摘要

福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員周海鴻、楊明發等，在2019年第1期《電氣技術》雜誌上撰文指出，基於模塊化多電平換流器的柔性直流輸電（MMC-HVDC）是一種新型的靈活輸電方式。同交流輸電技術相比，MMC-HVDC輸電技術具有輸送容量大、輸電距離遠且損耗小等優點。在當前各類MMC拓撲中，半橋型MMC具有所用器件少、運行效率高、經濟性好等特點，但缺乏直流故障清除能力。

本文簡單介紹了半橋型MMC發生故障的原因，對目前MMC-HVDC輸電系統直流故障隔離技術的國內外研究現狀進行綜述，並結合當前研究現狀，展望了MMC-HVDC輸電系統直流故障保護的新的研究方向。

柔性直流輸電可應用於以下領域：遠距離大容量輸電、海上風電場接入電網、分佈式電源接入電網、向海上鑽井平臺或偏遠地區供電[1]。考慮到中國可再生能源發電資源的整合與併網以及遠距離大容量傳輸的需求，需要開展建設基於電壓源換流器的直流電網[2]。

同交流輸電技術相比，高壓柔性直流輸電技術具有輸送容量大、輸電距離遠且損耗小等優點[3]。它可以充分利用各種能源資源的互補特性及現有的交直流輸配電設備，實現廣域大範圍內能源資源的優化配置、大規模新能源電力的可靠接入以及現有電力系統運行穩定性的提升。

1990年，加拿大麥吉爾大學的Boon. Teck Ooi教授等人首先提出了基於電壓源換流器的高壓直流輸電（VSC-HVDC）技術。模塊化多電平換流器（MMC）是一種新型電壓源換流器的概念和拓撲結構，由德國慕尼黑聯邦國防軍大學學者A. Lesnicar和R. Marquardt在2001年首次提出[4]。MMC-HVDC輸電系統換流站的各橋臂由多個結構相同的多電平換流器級聯構成。相對於傳統的電壓源換流器，模塊化多電平換流器具有輸出電平數多、開關損耗低、諧波含量少等顯著優勢[5-7]。

1 MMC發生故障的原因

常見的模塊化多電平換流器（MMC）有半橋子模塊（HBSM）、全橋子模塊（FBSM）、鉗位子模塊（CDSM）。因爲半橋子模塊所使用的電力電子器件少、系統成本低、運行效率高等特點，所以目前投運的基於模塊化多電平換流器的柔性直流輸電工程幾乎都是使用半橋子模塊爲基本結構。

但是半橋子模塊不具備隔離直流故障的能力，一旦發生直流側短路故障，即使閉鎖子模塊的IGBT，故障電流仍能通過與其反並聯的二極管續流。交流側和換流站形成三相不控整流橋。

由於直流電網的“低阻尼”特點，使得故障影響範圍廣，發展速度快。因此，已投入的工程都採用直流電纜作爲輸電介質，以降低直流線路故障而導致的系統停運的概率[8]。

圖1 直流雙極短路故障不控整流等效電路圖

柔性直流輸電系統直流故障主要有直流斷線故障、單極接地短路故障和雙極短路故障。直流斷線故障和極間短路故障一般由外力造成的，一般爲永久性故障，此時換流站需要閉鎖退出運行[9]。單極接地短路故障是中最常見的故障，輸電線路絕緣老化，瞬時性雷擊等問題造成的，但是其對系統的危害較小[10]。發生單極短路故障，另一極的對地電壓上升一倍，只要不超過系統的絕緣水平，直流輸電系統仍能穩定運行一段時間。

2 MMC-HVDC直流故障隔離方案

柔性直流輸電技術在遠距離大容量輸電中不可避免需要使用架空線作爲輸電介質。架空線輸電可以避免因電纜電壓等級受限而帶來的輸電容量低的問題，有效降低線路投資，節省造價。但是架空線的使用，意味着柔性直流輸電系統發生瞬時性故障的概率增大。

直流故障快速隔離是目前發展架空線路柔性直流輸電急需解決的問題，在這方面國內外學者也展開了大量的研究。目前柔性直流輸電直流故障保護的主要技術路線有：①採用交流斷路器隔離直流故障；②採用具備故障穿越能力的換流站拓撲來隔離直流故障；③採用高壓直流斷路器來隔離直流故障。

