含直流断路器的双极接线柔性直流输电系统MMC交流侧单相接地故障研究

随着绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）、电子注入增强门极晶体管（injection enhanced gate transistor，IEGT）等全控型器件耐压、通流能力的提高，换流器的电压、容量均得到了大幅提升，已达±500 kV/3000 MW等级。当前柔性直流输电系统正向更高电压等级、更大输电容量、多端和网络化发展[1]。对于高压、大容量柔性直流输电工程，对称单极接线存在可靠性低、绝缘水平高以及大容量换流变压器制造运输困难等问题[2]。双极接线方式是高压、大容量柔性直流输电系统的优选方案。双极接线柔性直流输电系统换流站包含两个极，当其中一极换流设备发生故障时，非故障极可继续运行，系统具有高可靠性。模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）具有损耗低、可靠性高等优点，在柔性直流输电工程中得到了广泛应用。MMC交流侧接地故障是柔直换流站的典型故障之一，其故障特性与系统接线、接地方式密切相关。双极接线柔直系统在直流中性线构造接地[3]，换流器交流侧对地电压为直流叠加交流，发生接地时故障特性较为特殊。

随着直流断路器技术的进步，基于柔性直流构建直流电网正成为当前的研究热点[4-7]。张北±500 kV柔性直流电网工程是世界首个具有网络特性的直流输电工程，采用双极接线方式，换流器的正、负极线均配置了直流断路器。常规的柔性直流系统发生换流器交流侧接地故障后通常采用闭锁换流器、分断交流断路器的方法来隔离故障，需要数十ms，故障清除时间长。直流断路器具有在数ms内分断数十kA故障电流的能力，换流站配有直流断路器时，发生接地故障后可利用直流断路器快速隔离故障。

目前，基于MMC的柔性直流输电系统的故障特性研究集中在直流侧故障机理、故障特性等方面[8-11]，对MMC交流侧接地故障的研究较少。文献[12]着重分析单极接线的MMC高压直流（high voltage direct current，HVDC）输电系统阀侧母线单相接地故障；文献[6]研究了柔性直流电网中换流变压器阀侧发生单相接地故障时的故障电流特性，并提出了故障电流抑制解决方案；文献[13]研究了双极柔性直流输电系统站内接地故障保护策略；文献[14-16]对柔性直流输电系统控制保护策略及交流侧出现不平衡运行状态时的故障控制策略进行了研究。对于含直流断路器的双极柔性直流输电系统MMC交流侧接地故障特性研究未见报道。

本文对含有直流断路器的双极接线柔性直流输电系统的MMC交流侧单相接地故障机理进行研究，分析接地后的故障电流通路，得到MMC故障相和非故障相换流阀的故障特性，论述直流断路器对换流阀故障特性的影响；分析系统在不同故障清除时序下换流阀子模块的过电压情况，为子模块过电压保护设计、定值整定提供依据；最后通过±500 kV柔性直流输电系统PSCAD/EMTDC仿真模型验证分析的正确性。

基于MMC的双极接线端对端柔性直流输电系统原理如图1所示。每端换流站包含2个极，每极换流器正、负极线处配置直流断路器。MMC拓扑如图2所示，换流器A、B、C三相包含A+、A-、B+、B-、C+、C-六个桥臂。

图1 双极接线柔性直流输电系统原理图 Fig.1 Schematic diagram of bipolar MMC-HVDC system

图2 模块化多电平换流器拓扑图 Fig.2 Topology of modular multilevel converter

MMC通过控制各桥臂子模块投入和切出数，输出期望的交流电压。MMC采用三次谐波注入调制时，A相上桥臂电压upa和下桥臂电压una如式（1）[17]所示。其中，三次谐波初始相位等于调制波基波的初始相位，三次谐波的幅值等于基波幅值的1/6。

