MMC-HVDC输电系统直流故障隔离综述
福州大学电气工程与自动化学院的研究人员周海鸿、杨明发等，在2019年第1期《电气技术》杂志上撰文指出，基于模块化多电平换流器的柔性直流输电（MMC-HVDC）是一种新型的灵活输电方式。同交流输电技术相比，MMC-HVDC输电技术具有输送容量大、输电距离远且损耗小等优点。在当前各类MMC拓扑中，半桥型MMC具有所用器件少、运行效率高、经济性好等特点，但缺乏直流故障清除能力。
本文简单介绍了半桥型MMC发生故障的原因，对目前MMC-HVDC输电系统直流故障隔离技术的国内外研究现状进行综述，并结合当前研究现状，展望了MMC-HVDC输电系统直流故障保护的新的研究方向。
柔性直流输电可应用于以下领域：远距离大容量输电、海上风电场接入电网、分布式电源接入电网、向海上钻井平台或偏远地区供电[1]。考虑到中国可再生能源发电资源的整合与并网以及远距离大容量传输的需求，需要开展建设基于电压源换流器的直流电网[2]。
同交流输电技术相比，高压柔性直流输电技术具有输送容量大、输电距离远且损耗小等优点[3]。它可以充分利用各种能源资源的互补特性及现有的交直流输配电设备，实现广域大范围内能源资源的优化配置、大规模新能源电力的可靠接入以及现有电力系统运行稳定性的提升。
1990年，加拿大麦吉尔大学的Boon. Teck Ooi教授等人首先提出了基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术。模块化多电平换流器（MMC）是一种新型电压源换流器的概念和拓扑结构，由德国慕尼黑联邦国防军大学学者A. Lesnicar和R. Marquardt在2001年首次提出[4]。MMC-HVDC输电系统换流站的各桥臂由多个结构相同的多电平换流器级联构成。相对于传统的电压源换流器，模块化多电平换流器具有输出电平数多、开关损耗低、谐波含量少等显著优势[5-7]。
1 MMC发生故障的原因
常见的模块化多电平换流器（MMC）有半桥子模块（HBSM）、全桥子模块（FBSM）、钳位子模块（CDSM）。因为半桥子模块所使用的电力电子器件少、系统成本低、运行效率高等特点，所以目前投运的基于模块化多电平换流器的柔性直流输电工程几乎都是使用半桥子模块为基本结构。
但是半桥子模块不具备隔离直流故障的能力，一旦发生直流侧短路故障，即使闭锁子模块的IGBT，故障电流仍能通过与其反并联的二极管续流。交流侧和换流站形成三相不控整流桥。
由于直流电网的“低阻尼”特点，使得故障影响范围广，发展速度快。因此，已投入的工程都采用直流电缆作为输电介质，以降低直流线路故障而导致的系统停运的概率[8]。
图1 直流双极短路故障不控整流等效电路图
柔性直流输电系统直流故障主要有直流断线故障、单极接地短路故障和双极短路故障。直流断线故障和极间短路故障一般由外力造成的，一般为永久性故障，此时换流站需要闭锁退出运行[9]。单极接地短路故障是中最常见的故障，输电线路绝缘老化，瞬时性雷击等问题造成的，但是其对系统的危害较小[10]。发生单极短路故障，另一极的对地电压上升一倍，只要不超过系统的绝缘水平，直流输电系统仍能稳定运行一段时间。
2 MMC-HVDC直流故障隔离方案
柔性直流输电技术在远距离大容量输电中不可避免需要使用架空线作为输电介质。架空线输电可以避免因电缆电压等级受限而带来的输电容量低的问题，有效降低线路投资，节省造价。但是架空线的使用，意味着柔性直流输电系统发生瞬时性故障的概率增大。
