MMC拓?fù)錈o變壓器并網(wǎng)存在的問題和解決措施

連建陽，邱德鋒，姜田貴，吳 婷，謝曄源

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

城市電網(wǎng)是城市現(xiàn)代化建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施之一，是電力系統(tǒng)的主要負(fù)荷中心，具有用電量大、負(fù)荷密度高、可靠性和供電質(zhì)量要求高等特點。柔性直流輸電技術(shù)可在不增加短路容量的情況下，實現(xiàn)供電系統(tǒng)不同分區(qū)的合環(huán)運(yùn)行，控制系統(tǒng)潮流方向，維持交流系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定，為故障后負(fù)荷快速恢復(fù)提供支援。不同分區(qū)互聯(lián)之后，可減少系統(tǒng)備用容量，在不新增線路情況下，提高系統(tǒng)的供電能力[1-3]。

MMC（模塊化多電平換流器）拓?fù)渥?001年被提出，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，現(xiàn)有大部分柔性直流輸電工程均采用該拓?fù)鋄1，4]。在2010年和2011年的國際電力電子會議上提出了廣義MMC的概念，以子模塊為功率單元，并根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為3種基本類型：HBSM（半橋子模塊）、FBSM（全橋子模塊）、 CDSM（鉗位雙子模塊）[5-6]。

基于HBSM的MMC-HVDC損耗低、控制簡單，但不能抑制直流短路電流，在直流側(cè)發(fā)生雙極故障時，故障電流會達(dá)到10 kA以上，并且流過IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的反向并聯(lián)二極管，燒毀器件，為此需要在HBSM的兩端并聯(lián)晶閘管以提供短路電流通道。另外，由HBSM-MMC構(gòu)成的多端直流輸電系統(tǒng)不能迅速隔離直流線路故障，制約了其在直流電網(wǎng)的發(fā)展[7，14-16]。

基于FBSM的技術(shù)彌補(bǔ)了這一不足，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FBSM會帶來損耗的增加和工程造價的提高，為了降低其帶來的不利影響，研究人員提出了各種子模塊和換流器的拓?fù)洌珻DSM是其中最有代表性的一種，利用2個HBSM結(jié)構(gòu)和鉗位電路構(gòu)成了CDSM。但是包括CDSM在內(nèi)的眾多改進(jìn)方案通過對子模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新組合，雖然解決了抑制直流短路電流的問題，但往往也帶來控制復(fù)雜、可靠性降低等問題[8-9]。

文獻(xiàn)[10]介紹了一種無換流變壓器混合子模塊柔性環(huán)網(wǎng)控制器，橋臂一半是全橋子模塊，一半是半橋子模塊。該拓?fù)淇梢种平涣麟娫磳Χ搪伏c的電流。但是該拓?fù)溆袃蓚€缺點：一是當(dāng)系統(tǒng)慣性較大時，只有全橋子模塊承受短路電流，會導(dǎo)致全橋子模塊過壓損壞。二是該拓?fù)溥€有一半的全橋子模塊，全橋子模塊會帶來損耗的增加和工程造價的提高。

文獻(xiàn)[11]提出了一種橋臂串聯(lián)阻尼模塊的拓?fù)?，文獻(xiàn)[12]介紹了該拓?fù)湓谥凵轿宥巳嶂惫こ痰膽?yīng)用方案。該拓?fù)淇梢栽谥绷鞴收蠒r迅速衰減故障電流，為直流極線上的直流斷路器切除故障創(chuàng)造條件，同時加速了剩余健全系統(tǒng)的重啟過程。整個故障隔離和系統(tǒng)重啟過程在數(shù)百毫秒內(nèi)完成，實現(xiàn)了柔性直流輸電系統(tǒng)的故障快速恢復(fù)。

文獻(xiàn)[13]分析了雙極短路情況下，具有橋臂阻尼的半橋型模塊化多電平換流器在故障后能加快故障電流的衰減速度，實現(xiàn)系統(tǒng)快速重啟動。

為減小占地和降低成本，本文分析了柔直換流器不通過變壓器而直接接入10 kV交流電網(wǎng)帶來的問題和解決方案。主要針對10 kV經(jīng)消弧線圈接地的城市配電網(wǎng)系統(tǒng)，搭建PSCAD/EMTDC仿真模型，分析無換流變壓器的橋臂串聯(lián)阻尼模塊的MMC拓?fù)涞慕涣骱椭绷鞴收洗┰教匦?，通過理論分析和仿真驗證了該拓?fù)渚哂薪涣鱾?cè)故障穿越和直流側(cè)故障抑制能力，滿足城市電網(wǎng)對柔性換流器拓?fù)淇煽啃浴⒔?jīng)濟(jì)性、占地和故障特性的要求，為選取最佳的工程適用方案提供參考。

