Mmc-hvdc系统直流侧单极接地故障的非对称运行控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多电平电力电子变换器技术领域，更具体地，设及一种MMC-HVDC系统 直流侧单极接地故障的非对称运行控制方法。
【背景技术】
[0002] 基于柔性直流输电的直流电网技术，在大规模分布式可再生能源接入、海洋群岛 供电、海上风电场群集中送出、新型城市电网构建等方面，被认为是最有效的技术方案，已 成为目前国际电力领域研究的热点。直流输电网络的技术及构建，已经成为未来电网的重 要发展方向和组成部分。基于模块化多电平换流器的高压直流输电（Mo化Iar Multilevel Converter Based Hi曲 Vohage Direct Current, MMC-HVDC)系统因其在系统损耗、容量提 升、电磁兼容、故障管理等方面的优势，已经在柔性直流输电技术中取得了重要地位。
[0003] 在MMC-HVDC直流输电系统中，直流线路单极接地故障虽然没有极间故障后果严 重，但是其发生的可能性较大，而且单极接地故障发生后，会引起直流正、负母线电压不平 衡，进而影响整个系统的正常运行，所W需要对其故障处理方式进行专口的研究。目前针对 不同接线方式下的MMC-HVDC系统直流侧单极接地故障处理方式如下：
[0004] 1)基于单极对称接线的MMC-HVDC系统，其单极接地故障特征与系统接地方式密 切相关，目前主要的=种系统接地方式分别为：交流侧并联星形电抗经电阻接地，交流侧联 结变压器Y绕组经接地电阻接地和直流侧并联错位电阻接地，分别如图1、图2和图3所 示。W上=种接地方式的系统在发生直流侧单极接地故障后都会在交流侧产生接近一半额 定直流电压大小的直流偏置，同时直流侧非故障极的母线电压增大到正常运行时的两倍， 故障产生的过电压威胁交直流系统的绝缘安全。不仅如此，采用交流侧接地的MMC-HVDC系 统还会在接地点产生较大的故障电流，加快系统节点的腐蚀。单极对称接线的MMC-HVDC系 统目前处理直流侧单极接地故障的方法是通过在故障后闭锁换流器，然后断开交流侧断路 器，消除交、直流系统过电压和故障电流，运意味着故障后系统将暂时退出运行，需等待故 障消除后才能恢复。虽然单极对称接线配置下MMC-HVDC在应对直流侧单极接地故障方面 非常被动，但是因其具有较低的建设成本和对配套设备较低的技术要求，还是被广泛运用 在目前实际运行的工程中。
[0005] 2)基于双极对称接线的MMC-HVDC系统，如图4所示，在发生直流侧单极接地故障 之后，目前采取的方法是让故障极换流器退出运行，非故障极换流器继续运行。但是此种接 线方式相比于单极对称接线的MMC-HVDC系统而言，每一极的交流侧在正常运行时都要承 受一半额定直流电压的直流偏置，因而提高了变压器及联结区相关设备的制造难度，建设 成本高，目前世界上唯一采用该接线方式的柔性直流输电工程是连接纳米比亚和赞比亚之 间的卡普里维工程。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于单极对称接线配置 下的MMC-HVDC系统直流侧单极接地故障的非对称运行控制方法，在隔离直流侧单极接地 故障的同时还能继续传输一半的额定有功功率并且为交流系统提供无功支撑，故障期间换 流器不需要退出运行，系统恢复速度快，提高了单极对称接线配置下MMC-HVDC系统对直流 侧单极接地故障的主动防御能力。
[0007] 2、为实现上述目的，本发明提供了一种MMC-HVDC系统的直流侧单极接地故障的 非对称运行控制方法，所述MMC-HVDC系统中MMC换流器各桥臂具备负电平输出能力，且桥 臂的最小负电平输出能力能达到额定直流电压的一半，其特征在于，所述方法包括如下步 骤：
[0008] (1)检测判断直流侧是否发生单极接地故障，是则顺序执行步骤（2)，否则继续检 测；
[000引 似控制直流侧电压Ud。至额定值U d。。的一半，调整故障极桥臂输出电压中的直流 分量为0,调整非故障极桥臂输出电压中的直流分量为额定直流电压的一半，W消除过电压 与故障电流；
[0010] (3)根据系统要求传输的有功功率和无功功率指令，确定换流器输出=相内电势 的参考值e,，同时根据换流器S相上桥臂总能量XWp,和S相下桥臂总能量XW。,之差，调整 =相上、下桥臂输出电压的相角，进而调整=相上、下桥臂输出电压参考值，使非故障极桥 臂和故障极桥臂在传输不同功率的同时维持桥臂子模块电容电压的相对平衡，其中，下标j =曰，b，C，分别表示a、b、C S相；