2.1 交流斷路器隔離故障

早期的MMC-HVDC工程發生直流側故障時都是跳交流斷路器[11]。直流系統不需要額外的保護裝置的開支，初期建設成本低經濟性好，而且系統配置簡單[12]。但是交流斷路器的動作時間需要數10ms，直流電網的“低阻尼”特性，使得交流斷路器無法達到保護的快速性要求。同時交流斷路器也無法滿足繼電保護中的“選擇性”，在多端柔性直流電網中，利用交流斷路器和快速直流開關的配合，可以較快隔離故障線路，恢復剩餘網絡的運行[13]。

但是發生故障時會使整個直流系統停電，而且直流電壓的建立和功率恢復所需時間較長，使得柔性直流輸電系統的供電可靠性大幅下降。文獻[14]針對換流站的故障後直流電壓建立速度慢的問題，設計了一種電容電壓再平衡附加控制器，可以較快恢復故障後的電容電壓，從而較快建立系統的額定直流電壓。雖然其具有較快的恢復速度，但是其隔離速度過慢，仍無法滿足保護的快速性要求。

2.2 具備故障穿越能力的換流站拓撲技術

通過對換流站自身拓撲結構的改進，使其能通過閉鎖實現直流側故障電流的阻斷也是柔性直流輸電系統清除直流故障的一種有效方式。子模塊改進型MMC拓撲是目前受到認可的換流站拓撲改進方式，該方法能夠充分利用目前已經發展成熟的MMC站控與閥控技術，以較小的改動使換流站獲得直流故障清除能力。

全橋子模塊（FBSM）和鉗位雙子模塊（CDSM）都具備直流故障穿越的能力，兩種子模塊都能利用子模塊中的電容吸收故障迴路的能量，同時提供反向電壓將續流二極管關斷，達到故障清除的作用[15]。相比半橋子模塊（HBSM），全橋子模塊所用的IGBT管和二極管的數量都翻倍。

鉗位雙子模塊相比半橋子模塊多使用1個電容、3個IGBT管及5個二極管。當柔性直流輸電系統的輸送電壓較低時，即換流站電平數較小，具備直流故障穿越能力的同時所增加的成本也較少。但是當換流站的電平數比較高時，其初期投資成本大幅度增加。

（a）全橋子模塊 （b）鉗位雙子模塊 圖2 全橋子模塊和鉗位雙子模塊

當柔性直流輸電系統發生短路故障時，其故障電流由交流側的饋入電流和直流側的剩餘能量經電感續流組成。因此，有較多的研究利用旁路效應將直流側和交流側分隔，防止交流系統繼續向故障點注入電流，而直流側的故障電流則自然衰減。單晶閘管旁路子模塊在故障發生時，導通旁路的晶閘管，此時流過子模塊續流二極管的電流被晶閘管分流，防止二極管因過流燒燬。

雙晶閘管旁路子模塊在故障發生時，導通晶閘管可以起到將直流側和交流側分隔開來的作用[16]。雖然這種做法可以防止交流系統繼續向故障點饋入電流，但是直流線路故障電流的清除是依賴自然衰減的，當系統的時間常數較大時，需要較長的時間才能實現故障的清除。同時，雙晶閘管方案的原理是將直流側故障轉換成交流側三相短路，若直流側自然衰減的時間過長，則易造成交流側的保護動作，影響供電的可靠性。

爲了加快直流線路故障電流的衰減速度，雙晶閘管改進方案在各橋臂中加入“加速限流模塊”[17]。加速限流模塊由IGBT管和限流電阻組成，正常運行時電流從加速限流模塊的IGBT管流過，故障發生時IGBT管關斷將限流電阻投入直流回路中，增大了迴路總電阻使得系統時間常數變小，加快故障的清除時間。

圖3 單晶閘管子模塊

圖4 雙晶閘管子模塊

利用電力電子器件的開關性，構成開關電路切斷橋臂的電流，這種子模塊拓撲稱爲自阻斷子模 塊[18]。文獻[19]設計反向阻斷型子模塊拓撲，切斷交流側向直流側饋入電流的路徑，同時耗散掉直流網絡的剩餘能量。反向阻斷子模塊的優點是導通損耗低，但存在電壓低、開關損耗大的缺點。

