MMC—HVDC 直流輸電線路的保護(hù)研究

劉 易，陳芳芳，秦濱慧，解海翔，蓋佳郇，徐天奇

（1.云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南昆明 650031；2.云南電網(wǎng)公司大理供電局，云南 大理 671000）

隨著輸電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電技術(shù)被電力系統(tǒng)所著重關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)[1]。為確保MMC—HVDC 系統(tǒng)安全運(yùn)行，其直流線路的保護(hù)則是關(guān)鍵。而多端以及環(huán)狀的MMC—HVDC 的出現(xiàn)，使得直流線路的保護(hù)愈發(fā)突出[2]。直流線路發(fā)生故障之后，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障。因此，在柔性直流電網(wǎng)的發(fā)展中，直流輸電線路保護(hù)的研究必不可少。

現(xiàn)有的柔性直流輸電工程當(dāng)中，主要采用的是基于電壓源換流器VSC（Voltage Source Converter）的柔性直流系統(tǒng)[3-5]。對(duì)于模塊化多電平換流器MMC（Modular Multilevel Converter）的柔性直流輸電系統(tǒng)并不多。采用基于MMC 的柔性直流輸電系統(tǒng)具有很好的工程應(yīng)用前景，比傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)控制方式更加靈活、更具優(yōu)勢(shì)等，所以很有必要研究MMC—HVDC 的故障特性及其保護(hù)[6-7]。

文獻(xiàn)[8-9]主要分析MMC—HVDC 系統(tǒng)的各種直流故障，提出相應(yīng)的保護(hù)方案；文獻(xiàn)[10-11]通過(guò)對(duì)雙極短路故障進(jìn)行建模分析驗(yàn)證，對(duì)工程設(shè)備的保護(hù)具有現(xiàn)實(shí)意義；文獻(xiàn)[12-16]研究了直流故障的過(guò)流、電流差動(dòng)以及電流方向縱聯(lián)保護(hù)。

該文主要對(duì)模塊化多電平的雙端直流輸電系統(tǒng)直流故障進(jìn)行研究。根據(jù)疊加原理，通過(guò)故障的附加網(wǎng)絡(luò)對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障進(jìn)行分析，并利用三階微分綜合立方法提取電壓與電流的故障分量。并且在PSCAD 仿真軟件上搭建了MMC 兩端柔性直流輸電系統(tǒng)仿真模型，結(jié)果驗(yàn)證了該文的故障分析是準(zhǔn)確的，判斷出了保護(hù)方案的正確性，且提高了保護(hù)的靈敏性與快速性。

1 柔性直流輸電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

雙端MMC—HVDC 輸電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括直流輸電線路，整流與逆變系統(tǒng)，以及交流系統(tǒng)。圖1 中，MMC1 與MMC2 是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整流側(cè)和逆變側(cè)；K1、K2、H1、H2為4 個(gè)繼電保護(hù)裝置；f1～f6表示故障發(fā)生的位置。

圖1 雙端MMC—HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC 的電路拓?fù)鋱D如圖2 所示。由3 個(gè)相同的相單元與6 個(gè)相同的橋臂組成的。每一個(gè)相單元由上下兩個(gè)相同的橋臂組成。每個(gè)橋臂由n個(gè)子模塊（SM）和一個(gè)電抗器L組成，且n個(gè)子模塊結(jié)構(gòu)完全相同，相互連接。子模塊（SM）結(jié)構(gòu)如圖3 所示，由兩個(gè)絕緣柵雙極型晶閘管（IGBT）T1、T2，兩個(gè)反并聯(lián)二極管D1、D2和一個(gè)直流側(cè)電容器C0構(gòu)成。圖3 中的子模塊輸出電壓為USM，直流儲(chǔ)能電容的電壓為每個(gè)子模塊都有兩個(gè)連接端子，用來(lái)連接主電路。

