基于桥臂电抗器耦合的MMC-HVDC系统故障过流抑制方法

晁武杰，唐志军，林国栋，李超，胡文旺

( 国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007)

0 引言

高压直流输电( High Voltage Direct Current，HVDC)提高了输电效率和资源利用水平，是满足长距离、大容量、清洁和可再生能源传输效率和资源利用率的主要途径［1］。模块化多电平换流器( Modular Multilevel Converter，MMC) 自2002 年提出以来，已成功实现商业化［2］。已逐渐成为高压直流输电系统换流站的首选变换器拓扑，在电能质量管理和高压直流输电转换等领域展现了较好的应用前景。然而，直流侧的短路故障会使MMC 系统中流过很大的短路冲击电流。因为，对基于MMC-HVDC 系统故障过电流抑制方法的研究具有重要的实际意义。

目前，国内外学者对MMC-HVDC 系统直流故障电流切断能力的MMC 系统级拓扑进行了深入研究，并取得了良好的研究成果，提出了多种不同的桥臂和单相优化拓扑。在文献［3］中，提出一种改进型MMC 拓扑结构，并分析了改进子模块的工作原理。在此基础上，研究了基于子模块的MMC 故障限流机制，仿真结果验证了该拓扑结构的准确性。在文献［4］中，根据交直流系统的实际电气参数、桥臂子模块等，建立MMCHVDC 系统真双极性和伪双极性拓扑直流故障的等效电路。比较和分析了MMC 桥臂在各个阶段的故障电流流向。在文献［5］中，提出了一种利用电感限流的拓扑结构，从三个方面进行分析。当限流电路与直流断路器配合完成故障切除时，可以有效地抑制故障电流，并可以加速故障电流的衰减。在文献［6］中，根据MMC 拓扑的工作原理分析了两种MMC 系统级拓扑。桥臂和单相优化拓扑。比较并分析故障隔离和故障电流闭锁机制、优缺点和范围。尽管以上研究非常成熟，但器件过多，极大地增加了换流器的损耗和投入成本。

基于此，文中提出了一种利用桥臂电抗器耦合抑制故障过电流的方法，通过将MMC 同相上臂和下臂的电抗器耦合以抑制短路电流。通过仿真对该仰制方法的有效性进行验证。

1 MMC 拓扑结构和原理

图1 所示MMC 拓扑( 桥臂电抗器耦合) 。由图1可知，对于MMC 换流站，换流站的两侧都连接到交、直流系统［7］。换流站包括变压器、MMC 换流器和直流侧平波电抗器。

图1 MMC 拓扑( 桥臂电抗器耦合)Fig.1 MMC topology ( bridge arm reactor coupling)

MMC 三相转换器的每个相单元均由上下桥臂和桥臂电感组成［8］。上半桥臂和下半桥臂均包含N个子模块( Sub-module，SM)［9］。桥臂子模块的拓扑结构不同。当前公认的是半桥子模块( HBSM) 、全桥子模块( FBSM) 和箝位双子模块( CDSM)［10］。从设备成本的角度来看，HBSM 是最经济的选择，子模块为半桥结构，由两个隔离的栅极双极晶体管模块( T1/D1、T2/D2)和带有反并联二极管的子模块电容器组成。子模块功能由输入、切除和锁定组成。所需要的电压可以通过控制变换器子模块的输入/切除来获得［11］。

正常运行时，线圈的基波电流方向相反，产生相互抵消的磁场［12］。桥臂电感值(1－k)L0适当，对系统的稳定性无影响。另外，两个线圈的直流和相间环流沿相同方向流动，产生的磁场相互叠加［13］。对相间环流和直流起到抑制。在双极故障时，形成具有接地电阻的回路，电容放电，交流短路电流非常小，上、下桥臂的电流趋势相似，产生相互激励的磁场［14］。此时，桥臂电感变电抗，值为(1 +k)L0，以抑制短路电流。

2 过流抑制方法

2.1 故障过电流

在MMC 的直流端，有两种类型的短路故障:单极接地和双极短路［15］。最严重的故障过电流是双极T1 使电容放电，从而导致严重的过电流。放电电路如图2 所示。

图2 放电回路( 子模块)Fig.2 Discharge circuit ( submodule)

图3所示放电等效图，为二阶RLC 放电电路［16］。

图3 放电等效图Fig.3 Discharge equivalent diagram

图2中，RL和LL为线路阻抗;L0和M 分别为桥臂电抗自感和互感;Rf为短路电阻;C 为子模块电容。

若线路故障时的直流电流为I0，电容电压为U0，则故障后RLC 电路如式(1) 所示［17］:

式中uc为直流电容电压。

令R = RL+Rf，L = LL+2(L0+M) ，则式(1) 可变换成式(2) 所示［18］:

在系统中，R远小于，为二阶欠阻尼振荡衰减，其电容电压uc如式(3) 所示［19］:

电流i如式(4) 所示［20］:

已知k =，带入L，如式(6) 所示［22］:

式中2(1－ k)L0为系统在稳定状态下运行时桥臂的电抗［23］。如对系统稳态运行无影响，不要更改此值，并适当增加4kL0项，以减少故障的过电流。

2.2 耦合系数的选择

通过MATLAB 建立双端MMC-HVDC 系统，如图4所示，参数见表1。系统周期100 μs，整流侧由恒定的直流电压和无功控制。逆变器由恒定的有、无功控制［24］。

