基于橋臂電抗器耦合的MMC-HVDC系統(tǒng)故障過流抑制方法

晁武杰，唐志軍，林國(guó)棟，李超，胡文旺

( 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007)

0 引言

高壓直流輸電( High Voltage Direct Current，HVDC)提高了輸電效率和資源利用水平，是滿足長(zhǎng)距離、大容量、清潔和可再生能源傳輸效率和資源利用率的主要途徑［1］。模塊化多電平換流器( Modular Multilevel Converter，MMC) 自2002 年提出以來，已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化［2］。已逐漸成為高壓直流輸電系統(tǒng)換流站的首選變換器拓?fù)?，在電能質(zhì)量管理和高壓直流輸電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域展現(xiàn)了較好的應(yīng)用前景。然而，直流側(cè)的短路故障會(huì)使MMC 系統(tǒng)中流過很大的短路沖擊電流。因?yàn)?，?duì)基于MMC-HVDC 系統(tǒng)故障過電流抑制方法的研究具有重要的實(shí)際意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)MMC-HVDC 系統(tǒng)直流故障電流切斷能力的MMC 系統(tǒng)級(jí)拓?fù)溥M(jìn)行了深入研究，并取得了良好的研究成果，提出了多種不同的橋臂和單相優(yōu)化拓?fù)?。在文獻(xiàn)［3］中，提出一種改進(jìn)型MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析了改進(jìn)子模塊的工作原理。在此基礎(chǔ)上，研究了基于子模塊的MMC 故障限流機(jī)制，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。在文獻(xiàn)［4］中，根據(jù)交直流系統(tǒng)的實(shí)際電氣參數(shù)、橋臂子模塊等，建立MMCHVDC 系統(tǒng)真雙極性和偽雙極性拓?fù)渲绷鞴收系牡刃щ娐?。比較和分析了MMC 橋臂在各個(gè)階段的故障電流流向。在文獻(xiàn)［5］中，提出了一種利用電感限流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從三個(gè)方面進(jìn)行分析。當(dāng)限流電路與直流斷路器配合完成故障切除時(shí)，可以有效地抑制故障電流，并可以加速故障電流的衰減。在文獻(xiàn)［6］中，根據(jù)MMC 拓?fù)涞墓ぷ髟矸治隽藘煞NMMC 系統(tǒng)級(jí)拓?fù)?。橋臂和單相?yōu)化拓?fù)洹１容^并分析故障隔離和故障電流閉鎖機(jī)制、優(yōu)缺點(diǎn)和范圍。盡管以上研究非常成熟，但器件過多，極大地增加了換流器的損耗和投入成本。

基于此，文中提出了一種利用橋臂電抗器耦合抑制故障過電流的方法，通過將MMC 同相上臂和下臂的電抗器耦合以抑制短路電流。通過仿真對(duì)該仰制方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原理

圖1 所示MMC 拓?fù)? 橋臂電抗器耦合) 。由圖1可知，對(duì)于MMC 換流站，換流站的兩側(cè)都連接到交、直流系統(tǒng)［7］。換流站包括變壓器、MMC 換流器和直流側(cè)平波電抗器。

圖1 MMC 拓?fù)? 橋臂電抗器耦合)Fig.1 MMC topology ( bridge arm reactor coupling)

MMC 三相轉(zhuǎn)換器的每個(gè)相單元均由上下橋臂和橋臂電感組成［8］。上半橋臂和下半橋臂均包含N個(gè)子模塊( Sub-module，SM)［9］。橋臂子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同。當(dāng)前公認(rèn)的是半橋子模塊( HBSM) 、全橋子模塊( FBSM) 和箝位雙子模塊( CDSM)［10］。從設(shè)備成本的角度來看，HBSM 是最經(jīng)濟(jì)的選擇，子模塊為半橋結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)隔離的柵極雙極晶體管模塊( T1/D1、T2/D2)和帶有反并聯(lián)二極管的子模塊電容器組成。子模塊功能由輸入、切除和鎖定組成。所需要的電壓可以通過控制變換器子模塊的輸入/切除來獲得［11］。

