1. 引言
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)技术的诞生,可以称得上是柔性直流输电工程技术发展史上的重要里程碑。与常规的两电平或三电平换流器技术相比,MMC模块化的级联结构,易于达到高电压等级,避免了器件直接串联所带来的静动态均压、开关损耗大、谐波含量高等缺陷 [1] [2] 。而基于半桥式子模块(half bridge sub-module, HBSM)的常规MMC拓扑结构是不具有短路故障切除能力的 [3] [4] [5] [6] [7] ,在直流线路短路故障发生时必须跳开交流断路器,从而导致整个系统停运。
文献 [3] 中提出一种自阻型子模块拓扑,文献 [8] 在此基础上提出采用逆阻型子模块,两者本质相同,因此也都存在子模块脉冲触发不均一导致的过电压问题。文献 [9] 进一步提出在逆阻型IGBT旁并联吸收回路来降低对模块触发脉冲一致性的要求。但该吸收回路由电容和晶闸管构成,考虑到电容的体积和成本,该方案在实际应用中会受到限制。
本文提出一种逆阻型子模块改进方案,即逆阻型子模块在换流器故障闭锁时,只将子模块上管IGBT关断,下管RB-IGBT保持开通,使电路的状态变为三相交流电源直接短路,避免了续流二极管带来的整流状态,短路点由于承受交流电压自然灭弧,短路电流消失。同时,为了避免极端情况下短路点距离MMC端口非常近,直流故障保护时间可能会超过交流断路器的保护动作时间,提出在MMC桥臂串入模块化电阻来加速故障清除的速度和避免交流侧的过电流。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上建立仿真模型,通过仿真验证了所提方案的正确性和有效性。
2. 改进方案的基本原理
2.1. 改进方案工作原理
二极管续流效应是基HBSM的常规MMC无法清除直流故障的原因。为了避免这种续流效应,文献 [8] 提出了一种逆阻型子模块拓扑,其结构如图1所示。这种子模块拓扑的特点是下管采用RB-IGBT,可省去两个反并联二极管,同时具有正、反向耐压相同和通态损耗低的特点 [8] [9] [10] 。
改进方案下唯一不同之处在于换流器故障闭锁阶段,只将子模块上管IGBT关断,下管RB-IGBT保持开通,具体开关状态和输出电压关系如表1所示。
2.2. 直流故障清除原理
改进方案下直流故障保护后,避免了续流二极管带来的整流状态,故障电路变为三相交流电源通过换流器的连接电抗短路,如图2所示 [11] 。
![](//html.hanspub.org/file/2-2770256x9_hanspub.png)
Figure 1. Reverse blocking sub-module topology of MMC
图1. MMC逆阻型子模块拓扑
![](//html.hanspub.org/file/2-2770256x10_hanspub.png)
Figure 2. Equivalent circuit of MMC after DC fault protection
图2. MMC在直流故障保护作用后的等效电路
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Relation between switching state and output voltage of the improved scheme (1: on, 0: off)
表1. 改进方案开关状态和输出电压关系(1:开通,0:关断)
直流短路电流
的动态方程如下:
(1)
其中,
为MMC桥臂电抗器,
为桥臂的等效电阻,
和
表示直流故障电流通路的电阻和电抗。
假设RB-IGBT在
时刻开通,
时刻的直流故障电流为
,则
可以表示为
(2)
其中时间常数:
从式(2)中可以看出直流故障电流将自然衰减到0。这是由于RB-IGBT导通的作用使换流器不再起到一个不控整流桥的作用。实际上,这种情况下直流短路故障转变为一种交流故障。如果直流短路故障是非永久性的,直流故障点在电流过零是可以灭弧,故障点的绝缘可以自动恢复。
由式2中时间常数的表达式可以看出,若在回路中串入模块化电阻,将减小时间常数,即可以加快电流衰减进而加快直流故障清除速度。
2.3. 直流短路故障保护策略
基于MMC的柔性直流输电的故障保护策略如图3所示。在保护策略中,通过检测直流故障电流来判定MMC系统是否发生直流短路故障;如果发生故障,换流器快速闭锁,系统进入故障保护状态;对于瞬时性故障系统重合闸进行恢复,对于永久性故障需要跳开交流断路器停电检修。
3. 仿真分析
通过一个300 MVA/±150 kV的MMC-HVDC系统来验证本文改进方案的可行性,系统结构如图4所示,仿真参数见表2。
3.1. 瞬时性短路故障
在t = 0.8 s时刻,发生瞬时性直流短路故障,对应的仿真波形如图5所示。当检测到直流线路故障时,立即进入故障保护状态,由于RB-IGBT的导通,直流故障电流逐渐衰减为零,待故障电流自动灭弧后,系统进行重合闸。
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Figure 3. Flow chart of protection method for overhead line fault
图3. 架空线故障的保护方法流程图