式中：Udc为换流器的直流输出电压；Us_p为换流器基波调制波的峰值；ω0为基波角频率；kφ 为初始相位角；m为换流器的调制比。

MMC每个桥臂包含Nm个子模块（不含冗余），稳态条件下每个子模块的平均工作电压为：

MMC子模块工作时包含投入和切出两种状态。投入状态下，半桥子模块上管T1导通；切出状态下，半桥子模块下管T2导通。根据单个子模块平均工作电压，MMC运行过程中上桥臂投入子模块数Npa_on和切出子模块数Npa_off为：

以图3所示双极接线柔性直流输电系统正极MMC的交流侧A相F1点发生单相接地（金属性接地）故障为例，分析MMC交流侧单相接地故障机理与故障特性。

MMC交流侧接地故障发生后，MMC的A相上桥臂和下桥臂分别通过接地点构成故障电流通路，换流器闭锁前的电流通路如图3中①和②所示。

故障电流通路①：直流正极通过A相上桥臂处于投入状态半桥子模块的上管二极管、处于切出状态半桥子模块的下管IGBT、桥臂电抗器、故障接地点、直流接地支路构成回路。

故障电流通路②：A相下桥臂处于投入状态的半桥子模块电容通过上管IGBT、处于切出状态半桥子模块的下管二极管、桥臂电抗器、故障接地点、直流接地支路构成回路。

图3 故障相上桥臂和下臂故障电流通路 Fig.3 Fault current paths of upper and lower arms

接地故障后，直流正极线、金属回线的对地电位将发生变化。系统闭锁前，对端换流站仍维持直流电压稳定，为简化分析假定直流端口间电压保持不变。对于故障电流通路①：

式中：uc_pa_i为上桥臂第i个子模块的电压；Lb为桥臂电抗器电感值；Lp为直流断路器串联电抗器电感值；Udc_s为系统直流侧端口间电压；ug为接地支路电压值；Rg为接地支路电阻值；ipa、ina分别表示上桥臂电流和下桥臂电流；ip为直流正极线电流；ia为A相交流电流。

故障初始时刻有：

式中：t0为故障时刻。

由式（4）、（5）可知，上桥臂换流阀故障电流变化率与故障时刻桥臂电压幅值相关。故障时刻桥臂电压幅值最大时，上桥臂投入的子模块数最多（端间电压最大），F1点对地电位最小，故障后桥臂电抗器两端电压差最小，故障电流变化率小。反之，故障时刻上桥臂投入的子模块数最少（端间电压最小），F1点对地电位最大，故障后桥臂电抗器端间电压差最大，电流变化率大。

式（5）为采用三次谐波调制方式下桥臂电压，桥臂电压最大值时刻的MMC交流侧电压的相位与不含三次谐波调制时交流电压的相位有差异，调制方式不同时，子模块过电压最严重条件下所对应的交流电压相位将不同。

对于故障电流通路②：

式中：uc_na_i为下桥臂第i个子模块的电压；ug为接地支路电压值；Lg金属回线电感；in为中性线故障电流。

故障初始时刻有：

由式（6）、（7）可知，下桥臂换流阀故障电流变化率与故障时刻桥臂电压幅值相关。故障时刻下桥臂电压幅值最小时，下桥臂投入子模块数最小（端间电压最小），则故障电流变化率小。

换流阀保护闭锁后，IGBT关断，子模块的续流二极管可流过单向电流，闭锁后A相上桥臂故障回路如图4所示。对于换流阀上桥臂，因故障位置F1位于低端，上桥臂的直流侧为高电位，直流正极通过半桥子模块上管二极管构成电容充电回路。闭锁后，上桥臂整体将有Nm个子模块串入充电回路，只有当暂态过程中阀端间电压高于Nm个子模块的电压和时上桥臂子模块才会继续充电。故障前稳态运行时桥臂子模块电压和接近直流电压，故障后故障电流通路①上桥臂流过充电电流，子模块电容电压将进一步抬升，当Nm个子模块的电压和高于直流电压时，上桥臂的充电回路将会截止。

图4 A相上桥臂故障回路等效电路（闭锁后） Fig.4 Equivalent circuit of phase A upper bridge arm fault circuit(after blocking)