自阻型子模塊在閉鎖時，所有子模塊動作時間要一致，否則先關斷的器件需要承受較大的電壓差。因此爲降低觸發同時性要求，提出增強逆阻型子模塊[20]。增強型的子模塊中提前閉鎖的IGBT管電壓被鉗位在電容電壓上，不會出現過電壓。但其子模塊結構較爲複雜，增加了系統的控制複雜度，增大了工業設計難度，同時也降低了系統的可靠性。

圖5 加入加速限流模塊的雙晶閘管子模塊系統運行圖

將半橋子模塊和具有故障隔離的全橋子模塊結合起來組成混合子模塊，可以充分利用兩種子模塊的特性，兼具經濟性和故障保護的特性[21-22]。合理分配半橋子模塊和鉗位雙子模塊在每個橋臂的數量，組成混合子模塊，可以充分利用到半橋子模塊所用器件少的優點和鉗位雙子模塊具有故障隔離的優點[23-25]。這種方法可以減少電力電子器件的使用、節省初期投資成本、降低控制的難度以及運行損耗。

國內外學者在改進換流器的子模塊拓撲做了很多研究。總結而言，改變子模塊結構勢必帶來所使用電力電子器件增多，控制難度增大，增加系統的運行損耗等問題。在直流故障處理過程中換流站需要閉鎖，從而影響直流電網的功率傳輸。另一方面，子模塊的結構較爲複雜，提高了子模塊封裝難度，降低了子模塊的可靠性。目前實際運行的工程有基於半橋子模塊和全橋子模塊的模塊化多電平換流器的柔性直流工程，其他改進拓撲的可靠性還未得到實際工程的驗證。

2.3 直流斷路器隔離直流故障

利用直流斷路器直接切除故障線路是直流系統中實現故障隔離的最理想的方法[26]。高壓直流斷路器可以在數毫秒將故障線路隔離，不會中斷直流電網其他部分的功率正常傳輸。但是研製快速直流斷路器面臨着諸多難點，例如直流電流無過零點使得滅弧困難，直流斷路器在分閘過程中需耗散較大的能量，需承受很高的故障電流上升率等[27]。高壓、大容量的直流斷路器在技術研究和成本投資都面臨着巨大挑戰[28]。

直流斷路器主要有以下3種：基於常規開關的機械式斷路器、基於電力電子器件的全固態式斷路器及兩者結合的混合式斷路器。機械式直流斷路器是以交流斷路器滅弧技術爲變革基礎設計的，具有製造成本低、分斷能力強、通態損耗低等優點。但是其故障分斷速度慢，不符合直流電網快速隔離故障的要求。基於電力電子器件的全固態式斷路器可以迅速分斷故障電流，但是製造成本高昂、通態損耗高的原因限制了固態式斷路器的推廣應用。

混合式斷路器集合了機械式斷路器和全固態式斷路器的優點[29]，正常運行時電流流經機械開關支路，電力電子開關用來分斷故障電流，在保證分斷容量和動作速度的前提下降低通態損耗。運用混合直流斷路器結合線路差動保護、母線差動保護，可以滿足保護的選擇性和速動性的要求，實現柔性直流電網故障的快速選擇性隔離[30]。

改進混合直流斷路器的組成拓撲，每個子模塊具備獨立的電流切除、電壓建立和能量吸收能力[31]。使得混合式斷路器具備限流和限壓的功能，提高直流系統的直流短路故障穿越能力及系統的穩定性。在通流支路設置強迫換流回路，強迫故障電流往電力電子開關支路流過，確保機械開關無弧分開。

在機械開關支路增加一個二極管，防止強迫換流之後出現反向電流[32]，可以迅速切斷故障電流，即使斷路器半導體器件門極意外失電，也可以維持電流通路，而不會對系統供電造成影響。但是這種方法需要對強迫換流回路中的電容進行預充電，需要增加一個電容預充電環節，增加了混合斷路器的複雜度和提高了控制難度。