圖2 MMC電路拓?fù)鋱D

圖3 子模塊結(jié)構(gòu)圖

1.3 MMC的工作原理

換流器產(chǎn)生相電壓波形的原理如圖4 所示。圖中可看出MMC 一個(gè)相單元的上下橋臂的導(dǎo)通模塊數(shù)量的變化情況。上橋臂和下橋臂可以同時(shí)開(kāi)通子模塊，且子模塊的開(kāi)通數(shù)量為0～N。通過(guò)子模塊的開(kāi)通數(shù)量，可以得到MMC 的輸出電平為(N+1)。普遍情況下，所有子模塊的數(shù)量N為偶數(shù)。每一個(gè)相單元同時(shí)開(kāi)通的N個(gè)子模塊是可以通過(guò)上下兩個(gè)橋臂進(jìn)行均分的，且上下兩個(gè)橋臂開(kāi)通的子模塊數(shù)量是相同的。所以每一個(gè)相單元交流輸出的電壓為0。

圖4 MMC的相單元運(yùn)行原理

2 直流線路區(qū)內(nèi)外故障分析

2.1 區(qū)內(nèi)故障分析

圖5 為根據(jù)疊加原理所得保護(hù)區(qū)內(nèi)直流輸電系統(tǒng)故障后的附加網(wǎng)絡(luò)圖。

圖5 區(qū)內(nèi)故障后系統(tǒng)的附加網(wǎng)絡(luò)圖

圖5 中的(a)、(b)、(c)、(d)分別對(duì)應(yīng)圖1 中f1～f4發(fā)生故障時(shí)的附加網(wǎng)絡(luò)圖；分別為K1、K2、H1、H2處測(cè)量的故障分量電流；ZMMC1、ZMMC2分別為整流器與逆變器的等值阻抗；分別為故障點(diǎn)到整流端和逆變端輸電線路的等值阻抗；分別為K1、K2、H1、H2處測(cè)量的電壓故障分量。

根據(jù)圖1 可知f1處發(fā)生的故障為區(qū)內(nèi)正極接地故障。結(jié)合故障附加網(wǎng)絡(luò)圖5（a）可得f1處電壓故障分量為：

根據(jù)圖1 可知f2處發(fā)生的故障為區(qū)內(nèi)負(fù)極接地故障。結(jié)合故障附加網(wǎng)絡(luò)圖5（b）可得f2處電壓故障分量為：

根據(jù)圖1 可知f3處發(fā)生的故障為區(qū)內(nèi)正負(fù)極接地故障。結(jié)合故障附加網(wǎng)絡(luò)圖5（c）可得f3處電壓故障分量為：

根據(jù)圖1 可知f4處發(fā)生的故障為區(qū)內(nèi)正負(fù)極短路故障。結(jié)合故障附加網(wǎng)絡(luò)圖5（d）可得f4處電壓故障分量為：

2.2 區(qū)外故障分析

圖6 為根據(jù)疊加原理所得保護(hù)區(qū)外直流輸電系統(tǒng)故障后的附加網(wǎng)絡(luò)圖。其中（a）、（b）分別對(duì)應(yīng)圖1 中f5、f6發(fā)生故障時(shí)的附加網(wǎng)絡(luò)圖；、ZMMC1、ZMMC2、同2.1 所述；為K1、K2、H1、H2處測(cè)量的電壓故障分量。

根據(jù)圖1 可知f5處發(fā)生的故障為整流側(cè)區(qū)外正極短路故障。結(jié)合故障附加網(wǎng)絡(luò)圖6（a）可得f5處電壓故障分量為：

圖6 區(qū)外故障后系統(tǒng)的故障附加網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)圖1 可知f6處發(fā)生的故障為逆變側(cè)區(qū)外正極短路故障。結(jié)合故障附加網(wǎng)絡(luò)圖6（b）可得f6處電壓故障分量為：