1 MMC拓?fù)洳煌ㄟ^變壓器并網(wǎng)存在的問題

城市電網(wǎng)的柔性換流器拓?fù)湫枰紤]可靠性、占地、經(jīng)濟(jì)性和故障特性。柔性直流輸電系統(tǒng)中換流變壓器的作用主要有：使換流器輸出的交流電壓與電網(wǎng)電壓相匹配；作為連接阻抗的一部分；在發(fā)生不對稱故障時阻隔零序電流。省去換流變壓器，可節(jié)約城市占地和設(shè)備造價，降低損耗（無變壓器損耗）。MMC拓?fù)淙鐖D1所示，包括半橋功率模塊和橋臂電抗器。

圖1 MMC拓?fù)?/p>

本文針對10 kV經(jīng)消弧線圈接地的城市配電網(wǎng)系統(tǒng)，搭建兩端柔性直流輸電系統(tǒng)的PSCAD/EMTDC仿真模型，仿真參數(shù)如表1所示，交流系統(tǒng)參數(shù)選用杭州大江東區(qū)域配電網(wǎng)典型參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)

為了便于分析，所有故障的發(fā)生時刻均為1.5 s，持續(xù)0.1 s后故障恢復(fù)。

1.1 直流側(cè)單極接地故障

交流10 kV配電網(wǎng)普遍采用經(jīng)消弧線圈接地。無換流變壓器方式下，直流側(cè)發(fā)生單極接地故障后，柔直換流器快速閉鎖，閉鎖后系統(tǒng)等效電路如圖2所示。其中，LG為系統(tǒng)消弧線圈；Ra，Rb，Rc為系統(tǒng)等效阻抗；La，Lb，Lc為橋臂電抗器。該電路類似三相半波整流電路，三相電流交替過零。斷路器Qf分閘動作，只能分開兩相，另外一相需要等待電流過零之后才能分開。

圖2 直流側(cè)單極接地后等效電路

下面分析斷路器Qf兩相分開、一相沒有分開的工作情況。該情形類似于一階激勵響應(yīng)，其電流滿足式（1）：

式中： i（∞）為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)； i（0+）為初始值；時間常數(shù) τ=（La+LG）/Ra。

系統(tǒng)阻抗小，感抗大，導(dǎo)致時間常數(shù)τ較大，一般為十幾秒到幾十秒。以本仿真系統(tǒng)為例，其仿真波形如圖3所示。在沒有增加橋臂阻尼的情況下，經(jīng)過0.3 s，直流分量的衰減小于10%。該直流分量帶來2個危害：將導(dǎo)致后備保護(hù)動作，故障范圍擴(kuò)大；換流器長期耐受過電流沖擊，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部的電力電子器件過熱損壞。

圖3 直流側(cè)單極接地故障仿真波形

1.2 直流側(cè)雙極短路故障分析

無換流變壓器方式下,直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障后，柔直換流器快速閉鎖，閉鎖后系統(tǒng)等效電路如圖4所示。其中，LG為系統(tǒng)消弧線圈；Ra1， Rb1， Rc1， Ra2， Rb2， Rc2為系統(tǒng)等效阻抗； La1，Lb1，Lc1，La2，Lb2，Lc2為橋臂電抗器。

圖4 直流側(cè)雙極等效電路

直流側(cè)雙極短路主要有2個危害：

（1）雙極短路期間，系統(tǒng)類似三相不控整流電路，系統(tǒng)阻抗較小，斷路器Qf分閘動作時間一般為50～100 ms，這期間，橋臂電流達(dá)到幾千安甚至幾十千安，對換流器內(nèi)部的電力電子器件造成了極大的沖擊。

（2）斷路器Qf分閘后，橋臂電流通過短路點進(jìn)行續(xù)流。該續(xù)流回路為一階零輸入響應(yīng)，其時間常數(shù)τ=La1/Ra1，一般為秒級。故障電流的長時間存在不利于系統(tǒng)的重啟和快速恢復(fù)。