对于MMC故障相下桥臂，保护闭锁后，二极管只能流过单向导通的电流，与非故障相构成半波整流电流回路。

MMC交流侧单相接地故障后，非故障相换流阀可分为4种工作模式：①换流阀维持触发导通；②换流阀闭锁，直流断路器未分断；③直流断路器分断，交流断路器未分断；④交流断路器分断。

模式1：故障发生后，MMC保护闭锁前非故障相上桥臂和下桥臂根据控制系统下发的指令进行子模块的投切。非故障相上桥臂子模块电压满足式（8）。

A相发生接地故障后，使得非故障相对地电压发生跳变，A相上桥臂子模块投入数最多时，F1对地电位最小，非故障相对地电位的跳变量最小。非故障相交流侧电压的变化将引起桥臂电流幅值的变化，给上桥臂子模块中Npb_on、Npc_on个处于投入状态的子模块充电。换流阀闭锁前，阀控系统仍会对子模块每个周期进行排序和均压控制。

模式2：换流阀保护闭锁后，上下桥臂中半桥子模块的二极管将根据故障回路中电压差呈现单向导通状态。上桥臂只能流过子模块充电方向的电流，且子模块流过充电电流时同一桥臂Nm个子模块同步充电。另一方面，交流电源将通过下桥臂子模块下管的二极管构成短路回路，子模块下管二极管导通，下桥臂子模块不再流过充电电流，电容电压将不再增加。换流器保护闭锁后，非故障相上桥臂和下桥臂的故障电流回路如图5所示。

图5 非故障相故障回路等效电路（闭锁后） Fig.5 Equivalent circuit of non-fault phase fault circuit(after blocking)

非故障相上桥臂子模块的电压满足：

阀端间电压低于直流电压与交流侧线电压的差值时，外回路将给阀子模块充电，因桥臂中子模块流过相同的电流，各子模块电容值相等时，所有子模块电容电压幅值升高值相同：

式中：Δuc_b为子模块电压的变化幅值；t2为换流阀闭锁到直流断路器分断的时间。由式（10）可知，子模块电压升高的幅值主要取决于直流断路器分断时间和故障电流。

若不考虑直流断路器快速分断故障电流，接地故障需要通过对端换流站闭锁停运，并分断交流断路器清除故障，子模块将在多个工频周期内持续充电，最终充电电流趋近0。此时忽略电抗器压降，桥臂端间电压由直流电压和交流输入电压幅值确定，端间电压最大值近似为Udc叠加线电压Uab峰值。稳态运行时的子模块工作电压平均值见式（2），接地故障后的子模块平均电压接近稳态运行条件下平均电压的（1+ 3/2·m）倍。该过电压值较有直流断路器隔离故障时有较大幅度增加。

模式3：直流断路器分断后，换流器的上桥臂充电电流将降至0，电容电压停止升高。交流侧电源将通过MMC下桥臂的二极管及桥臂电抗、中性母线限流电抗构成故障通路，如图6所示。当双极系统采用中性线经接地极直接接地时，MMC下桥臂子模块二极管中流过较大的故障电流，且为单向带偏置的电流。当中性线经电阻接地时，可对故障电流进行有效抑制。

图6 下桥臂故障回路等效电路（闭锁后） Fig.6 Equivalent circuit of the lower arm fault circuit(after blocking)

模式4：交流断路器分断后，换流阀的故障回路被切除，换流阀电压、电流恢复至0。

在发生单相接地故障前，A相电流等于上下桥臂电流之和。故障后接地点将流过故障电流，此时A相电流不等于上下桥臂电流之和，差动保护将快速动作识别出接地故障，保护动作闭锁换流器，发出直流断路器及交流断路器的跳闸命令。

