摘要：利用模块化多电平换流器(MMC)即可以控制导通又可以控制关断的特点，采用钳位双子模块、交叉型子模块的MMC故障自清除技术，使故障电流快速衰减到零。
关键字：柔性直流；输电控制；自动诊断
1、前言
柔性直流输电系统在实际运行的过程中如果发生故障会导致后续一系列的问题，这些问题若是无法及时得到解决可能会影响到后续的生产过程，文章就此进行分析。
2、柔性直流系统的故障类型
以目前正在建设的张北柔性直流电网为例，该工程采用架空输电线路，与直流电缆相比，其故障概率更高。按照故障区域划分，柔性直流电网故障大致可以分为交流系统故障、换流器内部故障和系统直流侧故障。换流器内部故障又可细分为站内母线故障、阀短路故障、桥臂电抗器故障以及最常见的子模块故障等。柔性直流输电具有输送容量大、电压等级高的特点，故MMC（模块化多电平换流器）每个桥臂串联的子模块数量较多，从而增加了子模块故障的概率。在柔性直流系统的建设中，为确保系统具有足够的容错性和充足的安全裕度，通常都会在每一个桥臂上串联适量的冗余子模块。直流侧故障可细分为直流线路断线故障、直流线路短路故障和换流器闭锁故障。在单个MMC中，因为直流侧采用单级输电，故直流侧线路故障以单极接地故障为主。而在真双极系统中，单级接地故障则相当于伪双极系统中的级间短路故障，通常由树枝接触或雷电引发，多属于暂时性故障，但是因其故障传播速度快、影响范围广、解决难度大，成为阻碍柔性直流电网发展的技术难题。真双极系统的双极短路故障则更为严重，相当于交流系统的三相短路故障。
3、以MMC构成的柔性直流输电系统的基本控制结构分析
以MMC构成的500kV的柔性直流输电系统，其基本控制系统主要由内环电流控制器和外环功率控制器构成，其基本控制方式由外环功率控制器决定。外环功率控制器主要控制的物理量有:交流侧有功功率、交流侧无功功率、直流侧电压等。其中交流侧有功功率、直流侧电压为有功功率类物理量;而交流侧无功功率、交流侧电压为无功功率类物理量。柔性直流输电系统的每一端必须在有功功率类物理量和无功功率类物理量中各选择一个物理量进行控制，同时柔性直流输电系统中必须有一端控制直流侧电压，使柔性直流输电系统构成多种控制变量的组合。
4、柔性直流输电直流侧无直流断路器时故障自清除方法的分析
4.1基于全桥子模块的MMC的故障自清除方法的分析
换流站采用具有直流故障自清除能力的全桥子模块时，换流器由全桥子模块组成，而每个全桥子模块由4个带反并联二极管(VD1、VD2、VD3、VD4)的IGBT(VT1、VT2、VT3、VT4)和储能电容C0组成。如图1所示。
图1具有直流侧故障自清除能力的全桥子模块结构
正常工作时，VT1和VT2以及VT3和VT4的开关状态互补，VT1和VT4以及VT2和VT3的开关状态一致。由于每个子模块输出电压为UC，对于500kV的直流输电系统，假设IGBT承受的电压为2.3kV，在不考虑冗余的情况下，由全桥子模块组成的换流器，每个桥臂所需FBSM的个数218个，由于每个桥臂FBSM含有4个IGBT，所以每个桥臂包含IGBT的个数为872个，全站共需要IGBT的个数为5232个，导致使用的电力电子器件较多，投资成本增大。
4.2基于钳位双子模块的MMC的故障自清除方法的分析
换流站采用具有直流故障自清除能力的钳位双子模块时，换流器由CDSM组成。每个钳位双子模块由两个等效半桥单元通过两个钳位二极管和一个引导IGBT(VT5)构成。为具有自清除能力的钳位双子模块结构图。针对于500kV的直流输电系统，如果IGBT承受的电压仍为2.3kV，由于每个子模块输出电压为2UC，所以，每个桥臂需要配置109个钳位双子模块。在每个桥臂CDSM含有5个IGBT，因此，每个桥臂包含IGBT的个数为545个，全站共需要IGBT的个数为3270个。与全桥子模块组成的MMC的故障自清除方法相比较，使用的电力电子器件较少，投资成本降低。
4.3基于交叉型子模块的MMC的故障自清除方法的分析
换流站采用具有直流故障自清除能力的交叉型子模块时，换流器由CCSM组成。每个交叉型子模块由12个IGBT(VT1～VT12)、12个反并联二极管(VD1～VD12)和4个电容(C1～C4)组成。为具有自清除能力的交叉型子模块结构图。对于500kV的直流输电系统，在不考虑冗余的情况下，由于每个子模块输出电压为4UC，IGBT承受的电压为2.3kV时，每个桥臂需要配置55个交叉型子模块。在每个桥臂CCSM含有12个IGBT，因此，每个桥臂包含IGBT的个数为660个，全站共需要IGBT的个数为3960个。与全桥子模块组成的MMC的故障自清除方法相比较，使用的电力电子器件较少。
5、采用故障自清除能力的ＭＭＣ存在的缺点及改进方向
在无直流断路器的远距离输电的直流电网中，采用具有直流侧故障自清除能力的ＭＭＣ，当直流侧故障发生故障时，通过闭锁换流器可迅速清除故障，保证直流电网和交流电网的稳定运行。以模块化多电平换流器（ＭＭＣ）的柔性直流输电技术已在我国南澳三端、舟山五端等地投入运行。但是，此种输电系统长期运行时，存在额外损耗较高，经济性较差。同时，在处理直流故障时，站内所有换流器都需闭锁，会导致在一定范围内增大直流故障的影响范围，特别是在端数较多的直流输电网中，这种缺点表现得更为明显。要解决这一问题，就需要将纯电力电子器件的固态断路器与传统机械型断路器有机结合起来，把故障断流部件从串联结构变成并联结构，采用分散式布置方式，形成一种新型的混合型直流断路器，即可以降低通态损耗，有可以提高故障处理的分断速度。
6、结束语
目前，因没有大容量高电压高速直流断路器，清 除故障的手段是通过跳开换流站交流侧开关，使故 障清除和直流系统再恢复的时间比较长。 要解决这 一问题，利用模块化多电平换流器（ＭＭＣ）即可以控 制导通又可以控制关断的特点，采用钳位双子模块、 交叉型子模块的ＭＭＣ故障自清除技术，使故障电 流快速衰减到零。 钳位双子模块和交叉型子模块的 器件投资运行成本相对较低，是构成具有直流侧故 障自清除能力的ＭＭＣ的首选子模块类型，为直流 电网的稳定运行提供了一种有效的技术保障手段。
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论文作者:刘浩旭1,樊功帅2,李昊3
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
标签：故障论文; 模块论文; 柔性论文; 系统论文; 电压论文; 功率论文; 物理量论文; 《电力设备》2019年第16期论文;