多電平換流器fbmmc-柔性直流輸電的直流故障選線策略

模塊多永平換流器（hvdc）是未來hvdc領域的發(fā)展趨勢[14]。世界上第一個商業(yè)應用“transbaycoldc”項目已經(jīng)建成。上海南匯靈活直流工程已開始施工。象山多端靈活直流工程和大連柔性直流工程已開始施工。hbmmc-hvdc和hbmmc-haf-hbmmc-a型半橋彝族運動系統(tǒng)（hbmmc）用作流量控制器。當柔性輸出系統(tǒng)出現(xiàn)雙向短路故障時，hbmmc-hvdc和三根橫斷面測量裝置（hbmmc-hvdc）中的雙極態(tài)偶聯(lián)體衰落效應。該系統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)在短路點處存在三個短路現(xiàn)象，并且不能依賴于交換裝置本身的短路電流。嚴重危及系統(tǒng)的安全運行。同時，由于高壓帶高速直流故障的制造技術還不成熟，現(xiàn)有的多端柔性直流工程需要要求永產電纜可靠性，即極低的低直接故障的發(fā)生概率，這在一定程度上限制了柔性直流工程在多端電網(wǎng)的發(fā)展和應用。HBMMC拓撲的創(chuàng)始人Marquardt介紹了具有穿越嚴重直流故障的全橋型MMC(Full-BridgeMMC,FBMMC)結構,每個全橋子模塊(Full-BridgeSubmodule,FBSM)可以輸出3種電平,但并未給出FBMMC的具體運行原理.為了提高FBMMC的工程實用價值,本文從理論上證明了FBMMC可以采用與傳統(tǒng)VSC相似的解耦控制策略,并可結合HBMMC已有的研究成果組建完整的閉環(huán)控制系統(tǒng),實現(xiàn)功率傳輸.文獻[8~10]提出了兩電平多端柔性直流輸電(VSC-MTDC)系統(tǒng)的直流故障線路定位和隔離的“握手原則”,由于換流器自身無法切斷故障電流,因此需要跳開交流斷路器以便直流隔離開關可靠動作.理論分析表明,上述原則同樣適用于不具備直流故障穿越能力的三電平VSC-MTDC及HBMMC-MTDC系統(tǒng).然而,尚無文獻報道具備直流故障穿越能力的FBMMC在多端直流系統(tǒng)中的直流故障定位及隔離方法.基于此,本文提出FBMMC-MTDC系統(tǒng)直流故障“握手原則”,可以在無需系統(tǒng)停運下檢測并隔離故障線路,保證系統(tǒng)運行連續(xù)性.同時,為了精確評估不同結構的換流器在VSC-MTDC系統(tǒng)中的直流故障穿越能力,提出了直流故障穿越能力指標(DCFaultRide-ThroughCapabilityIndex,DFRTI),并針對FBMMC-MTDC系統(tǒng)進行了不同換流器結構參數(shù)下的仿真計算.在PSCAD/EMTDC下驗證了本文所提出的控制策略及相應評價指標,結果表明,FBMMC-MTDC具有直流故障快速恢復及系統(tǒng)連續(xù)運行能力,也即很強的直流故障穿越能力,工程應用前景極大.1子模塊的運行機理圖1為FB-和HBMMC的通用拓撲結構,它由3個相單元和6個橋臂構成,每個橋臂由N個子模塊串聯(lián).橋臂電抗器L0用于抑制相間環(huán)流以及抑制故障時橋臂電流的上升速率,UDC為MMC雙極直流母線電壓差[11~14].FBMMC的子模塊拓撲結構如圖2所示,它由4個IGBT(T1,T2,T3,T4),4個反并聯(lián)二極管(D1,D2,D3,D4)組成.C0是直流電容,UC是電容電壓,USM是子模塊的端口輸出電壓.