MMC闭锁后，直流侧通过续流二极管仍可给非故障相上桥臂子模块充电，由式（10）可知充电电压主要取决于断路器的分断时间和充电电流。以张北柔性直流电网工程500 kV直流断路器为例，其分断时间约为3 ms，当子模块充电电流为3000 A时，对于采用15 mF电容的子模块，断路器分断时间内电容电压将升高600 V。

图7给出MMC交流侧接地后系统的故障清除时序。接地故障后，经t1后直流控制保护系统的主保护动作，闭锁换流器并发直流断路器和交流断路器跳闸指令，经tDC_b后直流断路器分断，tAC_b后交流断路器分断，MMC完成故障清除，故障电流逐渐降至0。

图7 MMC交流侧接地后系统的故障清除时序 Fig.7 Fault clearing sequence of the system after the AC side of MMC is grounded

当考虑发生主保护拒动时，MMC故障清除动作时序如图8。与主保护正常动作相比，后备保护动作时间增加t2，即从故障到MMC闭锁的时间增加t2。MMC闭锁时间将影响故障相和非故障相上桥臂中处于投入状态的子模块的充电时间，从而影响子模块的过电压值。

图8 主保护拒动时的故障清除时序 Fig.8 Fault clearing sequence when main protection is not activated

当考虑发生近端直流断路器拒动时，MMC故障清除动作时序如图9。接地故障后保护将同时跳MMC所连接的近端和远端直流断路器。若远端直流断路器发生拒动，近端直流断路器正常分断，此时故障清除时序与图7相同。图9与近端断路器正常分断相比，直流断路器故障隔离时间增加跳闸信号传输延时tdelay（与传输距离相关），由式（10）可知，断路器故障隔离时间增加，子模块电容电压的幅值也将相应抬升。

图9 断路器拒动时的故障清除时序 Fig.9 Fault clearing sequence when circuit breaker refuses to operate

换流阀子模块过电压保护策略：子模块SMC板卡实时监测子模块的电压，当电压值达到过电压保护门槛，经过滤波延时后，闭锁并旁路子模块。双极接线系统MMC交流侧发生单极接地故障后将引起子模块的整体抬升，产生较高的过电压。若过电压值高于子模块保护定值，将引起桥臂中多个子模块旁路，需要运行人员手动对旁路的子模块逐个恢复后，MMC才能再投入运行。子模块过电压定值uc_p_set设计应高于换流阀在最严苛条件下子模块的最大过电压值 uc_p_max，由uc_p_max乘以安全系数K得到，如式（11）所示，避免桥臂子模块发生整体性过电压旁路。子模块过电压保护定值应小于器件的电压耐受值。

为验证本文对双极接线柔性直流输电系统MMC交流侧单相接地故障特性的分析，建立了基于MMC的双极接线两端柔性直流输电系统PSCAD/EMTDC仿真模型。仿真系统的主要参数见表1。

表1 仿真参数 Table 1 Simulation parameters

参数名称 参数值交流电压（线电压）/ kV 290直流电压/ kV 500 MMC额定输送功率/ MW 3000子模块平均电压/ V 2050子模块电容/ mF 15桥臂模块数 244桥臂电抗/ mH 50直流线路电抗/ mH 150中性线电抗/ mH 300接地电阻/Ω 15

仿真中模拟逆变站A相MMC桥臂电抗器与交流连接点处发生金属性单相接地故障。故障发生后控制保护系统在3.5 ms保护动作，直流断路器分断时间3 ms。

MMC交流侧接地故障后，故障相交流侧对地电压快速降至0，非故障相电位也随之发生跳变，三相对地电压如图10（a）所示。A、B、C三相上桥臂端间电压与桥臂电流如图10（b）和（c）所示。故障相A相上桥臂和桥臂电抗器两端耐受直流电压，A相上桥臂触发导通的子模块电压持续升高。闭锁前上桥臂仍维持均压排序，上桥臂端间电压变化幅值不大，子模块整体电压抬升。换流器保护闭锁后，A相上桥臂电感电流不能突变，续流至0后子模块电压不再升高，子模块电压曲线如图10（d）所示。