根據(jù)圖5 與圖6 的分析可得，在f1～f4處發(fā)生故障，即區(qū)內(nèi)故障時(shí)，電流的故障分量都具有相同的極性；在f5和f6處發(fā)生故障，即區(qū)外故障時(shí)，電流的故障分量極性均不同。所以故障區(qū)內(nèi)區(qū)外的判斷標(biāo)準(zhǔn)可以通過(guò)電流故障分量的極性來(lái)判斷。

與此同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在電流故障分量極性確定之后，電壓的故障分量也具有極性。如f1處發(fā)生的區(qū)內(nèi)正極故障和f2處發(fā)生的區(qū)內(nèi)負(fù)極故障，兩者的電流故障分量極性相同，而前者的故障電壓分量的極性是負(fù)的，后者的故障電壓分量是正的。在f3和f4發(fā)生故障，即區(qū)內(nèi)雙極故障時(shí)，其故障的電流分量極性相同，而電壓故障分量的電壓極性不相同。所以故障極的判斷標(biāo)準(zhǔn)可以通過(guò)電壓故障分量的極性來(lái)判斷。

3 保護(hù)方案

由前文分析可知通過(guò)故障電流的分量極性是否相同，來(lái)確定是區(qū)內(nèi)還是區(qū)外故障。在確定是區(qū)內(nèi)故障的前提下，通過(guò)故障電壓分量極性的正負(fù)是否相同來(lái)判斷是正極故障還是負(fù)極故障。

3.1 三階微分綜合立方法提取故障分量

根據(jù)上文的分析可以得到：故障的區(qū)內(nèi)、外的區(qū)分可以通過(guò)電流故障分量的極性是否相同來(lái)判斷；故障極性可以通過(guò)電壓故障分量的極性是否相同來(lái)判斷。

由于在高阻抗接地時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生故障的故障分量很小，需要通過(guò)放大才能進(jìn)行分析。故提出一種通過(guò)三階微分綜合立方法來(lái)提取故障分量的方法。

所需三階微分公式如下：

令k為采樣的時(shí)間，y為故障分量。通過(guò)式（7）可以得到電流以及電壓的故障分量的三階微分量，然后進(jìn)行立方法處理，即B(k)3。

3.2 保護(hù)的方案

通過(guò)上述綜合分析，提出一種基于三階微分綜合立方法的MMC—HVDC 直流輸電線路快速保護(hù)方案。由圖7 保護(hù)方案流程圖可知該保護(hù)方案分為以下四步。

圖7 保護(hù)方案流程圖

Step1 檢測(cè)系統(tǒng)直流側(cè)的電流

當(dāng)K1、K2、H1、H24 個(gè)繼電保護(hù)裝置處測(cè)量的電流在數(shù)值上比正常電流值要高時(shí)，認(rèn)定系統(tǒng)此時(shí)發(fā)生故障。

Step2 電壓與電流故障分量的提取

在系統(tǒng)故障之后，用繼電保護(hù)裝置對(duì)故障電壓電流進(jìn)行讀取，以及發(fā)生故障之前的電壓電流測(cè)量值的讀取。將故障前后電壓電流與測(cè)量值進(jìn)行相減，得到的數(shù)值就是電壓與電流的故障分量。

Step3 故障區(qū)內(nèi)區(qū)外的判斷依據(jù)

將電流故障分量用三階微分綜合立方法處理。當(dāng)處理后的故障電流分量極性不同時(shí)，可判斷為區(qū)外故障；反之，則為區(qū)內(nèi)故障。

Step4 故障選極

根據(jù)前一個(gè)步驟判斷故障為區(qū)內(nèi)故障后，通過(guò)三階微分綜合立方法對(duì)電壓的故障分量進(jìn)行處理。當(dāng)其極不相同時(shí)，可判斷故障為雙極區(qū)內(nèi)故障；反之，則為單極區(qū)內(nèi)故障。在其極性相同的前提下，若同為正極，可判斷故障為負(fù)極故障；若同為負(fù)極，則可判斷為正極故障。