如圖2(a)所示,FBMMC的橋臂電流正方向定義為流入子模塊正端口,反之則為負.如圖2(b)所示,T1和T4導通,USM為UC;T2和T3導通,USM為-UC;T1和T2或T3和T4導通,USM為0.基于上述子模塊運行機理,本文將FBMMC子模塊的3種工作狀態(tài)劃分為如下2種工作模式,并提出了子模塊IGBT的輪換導通方法.1)PLUS模式:子模塊交替地輸出UC和0;PLUS和MINUS模式是對稱的,結合FBSM中IGBT開關狀態(tài)可知,子模塊輸出0電壓時對應兩組開關組合,在子模塊交替地輸出0電壓時,T1和T2與T3和T4應交替輪換導通,以均勻開關損耗.不妨假設FBMMC中全部子模塊都工作在PLUS模式,則穩(wěn)態(tài)時其與HBMMC控制方法及運行原理基本相同,且所需器件數(shù)目及運行損耗均為HBMMC的兩倍,這在一定程度上限制了其工業(yè)化應用.根據(jù)FBMMC子模塊可以工作在MINUS模式的特點,可以通過調制作用保證其直流電壓恒定的前提下,使得輸出交流相電壓峰值略高于單極直流電壓,可有效降低輸入換流器的電流,進而降低換流器的運行損耗.由于電壓源換流器的損耗計算方法已有諸多文獻深入研究,且其依賴于具體系統(tǒng)參數(shù)和器件的選型,本文將不再深入介紹FBMMC降損運行模式的具體實現(xiàn)方法.值得注意的是,FBMMC在全站閉鎖后可以切斷橋臂故障電流的特性與所使用的運行模式無關.2fbmmc的工作原理圖3為FBMMC的單相等效電路,L0和R0分別為橋臂電抗器和等效橋臂電阻,IDC為直流電流(以FBMMC工作在逆變狀態(tài)為例),uvm(m=a,b,c)是m相在V點的輸出電壓,ivm(m=a,b,c)為相應的相電流.upm和unm分別為m相上、下橋臂由子模塊級聯(lián)產生的電壓,則上、下橋臂電流ipm和inm分別為:其中,Idiffm是m相的內部環(huán)流,根據(jù)(1)和(2)式知:其中,I2f是負序性質的相間環(huán)流.設udiffm為m相的內部不平衡壓降,則:因此,結合圖3中橋臂電流的參考方向,可知M點與M′點間電勢差uMM′為:將(1)~(4)式代入(5)式得:由(6)式知,當且僅當忽略R0,且不計I2f時,uMM′為零,也即嚴格來講,M點與M′點電位不相同,因此從電路結構上看來,上、下橋臂的R0與L0并非并聯(lián)關系.從圖3中的V點到正負極直流母線分別應用KVL得:(7)加(8)式并代入(1)和(2)式得:定義M點與M′點之間的虛擬點M″,其電動勢為em:(9)式中uvm為交流系統(tǒng)電壓,通過調節(jié)em的大小即可直接控制輸出交流ivm的大小,因此FBMMC本質上仍為電壓源換流器,可以使用“電流矢量控制”在D-Q坐標下實現(xiàn)有功無功的完全獨立解耦控制,且em即為內環(huán)電流控制所產生的m相調制波.由(9)式知,FBMMC上、下橋臂的R0與L0在M″處可以看作并聯(lián)連接,因此其換流電抗器為:其中LT為FBMMC換流變壓器漏抗.根據(jù)(4)式結合m相應用KVL可得:因此m相上、下橋臂參考電壓分別為:進而由最近電平逼近調制策略計算任意時刻MMC上、下橋臂所需投入的子模塊數(shù)目:其中,UCAV是FBMMC橋臂中子模塊電容電壓額定值.在得到需要導通的子模塊數(shù)目后,再基于已在HBMMC中成功應用的子模塊電容電壓排序均壓法產生全部子模塊的觸發(fā)信號.