吹弧，在t1時刻B相電流過零，B相電弧熄滅，t0+120 ms左右吹弧結束，此時A、C兩相電流出現(xiàn)較大直流偏置，A、C兩相閥側交流開關無法開斷故障電流，故障電流會較長時間流過MMC，致使設備損壞。

2 基于橋臂阻尼的故障限流方案

基于以上分析可以看出，故障發(fā)生后短路回路中的阻抗可以幫助衰減故障電流，對換流器的可靠保護和快速恢復均有一定的幫助。在MMC拓撲中，每個橋臂均會設置一定的冗余模塊，而且結構上也較為方便地配置了模塊空位，是較為理想的增設阻尼電阻場所。因此考慮在MMC的橋臂位置增加阻尼電阻Rdamp來抑制故障電流。

橋臂阻尼電阻Rdamp越大，故障電流衰減得越快。但橋臂阻尼電阻越大，需要的橋臂阻尼單元數越多，成本越高。需要在滿足系統(tǒng)恢復時間目標的前提下，選擇合適的電阻值，將短路電流在一定的時間內衰減到諧振型直流開關可分斷的范圍內，實現(xiàn)對故障的隔離，進而實現(xiàn)對柔性直流輸電系統(tǒng)的快速恢復。

以下通過對故障電流衰減回路進行分析，說明橋臂阻尼電阻參數設計過程。

故障阻尼器在換流器閉鎖后投入，等效電路如圖 3（a）所示。圖中，Lb、RLb分別為橋臂電抗電感值和電阻值；LPpole及RPpole分別為正極平抗加上正極極線后的等效電感及電阻；LNpole及RNpole分別為負極平抗加上負極極線后的等效電感及電阻；Lline及Rline分別為線路電感及電阻；Lgnd及Rgnd分別為線路對地故障時大地回路等效電感及電阻；Rv為閥閉鎖后的等效電阻，為功率子模塊二極管并聯(lián)旁路晶閘管通態(tài)電阻的M倍（M為橋臂子模塊總數）；VDMMC為閥閉鎖后功率子模塊的二極管；Rdamp為橋臂阻尼器的電阻；Cline為線路等效極間分布電容。此時子模塊電容因換流器閉鎖被切除，交流電源 Us通過VDMMC、Rdamp、LPpole及RPpole、Lline及Rline、短路點構成回路，直流線路的分布電容等效為一個電容，并布置在極線平抗的后部；由于電源側有二極管的存在，所以電路可以等效為兩部分，分別提供短路電流：一是交流電源Us對短路點構成的LR回路放電，產生的電流記作Id1；二是分布電容對短路點構成的LCR回路放電，產生的電流記作Id2。兩者之和為流過短路點的電流Id。

從式（1）中可以看到故障阻尼器的電阻起到抑制Id1分量的作用，而并不影響分布電容放電的振蕩過程。

圖3（b）為閥側交流開關跳開后的等效電路，圖中I0為交流開關跳開時刻衰減回路初始電流。此時電路只存在電感對短路點的續(xù)流回路，可等效為LR一階系統(tǒng)。此時換流站內等效電阻Rsta和等效電抗Lsta分別為：

圖3 直流雙極短路故障下的橋臂阻尼等效電路Fig.3 Equivalent circuits of bridge-arm damping for DC bipolar short circuit

整個電流衰減回路的時間常數為：

無橋臂阻尼電阻（Rdamp=0）時，線路出口故障時，電流衰減回路時間常數為站內等效電路的時間常數，基本接近站內電抗器的時間常數，而站內電抗器品質因數可達400以上，相應時間常數高達數秒以上。

安裝橋臂阻尼電阻后，出口故障時，電流衰減回路時間常數減小為數十毫秒，當直流電流衰減到一定數值以內時，可以通過開關予以切除故障點，通過閥側交流開關的快速重合和換流器解鎖，可以重新恢復健全系統(tǒng)的功率傳輸能力。