4 仿真驗(yàn)證

在PSCAD 仿真平臺(tái)中搭建如圖1 所示的雙端MMC—HVDC系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)

4.1 區(qū)內(nèi)故障

圖1 中f1～f4處發(fā)生的區(qū)內(nèi)故障，均是故障電流分量，具有相同極性，因此只分析f1處發(fā)生故障的仿真圖，其他情況同理可得。

圖8 中的(a)、(b)、(c)3 組圖,分別代表f1處發(fā)生故障時(shí)，故障電流的原始圖、三階微分處理的圖以及該文所提方法處理的圖。通過(guò)這3 組圖，可以得到電流的極性均為正，由此可以判斷f1處發(fā)生故障為區(qū)內(nèi)故障。

圖8 f1 處發(fā)生故障的仿真圖

4.2 故障選極

圖1 中f1～f4處發(fā)生的區(qū)內(nèi)故障，f1和f2處發(fā)生的故障為單極故障；f3和f4處發(fā)生的故障為雙極故障。故障的選極均是通過(guò)電壓故障分量的極性來(lái)判斷的，因此該文只分析f1和f3處發(fā)生故障的仿真圖，其他情況同理可得。

通過(guò)圖9 中的(a)、(b)、(c) 3 組圖，可以得到電壓的極性均為負(fù)，由此可以判斷f1處發(fā)生故障為正極故障。通過(guò)圖10 中的(a)、(b)、(c) 3 組圖，由上及下均可以得到電壓的極性不相同，由此可以判斷f3處發(fā)生故障為雙極故障。

圖9 f1 處發(fā)生故障的仿真圖

圖10 f3 處發(fā)生故障的仿真圖

4.3 區(qū)外故障

圖1 中f5和f6處發(fā)生的區(qū)外故障，均是故障電流分量具有不同極性，因此只分析f5處發(fā)生故障的仿真圖，f6處的情況同理可得。

通過(guò)圖11 中的(a)、(b)、(c) 3 組圖，由上及下均可得到電壓的極性為負(fù)，由此可以判斷f5處發(fā)生故障為正極故障。

圖11 f5 處發(fā)生故障的仿真圖

由以上仿真結(jié)果可以驗(yàn)證，該文提出的保護(hù)方法可以有效地判別故障的區(qū)內(nèi)區(qū)外，進(jìn)行故障選極，并且提高了保護(hù)的靈敏性和快速性。

5 結(jié)論

由于基于模塊化多電平的雙端柔性直流輸電系統(tǒng)，在直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的直流端造成非常大的損害。故在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行故障分析的前提下，提取出電流電壓分量，并對(duì)其進(jìn)行三階微分綜合立方法處理，得到電壓電流故障分量。

在進(jìn)行判斷故障是區(qū)內(nèi)還是區(qū)外時(shí)，通過(guò)三階微分綜合立方法對(duì)電流故障分量進(jìn)行處理后，以其極性異同為判斷標(biāo)準(zhǔn)的。當(dāng)其極性相同時(shí)，為區(qū)外故障；反之，則為區(qū)內(nèi)故障。

故障的選極，是在故障為區(qū)內(nèi)故障的前提下，通過(guò)電壓故障分量的三階微分綜合立方法分析處理后，根據(jù)其極性來(lái)判斷的。當(dāng)其極性都為正時(shí)，為負(fù)極故障；當(dāng)其極性都為負(fù)時(shí)，為正極故障；當(dāng)其極性一正一負(fù)時(shí)，為正負(fù)極故障。

最后，在PSCAD 仿真平臺(tái)上搭建了基于模塊化多電平的雙端柔性直流輸電系統(tǒng)，并且對(duì)次模型進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，所提出的保護(hù)方法不但可以有效地對(duì)故障的區(qū)內(nèi)區(qū)外以及故障的極性進(jìn)行識(shí)別，還提高了保護(hù)的靈敏性和快速性。