由于FBMMC輸出交流相電壓調制波幅值可以高于單極直流電壓整定值,以降低換流器運行損耗,因此由(13)和(14)式知,(15)和(16)式將會按照一定規(guī)律計算出負值,但同一相單元中橋臂上下子模塊輸出電壓的代數(shù)和仍為換流器直流電壓.至此,FBMMC已可以構建完整閉環(huán)控制系統(tǒng)以實現(xiàn)功率傳輸,為其在多端柔性直流輸電系統(tǒng)中的應用奠定了基礎.3fbmmc-mtcd直流故障黨建多端柔性直流輸電系統(tǒng)接線有串聯(lián)式,并聯(lián)式(分樹枝式和環(huán)網(wǎng)式兩類)和混聯(lián)式,本文采用工程上應用較為廣泛的并聯(lián)環(huán)網(wǎng)式結構.同時,為了盡可能地降低直流故障發(fā)生概率,多端柔性直流輸電系統(tǒng)一般采用海底電纜或者地下電纜作為傳輸線路,然而直流故障仍然會以較低的概率發(fā)生,且主要有三種故障類型:單極接地故障,斷線故障,雙極短路故障,文獻分析了發(fā)生三種故障時的系統(tǒng)特性,為了突出研究重點,且不失一般性,本文只研究故障后果最嚴重的永久性雙極短路故障(以下簡稱為“直流故障”),文獻提出了兩電平VSC-MTDC系統(tǒng)直流故障時的“握手原則”,文獻中以三端柔性直流輸電直流側發(fā)生單極接地故障為例,詳細描述了基于“握手原則”的故障線路檢測及隔離方法,保證了系統(tǒng)的直流電壓及功率恢復.由于需要跳開并重合閘三相交流斷路器,系統(tǒng)故障恢復時間較長,而FBMMC可切斷自身故障電流,無需交流斷路器參與.基于上述假定,本文將提出FBMMC-MTDC系統(tǒng)直流故障時故障線路隔離及系統(tǒng)快速恢復的“握手原則”,所提策略很容易推廣至其他兩種直流故障.圖4所示的三端系統(tǒng)中,SW11,SW12,SW22,SW23,SW33,SW31分別為靠近各換流站的直流線路隔離開關,以圖4為例,本文提出的FBMMC-MTDC系統(tǒng)直流故障“握手原則”的具體實現(xiàn)步驟如下.a)直流故障發(fā)生時刻及故障類型檢測直流故障檢測及分類在文獻中有詳細描述,而FBMMC-MTDC系統(tǒng)在故障發(fā)生后換流器閉鎖前的系統(tǒng)暫態(tài)特性與兩電平VSC-MTDC系統(tǒng)相似,完全可以采用相同的故障檢測方法,但是檢測閾值需要根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)單獨設計.b)標記潛在故障線路隔離開關由a)知,FBMMC-MTDC系統(tǒng)可以采用文獻中描述的潛在隔離開關確定方法,也即根據(jù)直流線路中短路電流的潮流方向標記潛在故障線路的隔離開關,以便換流站閉鎖后在零電流下可靠跳開.c)全部換流器閉鎖當系統(tǒng)檢測到直流故障后,需要盡快閉鎖全部換流器以防止開關器件過流,從故障發(fā)生到換流器可靠閉鎖,約需5~10ms的檢測裝置延時及保護裝置動作時間,本文中延時設置為5ms.d)零電流下跳開標記的全部直流隔離開關當確保c)中換流器閉鎖后全部直流線路電流為零后,跳開在b)中標記好的全部潛在隔離開關.經(jīng)過大量的仿真發(fā)現(xiàn),全橋換流站閉鎖后,直流短路電流會在半個周波內衰減到零,因此本文隔離開關動作信號在全站閉鎖后10ms觸發(fā).e)全部換流器解鎖,健全線路隔離開關閉合FBMMC在直流故障發(fā)生后換流器閉鎖前,子模塊迅速放電,直流電壓隨之降低;閉鎖后,子模塊停止放電,依然保留部分電量,隨著橋臂電抗器儲能的釋放,子模塊電壓通過全波整流略有上升,故障電流迅速衰減為零,但由于FBMMC拓撲結構的特殊性,雙極直流母線均不帶電;換流器解鎖瞬間,直流母線帶電并緩慢上升,此時在d)中跳開的非故障線路隔離開關兩端均感知到預設的直流電壓后,實現(xiàn)“握手”并可靠閉合,本文中設置從換流器解鎖到隔離開關閉合經(jīng)過10ms.