對于兩端柔直系統(tǒng)，采用如下的估算及仿真校核結合步驟選取橋臂阻尼器參數：交流系統(tǒng)設定為中遠期極端大方式，計算線路出口故障的最大短路電流Id0，得到故障電流衰減公式如下。

故障電流在設定的時間tset（一般為幾百毫秒）以內衰減到直流開關分斷值IRDS（一般為幾百安培），則有 i（t=tset）＜IRDS，結合 Rsta和 Lsta由式（2）給定，τ由式（3）給定，則可以計算出Rdamp的值。

3 自取能模塊化故障阻尼器及工作原理

在前文對橋臂阻尼方案分析的基礎上，綜合考慮其在MMC的各個工作狀態(tài)階段下的可靠性，以及兼顧安裝、美觀等因素，提出自取能模塊化故障阻尼器拓撲，該拓撲結構的模塊安裝于MMC的上、下橋臂上，如圖4所示，可以和普通半橋子模塊外形、安裝尺寸完全一致，實現(xiàn)即插即用，兼顧了可靠性和維護方便的問題。

圖4 自取能模塊化故障阻尼器拓撲Fig.4 Topology of self-powered modular fault damper

新型的自取能模塊化故障阻尼器由2個IGBT（VT1、VT2）及其反并聯(lián)二極管（VD1、VD2）、阻尼電阻（Rdamp）、避雷器（可選）、二極管（VD3）、儲能電容（C1）和旁路開關（K1）構成。

自取能模塊化故障阻尼器拓撲電路的工作狀態(tài)為啟動充電狀態(tài)、雙向電流流通狀態(tài)、正向電流補能狀態(tài)、故障電流阻尼狀態(tài)或者故障旁路狀態(tài)。

a.啟動充電狀態(tài)：阻尼器流過正向電流時，控制系統(tǒng)不發(fā)出控制信號，旁路開關K1斷開，開關管VT1和開關管VT2也斷開；正向電流流經二極管VD3、儲能電容C1和續(xù)流二極管VD1，使儲能電容C1通過二極管VD3、續(xù)流二極管VD1充電。阻尼器充電過程中反向電流通過Rdamp和VD2流通。

b.雙向電流流通狀態(tài)：正向電流時控制系統(tǒng)發(fā)出開關管VT1關斷和VT2開通命令，電流流經開關管VT2、續(xù)流二極管VD1；反向電流時控制系統(tǒng)發(fā)出開關管VT1開通和VT2關斷命令，電流流經開關管VT1、續(xù)流二極管VD2，電流雙向流通。

c.正向電流補能狀態(tài)：在正向電流時，控制系統(tǒng)發(fā)出開關管VT1開通和VT2關斷命令，使正向電流通過二極管VD3、續(xù)流二極管VD1為儲能電容C1充電。

d.故障電流阻尼狀態(tài)：在阻尼器拓撲電路外部故障下，控制系統(tǒng)發(fā)出開關管VT1和VT2關斷命令，故障電流流過續(xù)流二極管VD2和阻尼電阻Rdamp，以抑制故障電流。

e.故障旁路狀態(tài)：當阻尼器拓撲電路內部故障時，控制系統(tǒng)控制旁路開關K1開通，以將故障電流抑制阻尼器拓撲電路切除。

結合圖1和圖4對帶模塊化故障阻尼器的半橋MMC的工作原理進行說明：充電階段，阻尼電阻投入，會影響充電電流和充電速度，但是考慮到阻尼電阻比交流側的充電電阻小很多，因此該影響可以忽略不計；直流雙極短路發(fā)生后，換流器閉鎖，投入阻尼器，增大了交流系統(tǒng)對故障點的阻抗，可以減小故障電流峰值，且在交流開關跳開后，故障電流通過橋臂電抗器、平波電抗器、阻尼電阻以及回路中的寄生阻抗形成回路，回路整體呈現(xiàn)阻感特性，故障電流呈一階指數特性衰減，衰減的時間常數為Lsta／Rsta，其他參數不變的前提下，投入阻尼器可以減小故障電流衰減時間；在橋臂短路故障時，阻尼電阻投入，故障電流通過橋臂電抗器、阻尼電阻以及回路中的寄生阻抗，直流分量得到衰減，有助于閥側交流開關的可靠跳開。