直流故障快速隔离是目前发展架空线路柔性直流输电急需解决的问题，在这方面国内外学者也展开了大量的研究。目前柔性直流输电直流故障保护的主要技术路线有：①采用交流断路器隔离直流故障；②采用具备故障穿越能力的换流站拓扑来隔离直流故障；③采用高压直流断路器来隔离直流故障。
2.1 交流断路器隔离故障
早期的MMC-HVDC工程发生直流侧故障时都是跳交流断路器[11]。直流系统不需要额外的保护装置的开支，初期建设成本低经济性好，而且系统配置简单[12]。但是交流断路器的动作时间需要数10ms，直流电网的“低阻尼”特性，使得交流断路器无法达到保护的快速性要求。同时交流断路器也无法满足继电保护中的“选择性”，在多端柔性直流电网中，利用交流断路器和快速直流开关的配合，可以较快隔离故障线路，恢复剩余网络的运行[13]。
但是发生故障时会使整个直流系统停电，而且直流电压的建立和功率恢复所需时间较长，使得柔性直流输电系统的供电可靠性大幅下降。文献[14]针对换流站的故障后直流电压建立速度慢的问题，设计了一种电容电压再平衡附加控制器，可以较快恢复故障后的电容电压，从而较快建立系统的额定直流电压。虽然其具有较快的恢复速度，但是其隔离速度过慢，仍无法满足保护的快速性要求。
2.2 具备故障穿越能力的换流站拓扑技术
通过对换流站自身拓扑结构的改进，使其能通过闭锁实现直流侧故障电流的阻断也是柔性直流输电系统清除直流故障的一种有效方式。子模块改进型MMC拓扑是目前受到认可的换流站拓扑改进方式，该方法能够充分利用目前已经发展成熟的MMC站控与阀控技术，以较小的改动使换流站获得直流故障清除能力。
全桥子模块（FBSM）和钳位双子模块（CDSM）都具备直流故障穿越的能力，两种子模块都能利用子模块中的电容吸收故障回路的能量，同时提供反向电压将续流二极管关断，达到故障清除的作用[15]。相比半桥子模块（HBSM），全桥子模块所用的IGBT管和二极管的数量都翻倍。
钳位双子模块相比半桥子模块多使用1个电容、3个IGBT管及5个二极管。当柔性直流输电系统的输送电压较低时，即换流站电平数较小，具备直流故障穿越能力的同时所增加的成本也较少。但是当换流站的电平数比较高时，其初期投资成本大幅度增加。
（a）全桥子模块 （b）钳位双子模块
图2 全桥子模块和钳位双子模块
当柔性直流输电系统发生短路故障时，其故障电流由交流侧的馈入电流和直流侧的剩余能量经电感续流组成。因此，有较多的研究利用旁路效应将直流侧和交流侧分隔，防止交流系统继续向故障点注入电流，而直流侧的故障电流则自然衰减。单晶闸管旁路子模块在故障发生时，导通旁路的晶闸管，此时流过子模块续流二极管的电流被晶闸管分流，防止二极管因过流烧毁。
双晶闸管旁路子模块在故障发生时，导通晶闸管可以起到将直流侧和交流侧分隔开来的作用[16]。虽然这种做法可以防止交流系统继续向故障点馈入电流，但是直流线路故障电流的清除是依赖自然衰减的，当系统的时间常数较大时，需要较长的时间才能实现故障的清除。同时，双晶闸管方案的原理是将直流侧故障转换成交流侧三相短路，若直流侧自然衰减的时间过长，则易造成交流侧的保护动作，影响供电的可靠性。
为了加快直流线路故障电流的衰减速度，双晶闸管改进方案在各桥臂中加入“加速限流模块”[17]。加速限流模块由IGBT管和限流电阻组成，正常运行时电流从加速限流模块的IGBT管流过，故障发生时IGBT管关断将限流电阻投入直流回路中，增大了回路总电阻使得系统时间常数变小，加快故障的清除时间。
图3 单晶闸管子模块
图4 双晶闸管子模块