隔離開關閉合后,全系統(tǒng)在各自控制方式下平穩(wěn)過渡到新的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài),如果健全線路具備足夠的過流能力,三個換流站傳輸?shù)挠泄β示梢曰謴偷焦收锨盃顟B(tài).上述即為本文提出的FBMMC-MTDC系統(tǒng)直流故障“握手原則”,從執(zhí)行步驟上看來,比兩電平VSC-MTDC系統(tǒng)大為簡化,且無需交流斷路器參與,大大節(jié)約了系統(tǒng)故障恢復時間.以上僅針對并聯(lián)環(huán)網(wǎng)型多端柔性直流系統(tǒng)提供了相關策略,對于并聯(lián)樹枝型多端網(wǎng)絡,故障線路及與其最近的換流站都將被隔離停運,所采取的相應策略會略有不同.4mmc對直流故障的排除能力前文已經(jīng)介紹了兩、三電平VSC-HVDC及HBMMC-HVDC系統(tǒng)無法穿越嚴重直流故障的機理,MMC運行過程中的強非線性及其與控制系統(tǒng)的強耦合性決定了理論上精確計算直流故障時換流器閉鎖前后開關器件過流情況的復雜性,很難通過理論計算評估換流器對故障電流的抑制能力,至今也未見相關文獻報道.4.1換流器鎖時立足9s本文提出了一種可以整體考慮換流器自身高度非線性、強控制耦合性以及不同控制方式下的多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流故障穿越能力評價指標,具體定義如(17)式及圖5和6所示.這里,Ishort為直流故障發(fā)生后雙極短路電流,Ishort=Ishort1+Ishort2;tF為直流故障發(fā)生的時刻;tB為系統(tǒng)閉鎖時刻,取決于直流測量系統(tǒng)的反應時間以及保護裝置的延時,本文中tB=tF+5ms;IB為G(t)在tB的值;F(t)為系統(tǒng)發(fā)生直流故障后無任何保護措施(如換流器閉鎖等)時的Ishort曲線;G(t)為全系統(tǒng)在tB閉鎖后的Ishort曲線,為了突出換流器自身對故障電流的抑制作用,全部換流器閉鎖后無任何后續(xù)保護措施;S1為曲線F(t)從tF到tT的面積;S2為曲線G(t)從tF到tT的面積;IM為F(t)的最大值;tM為F(t)達到其最大值的時刻;tT為如換流器無任何保護措施時三相交流斷路器的動作時刻,取決于交流測量系統(tǒng)的反應時間以及保護裝置的延時,本文中tT=tF+100ms.4.2直流故障電流從DFRTI的定義可知,無任何保護措施時的Ishort曲線F(t)可以衡量故障短路電流對整個多端柔性系統(tǒng)的實時沖擊,曲線面積S1可以衡量這種實時沖擊對時間的累計,積分限tT表明跳開交流斷路器后直流故障電流迅速降為0,不再危害系統(tǒng);相應地,曲線G(t)和曲線面積S2可以分別衡量附加換流器閉鎖后直流故障電流對系統(tǒng)的實時沖擊及對時間的累計;因此,二者的比值恰可以精確衡量換流器閉鎖使得系統(tǒng)受直流故障電流累計沖擊的減小倍數(shù),進而可以評價特定換流器結構下多端柔性直流輸電系統(tǒng)的直流故障穿越能力.以上分析了DFRTI的有效性,下面將分析其通用性.