故障阻尼器設計為嵌入式安裝，在工程中的安裝方式非常靈活，MMC由6個橋臂構成，每個橋臂由若干個閥段組成，每個閥段又包括了若干個模塊，故障阻尼器設計的外觀和接口設計和常規(guī)功率模塊完全一致，非常利于工程實施或改造；另外所提的自取能阻尼器不需要從相鄰模塊取能，完全實現(xiàn)了獨立安裝和獨立控制。

4 仿真驗證

為了驗證本文提出的故障阻尼器的有效性，利用PSCAD／EMTDC搭建了如圖5（a）所示的舟山五端柔直工程系統(tǒng)仿真，對稱雙極結構，直流電壓為±200 kV，額定功率為 400 MW／300 MW／100 MW／100 MW／100 MW（舟山 ／岱山 ／忂山 ／洋山 ／泗礁），閥側交流電壓為205 kV，橋臂電感分別為90 mH／120 mH ／360 mH ／360 mH ／360 mH。

舟山／岱山／忂山／洋山／泗礁五站均配置橋臂故障阻尼器，分別對各個換流站的出口進行雙極短路仿真，得到直流短路電流衰減到100 A與不同阻尼電阻關系的曲線。圖5（b）的上、下圖分別顯示了舟山、岱山換流站出口短路時各站電流衰減到100 A的時間，控制該時間在100～200 ms，同樣的方法對其余三站進行仿真分析，選取五站阻尼電阻分別為6Ω／8 Ω ／15 Ω ／15 Ω ／20 Ω。

圖5 舟山五端柔直工程故障阻尼電阻設計Fig.5 Design of fault damping resistor for Zhoushan five-terminal VSC-HVDC project

在額定運行條件下，分不帶阻尼器和帶阻尼器2種條件分別在舟山和泗礁出口模擬直流雙極短路故障，得到對應換流站直流極線電流，如圖 6（a）、（b）所示?？梢钥吹阶枘崞鲗Ρ菊竟收想娏鞯乃p效果是很明顯的，以同樣衰減到100 A考慮，舟山站出口短路不帶故障阻尼器時持續(xù)時間為4 000 ms，加裝故障阻尼器后電流衰減時間為150 ms；泗礁站出口短路不帶故障阻尼器時持續(xù)時間為7500 ms，加裝故障阻尼器后電流衰減時間為100 ms，因此所裝故障阻尼器大幅縮短了故障換流站的切除時間，為整個柔直系統(tǒng)快速恢復創(chuàng)造了條件。

圖6 直流雙極短路故障下阻尼器應用效果Fig.6 Effects of modular fault damper during DC bipolar short circuit

圖7顯示了不帶阻尼器和帶阻尼器2種條件下舟山MMC換流閥A相上橋臂直通故障時，閥側三相電流的波形。在不帶阻尼器時交流開關三相相繼跳開的時間差Δt1為80 ms，交流開關的滅弧能力不能得到保障，存在A相觸頭不能分斷的危險；帶阻尼器時交流開關三相相繼跳開的時間差Δt2為20 ms，可以確保交流開關的三相均可靠跳開。

圖7 單橋臂短路故障下阻尼器應用效果Fig.7 Effects of modular fault damper during single-bridge short circuit

5 結語

在MMC拓撲中加裝橋臂故障阻尼器能加快故障電流的衰減，為直流側開關開斷故障電流創(chuàng)造了條件，實現(xiàn)柔直系統(tǒng)的快速恢復。另外，橋臂故障阻尼器在橋臂短路故障時有效衰減故障電流的直流分量，保證了閥側交流開關的可靠跳開，增強了柔直系統(tǒng)的運行可靠性。

本文提出的故障阻尼器拓撲，解決了阻尼電路的高電位取能問題，不需要從相鄰模塊取能，完全實現(xiàn)了獨立安裝和獨立控制，非常利于工程實施或改造。

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