正常運(yùn)行時(shí)，線圈的基波電流方向相反，產(chǎn)生相互抵消的磁場(chǎng)［12］。橋臂電感值(1－k)L0適當(dāng)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響。另外，兩個(gè)線圈的直流和相間環(huán)流沿相同方向流動(dòng)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互疊加［13］。對(duì)相間環(huán)流和直流起到抑制。在雙極故障時(shí)，形成具有接地電阻的回路，電容放電，交流短路電流非常小，上、下橋臂的電流趨勢(shì)相似，產(chǎn)生相互激勵(lì)的磁場(chǎng)［14］。此時(shí)，橋臂電感變電抗，值為(1 +k)L0，以抑制短路電流。

2 過流抑制方法

2.1 故障過電流

在MMC 的直流端，有兩種類型的短路故障:單極接地和雙極短路［15］。最嚴(yán)重的故障過電流是雙極T1 使電容放電，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的過電流。放電電路如圖2 所示。

圖2 放電回路( 子模塊)Fig.2 Discharge circuit ( submodule)

圖3所示放電等效圖，為二階RLC 放電電路［16］。

圖3 放電等效圖Fig.3 Discharge equivalent diagram

圖2中，RL和LL為線路阻抗;L0和M 分別為橋臂電抗自感和互感;Rf為短路電阻;C 為子模塊電容。

若線路故障時(shí)的直流電流為I0，電容電壓為U0，則故障后RLC 電路如式(1) 所示［17］:

式中uc為直流電容電壓。

令R = RL+Rf，L = LL+2(L0+M) ，則式(1) 可變換成式(2) 所示［18］:

在系統(tǒng)中，R遠(yuǎn)小于，為二階欠阻尼振蕩衰減，其電容電壓uc如式(3) 所示［19］:

電流i如式(4) 所示［20］:

已知k =，帶入L，如式(6) 所示［22］:

式中2(1－ k)L0為系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)橋臂的電抗［23］。如對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行無影響，不要更改此值，并適當(dāng)增加4kL0項(xiàng)，以減少故障的過電流。

2.2 耦合系數(shù)的選擇

通過MATLAB 建立雙端MMC-HVDC 系統(tǒng)，如圖4所示，參數(shù)見表1。系統(tǒng)周期100 μs，整流側(cè)由恒定的直流電壓和無功控制。逆變器由恒定的有、無功控制［24］。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

圖4 雙端仿真系統(tǒng)Fig.4 Two-terminal simulation system

MMC-HVDC 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行3.0 s 后直流出口出現(xiàn)雙極短路故障，故障電阻為0.01 Ω。在故障發(fā)生后5 ms 閉鎖，保持L －M =53 mH 不變，即系統(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)時(shí)，橋臂的電感保持不變，通過改變系數(shù)k來分析短路電流變化［25］。

在t =3.005 s 時(shí)，隨系數(shù)k變化，各橋臂電流大小見表2 和表3。

表2 故障后5 ms 各橋臂電流1Tab.2 Each bridge arm current 1 after failure 5 ms

可以看出，隨著k值增大，橋臂電流不斷減?。?6］。k= 0.5 時(shí)僅為抑制前的42.70% ，抑制效果越來越大。k= 0.6 時(shí)，自感和互感分別為133 mH 和80 mH。隨著k值繼續(xù)增加，自感和互感達(dá)到更高的值。在實(shí)際的MMC 項(xiàng)目中，橋臂電抗器一般情況下為60 mH ～150 mH，選取耦合系數(shù)為0.5，因?yàn)閗值太大，無法滿足工程要求［27］。

3 仿真結(jié)果與分析

使用上面的系統(tǒng)參數(shù)，在故障階段使用了橋臂電抗值相等的普通電抗器和耦合系數(shù)為0.5 的耦合電抗器，以更好地闡明文中抑制方法優(yōu)勢(shì)［28］。

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行3.0 s 后直流出口出現(xiàn)雙極短路故障，故障電阻為0.01 Ω。從橋臂瞬時(shí)最大電壓、橋臂瞬時(shí)電流和子模塊電容平均電壓三個(gè)方面客觀評(píng)價(jià)了抑制方法的有效性［29］。

3.1 瞬時(shí)最大電壓

如圖5 所示橋臂電抗器瞬時(shí)最大電壓曲線。

由圖5 可知，橋臂電抗器的端電壓在故障后快速攀升到數(shù)百千伏。普通、耦合電抗器的瞬時(shí)最大電壓分別為296.40 kV 和292.80 kV，耦合電抗器降低了1.21%。在峰值后，普通電抗器迅速下降，閉鎖時(shí)的電壓值為121.91 kV，低于最大值58.87%。耦合電抗器下降較為緩慢，閉鎖時(shí)電壓值186.42 kV，與最大值相比降低36.4%。

