吴方

摘 要：由于能源的紧缺问题，各个国家都在积极的进行新能源的开发利用，使能源结构能够得到优化。而高压直流输电技术的应用，可以有效的解决能源结构多元化，其中使用了模块化多电平变流器的拓扑形式，与交流、直流输配电相比较具有很好的优越性，但同时也存在一定的问题，如果出现直流故障，会造成很大的损害，因此，本文主要对故障的改进控制进行了分析，以供参考。

关键词：高压直流输电;模块化多电平变流器;故障控制

电压源高压直流输电技术结合了高压输电和直流输电，系统运行的拓扑形式有模块化多电平变流器。在高压直流输电系统中，电压源换流器是其中关键的构成，其中的模块化多电平变流器输出电平多，器件开关频率低，这种高压直流输电系统有很好的应用优势，但是其直流故障问题需要得到重点改进和控制，这样才能更好的保证系统的运行。

1.模块化多电平变流器型高压直流輸电系统

模块化多电平变流器的拓扑结构主要包括6个桥臂，而每个桥臂的构成主要包括n个子模块SM和电抗器L[1]。而其中的子模块由2个IGBT开关构成，每一个都反并联二极管D1、D2，每个桥臂串联n个子模块，而一个单元中包括上下两个桥臂。下图1是模块化多电平变流器单元拓扑结构，图2是子模块的拓扑结构。

模块化多电平变流器的电路能够使不同的电压等级和功率符合要求，主要就是利用变流器子模块数量的多少来满足要求，能够帮助电路进行集成化的设计。相比较以往的电压源变流器，模块化多电平变流器的三相桥臂是通过并联的方式进行连接的，不过交流电抗器不同于两电平、三电平的电抗器，连接方式存在差异，模块化多电平变流器主要是利用串联形式在其桥臂中，其中桥臂的电抗器可以使变流器的安全性更高，这样桥臂中的环形电流能够得到较好的控制，还可以使直流故障引起的电流上升速度得到降低。另外，模块化多电平变流器可以利用很少的电平形成交流电压，所以，输出交流电压的变化范围可以较好的控制，直流侧电压的变动很小，因而变流阀受到的电气应力可以得到较好的降低。如果这种变流器型的高压直流输电系统中发生交流侧不对称的故障时，能够确保系统不会断电，从而正常运行。这主要是因为直流侧没有并联进大电容，而是在各个子模块中，桥臂与电压源是相当的，这样在三相中任何一相出现故障，都能够保证其他没发生故障的正常运行。

2.模块化多电平变流器高压直流输电系统直流故障控制措施

2.1直流短路故障保护

模块化多电平变流器高压直流输电系统直流侧的输电线路通常都是使用双极电缆，故障的发生与接地方式没有联系，直流故障主要有双极短路、单极接地、断线故障，比较严重的就是直流双极短路故障[2]。目前在直流侧输电线路中通常都是使用电缆，一般出现可能性最大的就是永久性故障。在换流站闭锁前，故障电流会突然大幅增大，其中包括子模块电容电压放电电流和交流侧电流，发生直流故障就等于交流侧三相发生短路故障。电流由于叠加形成桥臂电流，短路电流会急剧上升，快速到达最大值。几毫秒后系统就会检测到直流侧故障，然后闭锁模块化多电平变流器的换流站，这时子模块的电容旁路放电以及桥臂流入电流就会停止，不过利用子模块反并联的二极管D2可以有电流流入故障点，桥臂的电感就会对其中短路电流上升的速度进行控制，子模块端口处通过并联使二极管D2的旁路能够得到保护。

2.2直流单极接地和断线故障控制

2.2.1系统电流内环控制器设计

直流双极短路故障属于单极接地故障中的一种特殊情况，对于单极接地故障和直流断线故障，控制措施的数学模型相一致，所以能够简化统一。系统故障极与非故障极的数学模型的差异主要在桥臂的电压直流分量的差别，因此，系统出现直流故障时不用判断故障种类，只要检测正、负极直流母线电流的瞬间变化后即刻将模块化多电平变流器桥臂电压的直流分量控制在0，就能够使系统直流故障下完成穿越运行。系统电流内环控制器设计主要包括上桥臂和下桥臂电流内环控制，故障期间模块化多电平变流器上、下桥臂的电压方程是

2.2.2系统外环控制器设计

全桥型的模块化多电平变流器高压直流输电系统在出现直流单极接地和断线故障时，上桥臂通常需要保证交流电网无功的要求，发生少量的有功功率交换主要是保持桥臂电容电压的平衡[3]。为了能够使故障发生阶段，系统运行中的动态响应能力得到提升，无功的外环控制器主要使用电流前馈控制，送端无功外环控制器，由于有功类的控制量是直流母线电压，所以，有功输入使用送端下桥臂输入的有功Po，受端上桥臂无功外环控制器，有功输入使用参考Pref。全桥型的模块化多电平变流器下桥臂的出现故障的阶段运行是正常情况，送端的变流器有功控制能够保持高压直流输电系统的负极直流母线电压是恒定的，在故障状态下系统有功传输进行，受端变流器有功控制主要是定有功功率控制。另外，为了能够使直流单极接地故障下的全桥型模块化多电平变流器高压直流输电系统的动态响应能力得到有效的提升，送端以及受端下桥臂无功外环控制器使用电流前馈控制。同样的，送端变流器下桥臂无功外环控制器的有功输入使用有功Po。受端变流器下桥臂有功输入使用有功参考Pref。

结束语：

通过建立系统直流故障的数学模型，对直流单极接地和断线故障下的模块化多电平变流器高压直流输电系统的功率指令进行优化，能够使系统在故障阶段的上、下桥臂有功和无功功率的指令得到较好的分配，使系统在直流故障下可以保持较好的运行能力。对系统的直流故障采用统一的故障控制措施，利用转换模块化多电平变流器的运行方式，进而使各个桥臂的电压直流分量随直流母线电压的变化而变化，进一步使系统在直流故障下安全可靠的运行。对直流故障进行控制不需要判断故障的种类，只需要检测正、负极直流母线电流的瞬间变化情况，从而使故障控制实现简化统一。

参考文献：

[1]王霖. 基于模块化多电平变流器的柔性高压直流输电系统研究[D]. 2014.

[2]李敏. 模块化多电平变流器的子模块故障容错控制研究[J]. 电力电子技术， 2018.

[3]杜晓舟. 模块化多电平在直流输电系统中的应用与研究[D]. 2015.