双极MMC-HVDC系统直流故障特性研究
首先，介绍真双极MMC的拓扑结构和工作原理，并根据实际交直流系统电气参数、桥臂子模块电容及电抗的放电机制，建立真、伪双极两种拓扑MMC-HVDC系统直流故障状态下的对应等效电路。然后，对比分析两种拓扑不同阶段故障电流在MMC桥臂上的流通路径，重点研究了故障短路电流对换流站桥臂阀组影响程度的差异，并指出三种电气参数与故障短路电流变化之间的内在关系。
最后，基于RT-LAB仿真平台，搭建51电平双极MMC- HVDC双端直流输电模型，仿真结果证明了直流故障特性研究方法的正确性。
基于模块化多电平换流器的高压直流输电技术(Modular MultilevelConverter based HVDC, MMC- HVDC）属于柔性直流输电技术，其采用半桥子模块级联的拓扑结构，具有对阀组器件触发动态均压要求低，扩展性好、开关频率低、运行损耗低、高效率、高可靠性、可独立调节无功功率和有功功率等诸多优点。
随着传统化石能源的日益枯竭和电力产业结构升级与优化的迫切需求，可以预见未来基于MMC-HVDC系统的柔性直流输电技术将在新能源发电并网、城市配网增容、远距离负荷供电等领域具有广阔的应用前景[1-11]。
尽管MMC柔性直流输电技术具有自身独特的优势，但针对此技术的研究时间并不长。目前，国内外文献主要是围绕伪双极MMC-HVDC系统的直流侧故障特性、恢复策略以及控制保护方法展开研究。文献[12]分析了伪双极系统直流侧故障的特性，并提出改进拓扑，有效抑制了直流侧故障电流。
文献[13]建立了避雷器不动作时伪双极系统直流侧单极接地故障暂态分析模型，分析了接地装置参数对故障特性的影响，同时定性分析了避雷器动作对故障特性的影响。文献[14]根据不同类型直流线路故障机制，提出了控制保护设计的基本要求和相应的控制保护策略。
文献[15]根据双极短路故障的故障机制，建立了子模块电流回路模型，分析了各回路参数变化时过电流应力的变化情况，为设备的选型提供了依据。文献[16]提出一种基于虚拟电阻的优化控制策略，以减少直流侧故障电流对子模块电容电压平衡的影响。
文献[17]针对变压器绕组不同联结方式，进行了伪双极MMC-HVDC系统交直流故障的仿真分析，研究了不同故障特性及对系统运行的影响，并提出了应对策略。文献[18]针对直流断线故障，分析了非故障相直流母线电流产生机理和不同运行控制模式下系统电压电流的变化规律。
文献[19]讨论了MMC换流站交流侧不同接地方式对柔性直流系统故障特性的影响，并推荐采用Zig- zag变压器与星形大电抗中性点接地结合的方式，以解决系统直流侧电压不平衡的问题。
虽然上述研究成果推动了柔性直流技术的发展，然而，随着我国厦门±320kV柔性直流输电示范工程的正式投运，对真双极MMC-HVDC系统的研究已成为高压直流输电领域中新的关注点。
本文介绍了真双极MMC的基本运行特性；针对真双极MMC-HVDC直流单极接地故障，建立了换流器在闭锁前后的等效数学模型；通过与伪双极MMC- HVDC系统直流故障机制的对比，分析了二者在故障机理与故障特性上的不同，研究了短路电阻、闭锁时间以及桥臂电抗对真双极换流器桥臂故障电流变化特性的影响；最后通过RT-LAB建立仿真模型予以证明。
图1 真双极MMC-HVDC系统的结构
结论
本文通过对真、伪双极MMC-HVDC系统直流单极接地故障时子模块电容放电机制、短路路径、桥臂电流变化的研究，明确了两种拓扑结构直流输电系统的故障机制，结合算例仿真得出如下结论：
1）故障发生时，换流器闭锁前，子模块电容放电是造成桥臂过电流的主要因素，子模块放电电流和交流系统注入电流构成短路电流；闭锁后由桥臂电感续流和交流注入电流构成短路电流，此时真双极系统近似工作在经桥臂阻抗限流后的交流三相短路状态，其故障电流远高于伪双极系统。
2）短路电流受短路电阻、桥臂电感和闭锁反应时间的影响较大。短路电阻增大将导致冲击电流减小、直流分量衰减加快，断路器动作后熄弧时间缩短。桥臂电感减小将导致冲击电流增大，直流分量衰减加快，交流断路器动作后熄弧时间增长。闭锁反应时间越短，故障后冲击电流越小。增大短路电阻、桥臂电感和减小闭锁反应时间对抑制故障后桥臂过电流有积极效果。
3）与伪双极系统不同，真双极系统对直流单极接地故障具有故障隔离作用，而与故障极电气连接的换流器桥臂过电流程度较大，应在及时闭锁换流器之后跳开直流断路器；而与非故障极电气连接的换流器仍能正常工作，但系统传输功率减半。