换流器保护闭锁时刻，UAB、UAC叠加直流侧电压，高于B、C相上桥臂子模块电压和，闭锁后B、C相上桥臂均为充电状态。闭锁时刻线电压UAC处于波峰，C相上桥臂两端的电压差最大，C相具有较大幅值的充电电流，子模块电压快速增加。断路器分断、桥臂电流续流至0后，子模块电容电压不再增加。

由图10（d）看出，非故障相C相的最大过电压值为2.92 kV，此时故障相子模块最大过电压值为2.35 kV，高于非故障相。且非故障相子模块的过电压情况与A相故障时刻的相位相关，图11给出不同故障时刻，非故障相C相子模块最大过电压情况。A相相角在 11 π/6附近发生接地故障，保护闭锁时刻对应UAC在波峰附近，C相上桥臂压差最大，C相子模块过电压值最高，仿真结果与本文分析一致。接地故障时刻交流电压相位不同，故障时刻上桥臂端间电压不同，子模块充电电流有差异，最终影响子模块的过电压幅值。

图10 A相交流侧接地故障仿真波形 Fig.10 Simulation waveforms of phase A valve side ground fault

图11 A相不同相位值故障时的上桥臂子模块电容电压 最大值 Fig.11 Maximum capacitor voltage of the upper arm sub-module at different phase A faults

保护动作时间和断路器分断时间将对子模块的电压产生较大的影响。图12对比了换流器主保护3.5 ms动作与主保护拒动、后备保护5 ms动作2种情况下的故障相上桥臂子模块最大电压。后备保护动作时，故障相上桥臂具有更大的过电压，非故障相C相的最大过电压值为2.78 kV，比主保护3.5 ms动作条件下子模块最大值高150 V。

图13显示了MMC交流侧接地故障后，近端换流器出口断路器拒动、对端换流站断路器正确动作情况下，不同相位角对应的非故障相子模块过电压。仿真中故障发生后，控制保护3.5 ms动作，同时发近端和远端断路器跳闸指令，对端因2 ms通信延时在5.5 ms收到跳闸指令，断路器3 ms实现分断。相比于近端断路器分断情况，最高幅值高出近470 V，为稳态运行时的1.65倍。远端断路器动作时非故障相子模块具有更高的过电压幅值，换流阀子模块过电压旁路保护定值需高于该条件下子模块过电压峰值。

图12 A相不同相位下的上桥臂子模块电容电压最大值 Fig.12 Maximum capacitor voltage of the high-side arm submodule under phase A faults

图13 非故障相（C相）上桥臂子模块电容电压最大值 Fig.13 Maximum capacitor voltage of the upper arm of the nonfault phase(phase C)

本文研究了含直流断路器的双极接线柔性直流输电系统MMC交流侧单相接地故障机理，得到MMC故障相和非故障相桥臂的故障特性，对换流阀子模块过电压保护设计、定值整定具有工程指导意义，结论如下。

1）MMC交流侧单相接地故障后，故障相对地电位发生跳变，故障相上桥臂端间耐受直流对地电压；非故障相交流端对地电压变为交流线电压叠加直流极线对地电压，引起非故障上桥臂端间出现较大的电压差，使子模块持续充电，出现较严重的过电压。

2）故障相和非故障相上桥臂子模块出现过电压，非故障相上桥臂子模块过电压幅值高于故障相上桥臂子模块电压幅值；交流系统故障相和非故障相下桥臂构成半波整流电流，下桥臂将出现过流，过流幅值主要与接地回路阻抗有关。

3）接地故障时刻交流电压相位不同，故障时刻上桥臂端间电压不同，子模块充电电流有差异，最终影响子模块的过电压幅值。

4）故障保护动作时间影响故障相子模块在MMC闭锁前的充电幅值，动作时间越长故障相上桥臂子模块的过电压值越高。

5）直流断路器的分断时间影响非故障相上桥臂子模块在MMC闭锁后的充电幅值，直流断路器分断时间越长子模块过电压越严重。