利用电力电子器件的开关性，构成开关电路切断桥臂的电流，这种子模块拓扑称为自阻断子模 块[18]。文献[19]设计反向阻断型子模块拓扑，切断交流侧向直流侧馈入电流的路径，同时耗散掉直流网络的剩余能量。反向阻断子模块的优点是导通损耗低，但存在电压低、开关损耗大的缺点。
自阻型子模块在闭锁时，所有子模块动作时间要一致，否则先关断的器件需要承受较大的电压差。因此为降低触发同时性要求，提出增强逆阻型子模块[20]。增强型的子模块中提前闭锁的IGBT管电压被钳位在电容电压上，不会出现过电压。但其子模块结构较为复杂，增加了系统的控制复杂度，增大了工业设计难度，同时也降低了系统的可靠性。
图5 加入加速限流模块的双晶闸管子模块系统运行图
将半桥子模块和具有故障隔离的全桥子模块结合起来组成混合子模块，可以充分利用两种子模块的特性，兼具经济性和故障保护的特性[21-22]。合理分配半桥子模块和钳位双子模块在每个桥臂的数量，组成混合子模块，可以充分利用到半桥子模块所用器件少的优点和钳位双子模块具有故障隔离的优点[23-25]。这种方法可以减少电力电子器件的使用、节省初期投资成本、降低控制的难度以及运行损耗。
国内外学者在改进换流器的子模块拓扑做了很多研究。总结而言，改变子模块结构势必带来所使用电力电子器件增多，控制难度增大，增加系统的运行损耗等问题。在直流故障处理过程中换流站需要闭锁，从而影响直流电网的功率传输。另一方面，子模块的结构较为复杂，提高了子模块封装难度，降低了子模块的可靠性。目前实际运行的工程有基于半桥子模块和全桥子模块的模块化多电平换流器的柔性直流工程，其他改进拓扑的可靠性还未得到实际工程的验证。
2.3 直流断路器隔离直流故障
利用直流断路器直接切除故障线路是直流系统中实现故障隔离的最理想的方法[26]。高压直流断路器可以在数毫秒将故障线路隔离，不会中断直流电网其他部分的功率正常传输。但是研制快速直流断路器面临着诸多难点，例如直流电流无过零点使得灭弧困难，直流断路器在分闸过程中需耗散较大的能量，需承受很高的故障电流上升率等[27]。高压、大容量的直流断路器在技术研究和成本投资都面临着巨大挑战[28]。
直流断路器主要有以下3种：基于常规开关的机械式断路器、基于电力电子器件的全固态式断路器及两者结合的混合式断路器。机械式直流断路器是以交流断路器灭弧技术为变革基础设计的，具有制造成本低、分断能力强、通态损耗低等优点。但是其故障分断速度慢，不符合直流电网快速隔离故障的要求。基于电力电子器件的全固态式断路器可以迅速分断故障电流，但是制造成本高昂、通态损耗高的原因限制了固态式断路器的推广应用。
混合式断路器集合了机械式断路器和全固态式断路器的优点[29]，正常运行时电流流经机械开关支路，电力电子开关用来分断故障电流，在保证分断容量和动作速度的前提下降低通态损耗。运用混合直流断路器结合线路差动保护、母线差动保护，可以满足保护的选择性和速动性的要求，实现柔性直流电网故障的快速选择性隔离[30]。
改进混合直流断路器的组成拓扑，每个子模块具备独立的电流切除、电压建立和能量吸收能力[31]。使得混合式断路器具备限流和限压的功能，提高直流系统的直流短路故障穿越能力及系统的稳定性。在通流支路设置强迫换流回路，强迫故障电流往电力电子开关支路流过，确保机械开关无弧分开。
在机械开关支路增加一个二极管，防止强迫换流之后出现反向电流[32]，可以迅速切断故障电流，即使断路器半导体器件门极意外失电，也可以维持电流通路，而不会对系统供电造成影响。但是这种方法需要对强迫换流回路中的电容进行预充电，需要增加一个电容预充电环节，增加了混合断路器的复杂度和提高了控制难度。