[0011] (4)在故障极桥臂中注入较小的直流电压分量，判断交流系统接地点是否有故障 电流或者接地电阻是否产生压降，是则返回步骤（2)，否则说明单极接地故障已消除，系统 恢复正常运行。
[0012] 优选地，所述步骤（3)中，换流器S相上桥臂总能量
，换流器 =相下桥臂总能量；
其中，C。为桥臂子模块电容值，N为每相桥臂的子 模块个数，UtP i为上桥臂第i个子模块电容电压，U。。1为下桥臂第i个子模块电容电压。
[0013] 优选地，在负极线路发生单极接地故障时，下桥臂为故障极桥臂，上桥臂为非 故障极桥臂，将=相上桥臂输出电压参考值调整至
将S相下桥臂输出电压参考值调整至％__皆=;W/ + 爭--A巧；在正极线路发生单 极接地故障时，上桥臂为故障极桥臂，下桥臂为非故障极桥臂，将=相上桥臂输出电 压参考值调整至+ ^ + A巧，将=相下桥臂输出电压参考值调整至
其中，《是交流系统的额定频率，t为时间，f为换流器输 出内电势的初始相位，A 5为上、下桥臂输出电压的相角调整量。
[0014] 总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，具有W下有益效 果：对于实际工程中广泛应用的基于单极对称接线的MMC-HVDC系统，建设成本小，配套设 备技术要求低，发生直流侧单极接地故障之后，不需要闭锁换流器，通过将故障极桥臂输出 电压直流分量设置为零即可快速消除交、直流侧过电压和故障电流，从而消除对交、直流侧 的绝缘威胁；通过调整不同桥臂电压交流分量的相角，使得系统在隔离直流侧单极接地故 障的同时还能继续传输一半的额定有功功率并且为交流系统提供无功支撑，对所连接的 交、直流系统稳定性有积极意义；故障期间换流器不需要退出运行，系统恢复速度快，整个 过程换流器处于受控状态，提高了单极对称接线配置下MMC-HVDC系统对直流侧单极接地 故障的主动防御能力。
【附图说明】
[0015] 图1是交流侧并联星形电抗外加电阻接地的单极MMC-HVDC系统结构图；
[0016] 图2是交流侧联结变压器Y绕组经接地电阻接地的单极MMC-HVDC系统结构图；
[0017] 图3是直流侧并联错位电阻接地的单极MMC-HVDC系统结构图；
[0018] 图4是双极对称接线的MMC-HVDC系统结构图；
[0019] 图5是本发明实施例的基于单极对称接线配置下的MMC-HVDC系统直流侧单极接 地故障非对称运行控制方法流程图；
[0020] 图6是单极接地故障非对称运行期间上下桥臂输出电压相角修正框图；
[0021] 图7是基于MMC-HVDC系统单极接地故障整流侧非对称运行控制原理框图；
[0022] 图8是基于MMC-HVDC系统单极接地故障逆变侧非对称运行控制原理框图；
[0023] 图9是全桥子模块和半桥子模块组成的混合型MMC结构图；
[0024] 图10是交流侧并联星形电抗外加电阻接地的MMC-HVDC系统单极接地故障后的简 化等效电路；
[0025] 图11是MMC-HVDC系统单极接地故障检测期间交流侧接地电阻压降波形；
[0026] 图12是本发明实施例1交流侧并联星形电抗外加电阻接地的MMC-HVDC系统单极 接地故障非对称运行期间的仿真效果图，其中，（a)为换流器交流侧=相电压随时间的变化 图，化）为换流器交流侧S相电流随时间的变化图，（C)为换流器直流侧正负极母线电压随 时间的变化图，（d)为换流器直流侧电流随时间的变化图，（e)为换流器传输的无功功率随 时间的变化图；（f)为换流器传输的有功功率随时间的变化图，（g)为A相上桥臂子模块电 容电压随时间变化图，化）为A相下桥臂子模块电容电压随时间变化图；
[0027] 图13是本发明实施例1交流侧并联星形电抗外加电阻接地的MMC-HVDC系统单极 接地故障非对称运行期间的仿真效果图，其中，（a)为A相上下桥臂输出电压随时间的变化 图，化）为A相上下桥臂电流随时间的变化图；
[002引图14是交流侧联结变压器Y绕组外加电阻接地的MMC-HVDC系统单极接地故障后 的简化等效电路；
[0029] 图15是本发明实施例2交流侧联结变压器Y绕组经接地电阻接地的MMC-HVDC系 统单极接地故障非对称运行期间的仿真效果图，其中，（a)为换流器交流侧=相电压随时间 的变化图，化）为换流器交流侧S相电流随时间的