双极 MMC-HVDC 系统中的单相接地故障机理研究
本文研究了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。柔性直流输电系统采用中性母线接地,换流器交流侧对地电压含有直流偏置,换流器交流侧发生单相接地故障特性不同于对称单极接线系统。柔性直流输电系统配置直流断路器时,换流器交流侧接地故障后可利用直流断路器的直流电流分断能力快速隔离故障。
本研究分析了模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)交流侧单相接地故障机理,阐述了MMC保护闭锁前后故障相和非故障相上、下桥臂的故障电流通路,推导了故障状态下桥臂的电压、电流解析方程。分析了保护动作、直流断路器对MMC子模块过电压的影响,为换流阀子模块过电压保护设计、定值整定提供指导。
最后,通过搭建的±500 kV 柔性直流输电系统 PSCAD/EMTDC 仿真模型,仿真验证了理论分析的正确性。本研究结果可为柔性直流输电系统的设计、运行和保护提供重要参考。
关键词:直流断路器;双极接线;模块化多电平换流器;单相接地故障
双极 MMC-HVDC 系统基于 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。
MMC 通过控制各桥臂,实现了换流器的高压、低损耗、可靠性高等特点。在柔性直流输电系统中,MMC 交流侧接地故障是典型故障之一,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,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。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。
本研究结果可为柔性直流输电系统的设计、运行和保护提供重要参考,为换流阀子模块过电压保护设计、定值整定提供指导。同时,本研究也为柔性直流输电系统的故障机理、保护策略等方面的研究提供了重要的理论依据。