图6 混合式高压直流断路器
高压直流断路器的研究也取得明显的进展。ABB公司在2012年对IGBT串联的混合式直流断路器方案进行样机验证。国家电网公司在2014年对基于子模块级联的混合式直流断路器样机实验，充分验证基于全控型混合式直流断路器在高压大功率场合应用是可行的[33]。
国家电网公司规划的“张北柔性直流输电工程”的换流站基本子模块是使用半桥子模块，然后利用直流断路器作为保护装置。该工程每个换流站配置4台直流断路器，要求直流断路器在3ms内分断峰值25kA的故障电流[34]。
高压直流断路器具有故障隔离速度快的优点，但是不能忽视的是它占地面积大，所使用的电力电子器件多，投资成本高。当在多端的柔性直流输电系统或者直流电网时，每条点对点的线路需要配置两台高压直流断路器，其带来非常大的初期投资成本。
3 新颖的研究方向
兼具经济性和故障快速隔离的柔性直流输电直流故障保护方案一直是研究的热点。一些学者尝试运用与上述方法不同的其他方法来解决柔性直流输电系统的直流故障问题。
双晶闸管子模块在正常运行时，晶闸管会承受IGBT在投切子模块电容引起的正向电压变化率，而出现误导通的现象。因此，将背靠背晶闸管集中放在交流侧并且星型连接[35]。这种方法所需的晶闸管电压等级低，电流等级较大，因此投资成本低。
另一方面，此方案不需要改变换流器的拓扑，使得其适用于一些早期的柔性直流输电工程。但是这种方法只能将交直流侧分隔开来，直流侧的故障电流还是自然衰减，过长的故障清除时间有可能造成交流侧的保护动作。
为了降低清除直流故障时对交流系统的长时间的冲击，增加了开关型零损耗限流装 置[36]。这种方法只需要初期的投资，系统稳态运行时不会有额外的损耗，但是其清除时间仍取决于直流侧故障电流的衰减时间。
图7 在MMC-HVDC中加入开关型零损耗限流装置及三相星型连接的背靠背晶闸管
在换流器中加入旁路桥臂，当故障发生时导通旁路桥臂，使得交直流侧分隔开来，去除桥臂剩余电流后用快速机械开关隔离故障线路[37]。旁路桥臂使用的是晶闸管器件，系统建设成本较低，控制方法简单灵活，能实现瞬时故障和永久性故障的快速隔离。
图8 混合旁路的换流器原理图
将换流器和直流断路器的特性结合起来优化直流短路故障是一种比较新颖的清除方式[38]。通过换流器部分与直流断路器部分控制方式的配合，只需在半桥型MMC的基础上增加少量的电力电子器件，在成本上和占地面积上相比常规的直流断路器有明显的优势。另外，它的稳态运行损耗远远小于其他具有直流故障穿越能力的改进型MMC拓扑。
未来，直流电网的规模更大、网络拓扑更加复杂。若柔性直流输电系统采用半桥型MMC加直流断路器的保护方案，则直流电网内的直流断路器的数目将是巨大的。高额的初期成本会制约直流电网的建设和发展。组合式高压直流断路器可以很好应对上述的问题[39]。
组合式断路器由两部分组成，即主断部分和分断部分。主断部分放置在母线的地方，分断部分放置在每条线路上。与现有的混合式断路器方案相比，在直流线路复杂、站间连接紧密的直流电网中具有明显的优势。
本文详细介绍了柔性直流输电系统直流故障保护的3种主流方法，也指出了目前较为新颖的研究方向，方便读者参考。
柔性直流输电系统直流故障保护研究还在起步阶段，对经济性较好的半桥型子模块的换流器拓扑直流故障保护方案还未有成熟的方案。以可靠、有效的方法，使用更少的附加电力电子器件来隔离处理直流故障，将是柔性直流输电直流故障保护的研究方向。同时，柔性直流输电系统的直流故障隔离和超高速继电保护的配合也是直流电网故障保护研究的热点和难点。