從DFRTI的定義可知,只要多端柔性直流系統(tǒng)達到穩(wěn)定運行狀態(tài),即可通過仿真計算DFRTI的大小,與多端系統(tǒng)所選擇的換流器拓撲結構以及各端所采取的控制方式無關,因此它既可以用于換流器拓撲的確定,也可以用于控制系統(tǒng)的優(yōu)化選擇,具有很強的通用性.5fbmmc-mtcd系統(tǒng)仿真本文基于PSCAD/EMTDC平臺搭建如圖4所示的三端FBMMC-MTDC系統(tǒng),其中FBMMC1采用定直流電壓和定交流電壓控制,額定傳輸容量800MW;FBMMC2和FBMMC3均采用定有功功率和定交流電壓控制,額定傳輸容量均為400MW;系統(tǒng)基頻60Hz,換流變壓器容量為450MVA,采用Y0/△接法,額定變比為160kV/400kV,LT=0.064H,L0=0.025H,子模塊電容CSM=2500μF;三個換流站采用并聯(lián)連接,額定直流電壓為±250kV;本文采用FBMMC降損運行模式,不計冗余,每個橋臂13個子模塊,換流器為17電平,也即每個子模塊額定電壓均為50kV(雖然能承受如此高電壓等級的IGBT目前仍無法制造,但本文以研究多端系統(tǒng)直流保護策略為目的,較低電平數(shù)可以提高電磁暫態(tài)仿真速度).圖7為FBMMC-MTDC系統(tǒng)穩(wěn)定運行時換流器輸出交流相電壓波形與單極直流母線電壓,從圖7中可知,換流器輸出交流電壓峰值大于單極直流母線電壓.在仿真本文提出的FBMMC-MTDC系統(tǒng)“握手原則”時,圖4所示三端系統(tǒng)穩(wěn)定后,1.250s發(fā)生雙極短路故障,之后系統(tǒng)檢測到該故障并標記潛在故障線路隔離開關;1.255s時全部換流器閉鎖;1.265s已標記的隔離開關SW11,SW22,SW33在零電流下可靠跳開;1.270s全部換流器解鎖;1.275s,健全線路隔離開關SW33“握手”成功,可靠閉合,SW11,SW12保持跳開狀態(tài),系統(tǒng)開始恢復.圖8~10分別為三端FBMMC直流母線電壓及其與換流器閉鎖信號及隔離開關動作時序.圖8~10表明,三端FBMMC換流器在故障發(fā)生前直流母線電壓和有功功率傳輸均在額定值附近,系統(tǒng)穩(wěn)定運行.直流故障發(fā)生后,雙極直流電壓迅速降低,同時傳輸功率發(fā)生大幅波動.隨著換流器閉鎖,直流短路電流衰減到零.換流器解鎖后各端直流電壓瞬間上升,健全線路隔離開關“握手”成功并可靠閉合,三端系統(tǒng)直流母線電壓迅速恢復,為全系統(tǒng)的恢復及穩(wěn)定運行提供了電壓支撐.從故障發(fā)生時刻到系統(tǒng)恢復故障前狀態(tài),大約只需30ms,遠小于文獻中所需400ms,這取決于FBMMC自身故障電流抑制能力以及換流器閉鎖后電容電壓部分保持所帶來的直流電壓快速恢復特性.因此,在本文所提出的FBMMC-MTDC系統(tǒng)直流故障“握手原則”下,系統(tǒng)具備穿越嚴重直流故障的能力.圖11為直流故障發(fā)生前后采用定功率控制的換流站傳輸有功功率波形,由圖可知故障前換流站傳輸額定功率,故障線路隔離后系統(tǒng)傳輸有功功率迅速恢復.圖12為FBMMC1的A相上橋臂子模塊電容電壓波形,穩(wěn)態(tài)時電容電壓波動范圍在2%額定值以內,且故障線路清除后能快速恢復,支撐起換流器直流電壓,確保系統(tǒng)繼續(xù)運行.根據(jù)本文第4節(jié)中FBMMC-MTDC系統(tǒng)DFRTI的計算方法,在初始系統(tǒng)參數(shù)下,