圖6 混合式高壓直流斷路器

高壓直流斷路器的研究也取得明顯的進展。ABB公司在2012年對IGBT串聯的混合式直流斷路器方案進行樣機驗證。國家電網公司在2014年對基於子模塊級聯的混合式直流斷路器樣機實驗，充分驗證基於全控型混合式直流斷路器在高壓大功率場合應用是可行的[33]。

國家電網公司規劃的“張北柔性直流輸電工程”的換流站基本子模塊是使用半橋子模塊，然後利用直流斷路器作爲保護裝置。該工程每個換流站配置4臺直流斷路器，要求直流斷路器在3ms內分斷峯值25kA的故障電流[34]。

高壓直流斷路器具有故障隔離速度快的優點，但是不能忽視的是它佔地面積大，所使用的電力電子器件多，投資成本高。當在多端的柔性直流輸電系統或者直流電網時，每條點對點的線路需要配置兩臺高壓直流斷路器，其帶來非常大的初期投資成本。

3 新穎的研究方向

兼具經濟性和故障快速隔離的柔性直流輸電直流故障保護方案一直是研究的熱點。一些學者嘗試運用與上述方法不同的其他方法來解決柔性直流輸電系統的直流故障問題。

雙晶閘管子模塊在正常運行時，晶閘管會承受IGBT在投切子模塊電容引起的正向電壓變化率，而出現誤導通的現象。因此，將背靠背晶閘管集中放在交流側並且星型連接[35]。這種方法所需的晶閘管電壓等級低，電流等級較大，因此投資成本低。

另一方面，此方案不需要改變換流器的拓撲，使得其適用於一些早期的柔性直流輸電工程。但是這種方法只能將交直流側分隔開來，直流側的故障電流還是自然衰減，過長的故障清除時間有可能造成交流側的保護動作。

爲了降低清除直流故障時對交流系統的長時間的衝擊，增加了開關型零損耗限流裝 置[36]。這種方法只需要初期的投資，系統穩態運行時不會有額外的損耗，但是其清除時間仍取決於直流側故障電流的衰減時間。

圖7 在MMC-HVDC中加入開關型零損耗限流裝置及三相星型連接的背靠背晶閘管

在換流器中加入旁路橋臂，當故障發生時導通旁路橋臂，使得交直流側分隔開來，去除橋臂剩餘電流後用快速機械開關隔離故障線路[37]。旁路橋臂使用的是晶閘管器件，系統建設成本較低，控制方法簡單靈活，能實現瞬時故障和永久性故障的快速隔離。

圖8 混合旁路的換流器原理圖

將換流器和直流斷路器的特性結合起來優化直流短路故障是一種比較新穎的清除方式[38]。通過換流器部分與直流斷路器部分控制方式的配合，只需在半橋型MMC的基礎上增加少量的電力電子器件，在成本上和佔地面積上相比常規的直流斷路器有明顯的優勢。另外，它的穩態運行損耗遠遠小於其他具有直流故障穿越能力的改進型MMC拓撲。

未來，直流電網的規模更大、網絡拓撲更加複雜。若柔性直流輸電系統採用半橋型MMC加直流斷路器的保護方案，則直流電網內的直流斷路器的數目將是巨大的。高額的初期成本會制約直流電網的建設和發展。組合式高壓直流斷路器可以很好應對上述的問題[39]。

組合式斷路器由兩部分組成，即主斷部分和分斷部分。主斷部分放置在母線的地方，分斷部分放置在每條線路上。與現有的混合式斷路器方案相比，在直流線路複雜、站間連接緊密的直流電網中具有明顯的優勢。

本文詳細介紹了柔性直流輸電系統直流故障保護的3種主流方法，也指出了目前較爲新穎的研究方向，方便讀者參考。

柔性直流輸電系統直流故障保護研究還在起步階段，對經濟性較好的半橋型子模塊的換流器拓撲直流故障保護方案還未有成熟的方案。以可靠、有效的方法，使用更少的附加電力電子器件來隔離處理直流故障，將是柔性直流輸電直流故障保護的研究方向。同時，柔性直流輸電系統的直流故障隔離和超高速繼電保護的配合也是直流電網故障保護研究的熱點和難點。