3.2 瞬時(shí)電流

故障時(shí)，各橋臂的瞬時(shí)電流變化趨勢(shì)相似［30］。以A 相橋臂的瞬時(shí)電流為例說明，上、下橋臂瞬時(shí)電流如圖6 和圖7 所示。

圖6 瞬時(shí)電流( A 相上橋臂)Fig.6 Instantaneous current ( A phase upper bridge arm)

在A 相上橋臂，當(dāng)t=3.005 s 時(shí)，耦合電抗器系統(tǒng)的電流為7.56 kA，正常電抗器系統(tǒng)的電流為16.72 kA，耦合電抗器僅為正常電抗器電流的45.22% 。同樣，在A 相下橋臂，當(dāng)t= 3.005 s 時(shí)，耦合電抗器系統(tǒng)的電流為3.18 kA，普通電抗器為13.53 kA，偶合電抗器僅為普通電抗器的23.50%，故障電流降低明顯。

由于故障是隨機(jī)發(fā)生的，各橋臂故障電流的初值和過流程度都不同［31］。因此，應(yīng)注意比較不同時(shí)刻橋臂電流的瞬時(shí)值。在t=3 s ～3.015 s 之間選擇相同間距的7個(gè)時(shí)刻，分別在直流側(cè)設(shè)置雙極短路故障，記錄7 個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)電流和峰值平均電流，見表4 ～表7。

表4 普通電抗器故障后5 ms 各橋臂電流瞬時(shí)值1Tab.4 Common reactor 5 ms after fault each bridge arm current instantaneous value 1

表5 普通電抗器故障后5 ms 各橋臂電流瞬時(shí)值2Tab.5 Common reactor 5 ms after fault each bridge arm current instantaneous value 2

表6 耦合電抗器故障后5 ms 各橋臂電流瞬時(shí)值1Tab.6 Instantaneous current 1 value of each bridge arm 5 ms after coupling reactor fault

表7 耦合電抗器故障后5 ms 各橋臂電流瞬時(shí)值2Tab.7 Instantaneous current 2 value of each bridge arm 5 ms after coupling reactor fault

橋臂的平均峰值電流irm在一定程度上可以代表6個(gè)橋臂的平均最大電流，如式(7) 所示［32］:

比較這幾個(gè)表中的數(shù)據(jù)，不同時(shí)刻耦合電抗器電流波動(dòng)較小，對(duì)故障電流的抑制效果較好。

3.3 電容平均電壓

在閉鎖前，子模塊電容放電［33］。重新啟動(dòng)，電容器需要充電。因此，有必要分析各子模塊的電容電壓變化。圖8 所示子模塊電容的平均電壓。

圖8 電容平均電壓對(duì)比Fig.8 Comparison of capacitor average voltage

使用耦合電抗器和普通電抗器，閉鎖時(shí)子模塊的平均電容電壓分別為額定值的86.5% 和52.7% 。使用耦合電抗器，電容器發(fā)生故障后消耗的能量較少。這有助于系統(tǒng)在重新啟動(dòng)后立即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。使用普通電抗器，電容器的能量損失相對(duì)較大，并且在啟動(dòng)時(shí)需要較長(zhǎng)的充電時(shí)間。

相對(duì)于普通電抗器，耦合電抗器可以有效降低損耗，雙極故障時(shí)有效抑制故障電流的增加，為保護(hù)贏得時(shí)間。但文中只是對(duì)故障電流抑制方法進(jìn)行了研究，未對(duì)故障電流切除方法進(jìn)行研究，后續(xù)研究會(huì)不斷完善。

4 結(jié)束語

通過橋臂電抗器耦合完成故障過電流抑制，將MMC同一相中上臂和下臂的電抗器耦合來抑制短路過電流。通過仿真從橋臂電抗器的瞬時(shí)最大電壓、橋臂的瞬時(shí)電流和子模塊電容器的平均電壓進(jìn)行分析，驗(yàn)證對(duì)故障過電流抑制的有效性。結(jié)果表明，在不同的故障時(shí)間，橋臂的平均峰值電流幾乎沒有波動(dòng)，發(fā)生雙極故障時(shí)橋臂電抗器可以有效地防止故障電流的增加。