圖5是直流側(cè)雙極短路故障情況下，無橋臂阻尼橋臂電流波形。無橋臂阻尼模塊，橋臂電流峰值達(dá)到5 kA，故障電流過零時間超過0.3 s。

圖5 直流側(cè)雙極短路故障橋臂電流仿真波形

2 橋臂串聯(lián)阻尼模塊MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

橋臂串聯(lián)阻尼模塊MMC拓?fù)淙鐖D6所示，包括N個半橋SM（子模塊）和M個DM（阻尼模塊）。橋臂阻尼模塊由IGBT和電阻并聯(lián)組成。

圖6 橋臂串聯(lián)阻尼模塊MMC拓?fù)?/p>

阻尼模塊有2種工作狀態(tài)，分別為旁路狀態(tài)和阻尼狀態(tài)。處于旁路狀態(tài)時，T1導(dǎo)通，阻尼電阻R1被旁路；處于阻尼狀態(tài)時，T1關(guān)斷，阻尼電阻將串入橋臂中。

阻尼模塊的工作狀態(tài)與換流器的解閉鎖狀態(tài)保持一致。當(dāng)換流器解鎖時，阻尼模塊工作于旁路狀態(tài)；當(dāng)換流器閉鎖時，阻尼模塊工作于阻尼狀態(tài)。故障發(fā)生時，保護(hù)動作閉鎖換流器，橋臂中的阻尼模塊均工作在阻尼狀態(tài)，此時橋臂中等效為串入了較大的電阻，能夠?qū)收想娏鬟M(jìn)行限制，同時在進(jìn)線斷路器跳開后，能夠使橋臂中的電流快速衰減，為故障隔離和快速恢復(fù)創(chuàng)造條件。

阻尼模塊的工作狀態(tài)與換流器的解閉鎖狀態(tài)保持一致，因此與常規(guī)的MMC控制策略基本相同，不會增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

3 橋臂串聯(lián)阻尼模塊MMC拓?fù)涔收戏治?/h2>

3.1 直流側(cè)單極接地故障

無換流變壓器方式下,直流側(cè)發(fā)生單極接地故障后，柔直換流器快速閉鎖，閉鎖后投入阻尼模塊。

增加橋臂阻尼后，其電流波形如圖7所示，可保證電流在0.2 s內(nèi)過零，保證斷路器可靠分閘，保護(hù)設(shè)備安全。

3.2 直流側(cè)雙極短路故障

無換流變壓器方式下,直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障后，柔直換流器快速閉鎖，閉鎖后投入阻尼模塊。

橋臂串聯(lián)阻尼模塊可以有效減小直流雙極短路的危害，主要體現(xiàn)在以下2個方面：

（1）換流器閉鎖的同時阻尼模塊投入，可以把橋臂短路電流限制在幾千安。

（2）阻尼模塊投入后，可以把放電時間常數(shù)縮短為毫秒級，為系統(tǒng)的快速恢復(fù)提供可能。

圖7 直流側(cè)單極接地故障仿真波形

圖8 是直流側(cè)雙極短路故障情況下，有橋臂阻尼橋臂電流波形。無橋臂阻尼模塊橋臂電流峰值達(dá)到5 kA，故障電流過零時間超過0.3 s。增加橋臂阻尼模塊后，橋臂電流的峰值為2.3 kA，故障電流在1 ms內(nèi)過零。

圖8 直流側(cè)雙極短路故障橋臂電流仿真波形

4 結(jié)論

柔直換流器不通過換流變壓器而直接接入10 kV城市配電網(wǎng)系統(tǒng)會帶來如下3個問題：

（1）當(dāng)交流側(cè)發(fā)生單相接地故障時，故障側(cè)的零序電壓會傳導(dǎo)到非故障側(cè)，導(dǎo)致非故障側(cè)也有零序電壓。

（2）當(dāng)直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時，交流側(cè)會存在較大的直流偏置電流導(dǎo)致斷路器無法正常分閘。為解決該問題，本文推薦在橋臂中串聯(lián)阻尼模塊，加速直流偏置電流的衰減。本文推薦的參數(shù)可使直流偏置電流在0.1 s左右衰減到0。

（3）無換流變壓器之后，導(dǎo)致系統(tǒng)短路阻抗較小。當(dāng)發(fā)生直流雙極短路時，短路電流將達(dá)到數(shù)十千安，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q流閥損壞。橋臂增加阻尼模塊，并在故障時快速投入阻尼模塊，可有效抑制故障電流幅值。本文推薦的參數(shù)可使直流短路電流幅值小于2.5 kA，有效解決了該問題.

通過對各種故障類型的分析可知，橋臂串聯(lián)阻尼模塊的MMC拓?fù)渚哂薪涣鱾?cè)故障穿越和直流側(cè)故障抑制能力，且減少了換流變壓器，降低了成本，減少了占地，可滿足城市電網(wǎng)對柔性換流器拓?fù)淇煽啃?、?jīng)濟(jì)性、占地和故障特性等的要求。