如何精确计算模块化多电平换流器的直流故障过电流？

中国电工技术学会活动专区

CES Conference

模块化多电平换流器（MMC）发生直流故障后，换流站会出现明显的过电流，对模块化多电平换流器的可靠性产生严重影响。而故障暂态电流的精确计算是实现对暂态过电流有效评估的最直接的手段。为了精确计算模块化多电平换流器的故障过电流，中国科学院电工研究所、中国科学院应用超导重点实验室、中国科学院大学的研究人员蔡洋、郭文勇、赵闯、桑文举，在2021年第7期《电工技术学报》撰文，提出一种同时考虑交流系统与电容放电影响的故障电流精确计算方法，可以为模块化多电平换流器关键部件的选型提供一定参考，并为直流故障保护方案的设计提供依据。

模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter,MMC）由于具有电压、容量等级易于拓展、谐波含量低、开关频率和运行损耗小等优点，成为目前高压大容量柔性直流输电（Voltage Sourced Converter based High Voltage Direct Current,VSC-HVDC）换流站的主流选择，备受学术界和工业界的关注。目前已投运的柔性直流输电工程大多采用半桥式子模块（Half Bridge Sub-Module,HBSM）结构，该结构拓扑简单，经济性良好，但不具备直流阻断能力。

直流故障是柔性直流输电系统较严重的故障类型之一。直流故障发生后，电网中各端换流站均向短路点注入故障电流，其直流线路的故障电流是各换流站故障电流分量的叠加，包含换流站数量越多，故障点电流的上升速率与幅值越大。

近年来国内外对于直流故障的研究，大多集中于保护与故障清除方面。在实际工程中，考虑到换流器检测、通信、控制的延时，从故障发生到换流器闭锁，通常有几毫秒的延迟时间。该时段内，迅速增大的故障电流可能会对换流器中IGBT等关键部件造成永久性损坏。因此该时段内故障暂态电流的精确计算对MMC关键部件的选型以及故障保护方案的设计至关重要。

在故障发生后至换流器闭锁之前，故障电流分为子模块电容放电电流和交流系统注入电流两部分，其中电容放电电流为主要部分。对于该时段内故障电流计算，国内外已有部分文献进行了研究，但对该问题的研究还不够深入。

中国科学院电工研究所、中国科学院应用超导重点实验室、中国科学院大学的研究人员，将子模块电容放电和交流电流注入两个方面的暂态特性进行有机的结合，提出了一种MMC直流故障过电流的精确计算方法，可同时计算桥臂故障电流与直流侧故障电流。

研究人员结合状态方程数值解法，计算得到直流故障下故障电流的数值解，探究故障时可能出现的最大和最小故障过电流，并将此结果与电磁暂态仿真结果进行对比验证，证明该方法的精确性。最后，将该方法与以上两种传统计算方法进行全面的比较，进一步验证了方法的有效性。

图1 α=0°时两种方法下的桥臂电流计算结果及仿真值

图2 α=0°时两种方法下的直流电流计算结果及仿真值

研究人员最后得出以下结论：

1）桥臂电压对时间的微分项由电容项与子模块投入函数项组成。其中，电容项表示均压策略下桥臂子模块对外的串联等效电容；而子模块投入函数项则表示实时投入的子模块数量变化引起的桥臂电压变化。

2）故障时刻换流器交流系统相电压相角对桥臂故障电流初始值及其发展有显著影响。桥臂电流峰值将随相角的改变而变化，在特定的相角下有最大值。而对于直流侧故障电流，故障时刻相角的影响很小、可忽略不计，不同故障时刻直流侧故障电流特性近似相同。

3）在换流器闭锁延迟时间相对较长的情况下，交流系统注入电流与子模块投入函数项对故障电流的计算有显著影响，不可忽略。故障电流的计算应同时考虑交流系统注入电流与子模块投入函数项两个因素。

4）基于本故障电流计算方法，可大幅提高暂态故障电流计算的精确度。该方法可为MMC关键部件的选型提供一定的参考，并为直流短路故障保护方案的设计提供一定的依据。

以上研究成果发表在2021年第7期《电工技术学报》，论文标题为“模块化多电平换流器直流故障过电流精确计算与分析”，作者为蔡洋、郭文勇、赵闯、桑文举。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

推荐阅读

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

电气技术

学会官方B站

新浪微博

今日头条号

联系我们

《电工技术学报》：010-63256949/6981

邮箱：[e-mail]

---

《电气技术》：010-63256943

邮箱：[e-mail]

---

编务：010-63256994；订阅：010-63256817

广告合作：010-63256867/6838