![](//html.hanspub.org/file/2-2770256x26_hanspub.png)
Figure 4. Structure of simulation system
图4. 仿真系统结构图
3.2. 永久性短路故障
发生永久性故障时,对应的仿真波形如图6所示。自动重合闸之前的过程与图5相同,但是发生了第二次线路过流,判断系统发生永久性直流短路故障,交流断路器跳开,系统进行停电检修。与图5比较,图6(a)直流电压、图6(b)直流电流和图6(c)交流电网电流在永久性故障系统停运后都为零。
3.3. MMC近端金属性短路故障
式(2)中的时间常数
是部分取决于短路电阻
的。
越大所需的直流故障保护时间越小。由于多数故障都并非直接的金属性短路,
都至少是有几欧姆的数值的,因此大多数情况下直流保护所需的时间都会小于交流断路器的动作时间。只有在非常少数的极端情况下,当直流短路故障为金属性短路(
),并且短路点与MMC端口非常近(
),
的数值将非常小,直流故障保护时间才可能会超过交流断路器的保护时间。
针对这种特殊情况,本文提出在MMC每个桥臂中串入如图7所示的模块化电阻来加快直流故障电流的清除速度。其中每一个模块由一个RB-IGBT及与之并联的电阻Rc构成。系统正常工作时,RB-IGBT一直处于导通状态,Rc将被旁路,从而避免了额外的功率损耗。当直流故障发生时,在进入故障保护状态的同时投入模块化电阻。
理论上来讲,Rc越大,直流故障电流的清除速度越快、交流侧过电流的抑制能力越强。但是Rc越大会导致与其并联的RB-IGBT承受更高的电压,甚至烧毁。为了避免此种情况的发生,文中采用了模块化电阻的方案。实际应用中模块化电阻的模块数只要能保证直流故障保护时间小于交流断路器的保护时间和交流侧不会发生过电流保护的条件即可,这样可以降低系统增加的成本。
在系统稳定之后,0.8 s时,引入永久性直流双极短路故障。交流断路器的保护动作时间被设置为故障后的100 ms。图8为MMC近端金属性短路故障时没有投入模块化电阻的仿真波形。从图8(b)可以看出,直流电流衰减到0用了150 ms,超出了交流断路器的保护动作时间100 ms,因此改进方案在这种特殊情况下的保护是失败的。图9为MMC近端金属性短路故障时投入模块化电阻的仿真波形。其中,每个桥臂模块化电阻总阻值6 Ω。从图9(b)可以看出,直流电流衰减到0用了61.4 ms,在交流断路器的保护动作时间100 ms之内,因此改进方案在这种特殊情况下可成功地对直流故障电流进行清除。图9(d)为模块化电阻RB-IGBT承受的总电压,其峰值约为13 kV。如果选取3300 V的RB-IGBT并考虑实际安全裕量,需要的模块数为8个,对于300 MVA,±150 kV的系统而言,其额外成本很低。
4. 结论
本文提出一种逆阻型模块化多电平换流器的改进方案,具有以下特点:
1) 通过对换流器闭锁脉冲的调整实现了对直流故障的清除,无需增加额外功率器件,降低了成本;
(a) 直流电压
(b) 直流电流
(c) 交流电网电流
Figure 5. Simulation results of MMC during a nonpermanent dc fault under the proposed protection scheme.
图5. 直流架空线瞬时性故障时,保护后的仿真波形。
(a) 直流电压
(b) 直流电流
(c) 交流电网电流
Figure 6. Simulation results of MMC during a permanent dc fault under the proposed protection scheme.
图6. 直流架空线永久性故障时,保护后的仿真波形。
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Figure 7. Structure diagram of modular resistance
图7. 模块化电阻结构图
(a) 直流电压
(b) 直流电流
(c) 交流电网电流
Figure 8. The simulation waveform of MMC near end metal short-circuit fault before putting into the modular resistance.
图8. MMC近端金属性短路故障时,不投入模块化电阻的仿真波形。
(a) 直流电压
(b) 直流电流
(c) 交流电网电流
(d) RB-IGBT承受的总电压
Figure 9. The simulation waveform of MMC near end metal short-circuit fault after putting into the modular resistance.
图9. MMC近端金属性短路故障时,投入模块化电阻的仿真波形。
2) 针对MMC近端金属性短路故障的特殊情况,可在换流器桥臂串入模块化电阻来加速故障电流清除速度,额外成本低。
本方案适用于所有MMC直流短路故障清除应用,其故障清除速度不及自阻型子模块拓扑,但也可满足工程实际需求。考虑自阻型拓扑器件数量较多造成成本的显著增加,本方案适用于对经济性要求较高的应用需求。
基金项目
国家自然科学基金(51667007);中国南方电网有限责任公司重点科技项目(GZKJQQ00000417)。