表1 系统参数Tab.1 System parameters

图4 双端仿真系统Fig.4 Two-terminal simulation system

MMC-HVDC 系统稳定运行3.0 s 后直流出口出现双极短路故障，故障电阻为0.01 Ω。在故障发生后5 ms 闭锁，保持L －M =53 mH 不变，即系统运行在稳态时，桥臂的电感保持不变，通过改变系数k来分析短路电流变化［25］。

在t =3.005 s 时，随系数k变化，各桥臂电流大小见表2 和表3。

表2 故障后5 ms 各桥臂电流1Tab.2 Each bridge arm current 1 after failure 5 ms

可以看出，随着k值增大，桥臂电流不断减小［26］。k= 0.5 时仅为抑制前的42.70% ，抑制效果越来越大。k= 0.6 时，自感和互感分别为133 mH 和80 mH。随着k值继续增加，自感和互感达到更高的值。在实际的MMC 项目中，桥臂电抗器一般情况下为60 mH ～150 mH，选取耦合系数为0.5，因为k值太大，无法满足工程要求［27］。

3 仿真结果与分析

使用上面的系统参数，在故障阶段使用了桥臂电抗值相等的普通电抗器和耦合系数为0.5 的耦合电抗器，以更好地阐明文中抑制方法优势［28］。

系统稳态运行3.0 s 后直流出口出现双极短路故障，故障电阻为0.01 Ω。从桥臂瞬时最大电压、桥臂瞬时电流和子模块电容平均电压三个方面客观评价了抑制方法的有效性［29］。

3.1 瞬时最大电压

如图5 所示桥臂电抗器瞬时最大电压曲线。

由图5 可知，桥臂电抗器的端电压在故障后快速攀升到数百千伏。普通、耦合电抗器的瞬时最大电压分别为296.40 kV 和292.80 kV，耦合电抗器降低了1.21%。在峰值后，普通电抗器迅速下降，闭锁时的电压值为121.91 kV，低于最大值58.87%。耦合电抗器下降较为缓慢，闭锁时电压值186.42 kV，与最大值相比降低36.4%。

3.2 瞬时电流

故障时，各桥臂的瞬时电流变化趋势相似［30］。以A 相桥臂的瞬时电流为例说明，上、下桥臂瞬时电流如图6 和图7 所示。

图6 瞬时电流( A 相上桥臂)Fig.6 Instantaneous current ( A phase upper bridge arm)

在A 相上桥臂，当t=3.005 s 时，耦合电抗器系统的电流为7.56 kA，正常电抗器系统的电流为16.72 kA，耦合电抗器仅为正常电抗器电流的45.22% 。同样，在A 相下桥臂，当t= 3.005 s 时，耦合电抗器系统的电流为3.18 kA，普通电抗器为13.53 kA，偶合电抗器仅为普通电抗器的23.50%，故障电流降低明显。

由于故障是随机发生的，各桥臂故障电流的初值和过流程度都不同［31］。因此，应注意比较不同时刻桥臂电流的瞬时值。在t=3 s ～3.015 s 之间选择相同间距的7个时刻，分别在直流侧设置双极短路故障，记录7 个时刻的瞬时电流和峰值平均电流，见表4 ～表7。

表4 普通电抗器故障后5 ms 各桥臂电流瞬时值1Tab.4 Common reactor 5 ms after fault each bridge arm current instantaneous value 1

表5 普通电抗器故障后5 ms 各桥臂电流瞬时值2Tab.5 Common reactor 5 ms after fault each bridge arm current instantaneous value 2

表6 耦合电抗器故障后5 ms 各桥臂电流瞬时值1Tab.6 Instantaneous current 1 value of each bridge arm 5 ms after coupling reactor fault

表7 耦合电抗器故障后5 ms 各桥臂电流瞬时值2Tab.7 Instantaneous current 2 value of each bridge arm 5 ms after coupling reactor fault

桥臂的平均峰值电流irm在一定程度上可以代表6个桥臂的平均最大电流，如式(7) 所示［32］:

比较这几个表中的数据，不同时刻耦合电抗器电流波动较小，对故障电流的抑制效果较好。

3.3 电容平均电压

在闭锁前，子模块电容放电［33］。重新启动，电容器需要充电。因此，有必要分析各子模块的电容电压变化。图8 所示子模块电容的平均电压。

图8 电容平均电压对比Fig.8 Comparison of capacitor average voltage

使用耦合电抗器和普通电抗器，闭锁时子模块的平均电容电压分别为额定值的86.5% 和52.7% 。使用耦合电抗器，电容器发生故障后消耗的能量较少。这有助于系统在重新启动后立即进入稳定状态。使用普通电抗器，电容器的能量损失相对较大，并且在启动时需要较长的充电时间。

相对于普通电抗器，耦合电抗器可以有效降低损耗，双极故障时有效抑制故障电流的增加，为保护赢得时间。但文中只是对故障电流抑制方法进行了研究，未对故障电流切除方法进行研究，后续研究会不断完善。

4 结束语

通过桥臂电抗器耦合完成故障过电流抑制，将MMC同一相中上臂和下臂的电抗器耦合来抑制短路过电流。通过仿真从桥臂电抗器的瞬时最大电压、桥臂的瞬时电流和子模块电容器的平均电压进行分析，验证对故障过电流抑制的有效性。结果表明，在不同的故障时间，桥臂的平均峰值电流几乎没有波动，发生双极故障时桥臂电抗器可以有效地防止故障电流的增加。