模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter,MMC）因制造難度低、擴展性強、損耗小和故障處理能力強等因素被廣泛應用于柔性直流輸電（Voltage Source Converter-High Voltage DC,VSC-HVDC）系統。

由于早期的換流器容量較小，多應用于跨海輸電或是因為輸電走廊受到嚴格限制的地區，VSC-HVDC大多采用故障率低的電纜，隨著斷路器和具有自清除能力換流器的發展，將MMC-HVDC擴展應用到架空輸電線路是我國能源資源優化、防止換相失敗的客觀要求[2]，如張北±500kV柔直工程即采用架空輸電線路。

輸電線路作為覆蓋面積最大且工作條件最惡劣的元件，其故障發生率是電力系統所有設備中最高的。線路故障具有單相（極）、瞬時性的特點，線路故障切除后經固定時限重合成功的概率為60%～90%，電壓等級越高，重合成功率越高，因此，重合/重啟技術是提高以架空線為主的電力系統的穩定性和供電連續性的有效措施。

自動重合閘在交流線路中被廣泛采用，單相自動重合閘進行單跳單合，具有一定的社會經濟效益。但是也給電力系統帶來一些負面的影響，主要表現為當自動重合閘重合于永久性故障時，會使電力系統短時間內遭受兩次故障沖擊，造成重合后電力系統搖擺幅度增大，降低斷路器等電氣設備絕緣，減少其使用壽命。

為了優化自動重合閘的性能，國內外學者開展了一系列基于永久性故障判別的自適應重合理論。與交流系統相比，全控性電力電子器件過電流能力弱，MMC-HVDC系統承受故障沖擊能力較差，直流系統的重合/重啟應盡量避免二次沖擊等危害，如何實現故障性質和重合時間的自適應判別是MMC-HVDC系統重合/重啟技術的關鍵所在。

國內外學者也提出了許多直流輸電系統的重合/重啟方法。文獻[7]提出基于直流電壓建立與否判斷故障是否存在的方法，這種方法在重合于永久性故障時避免了電容放電，有效地降低了二次過電流的上升速度，但不能有效識別出直流線路高阻故障；文獻[12]利用線路極間耦合特性提出了接地極故障的測距方法，該方法需要附加脈沖發射裝置。

文獻[13]以直流故障后正負極電壓之差是否為零來識別永久性故障，該方法在經過渡電阻接地時存在靈敏度低和整定困難的問題；文獻[14]根據換流站閉鎖后在故障存在與消失兩種狀態下線路電流的幅值差異，進行故障性質的判斷，但該方法僅適用于兩端輸電系統。

文獻[15]將直流輸電運行工況和運行功率點引入到直流線路故障重啟策略中，減少直流功率波動來避免雙極閉鎖，該方法需要控制系統與保護的配合，仍存在重啟于永久性故障的問題；文獻[16]提出了基于主動式脈沖的直流線路單極接地故障測距方法，該方法可用于識別直流線路故障性質，但脈沖檢測對采樣頻率要求較高（200kHz）。

交流線路自適應重合閘利用健全相和跳開相之間的耦合關系進行永久性故障性質判別，而直流線路故障清除后，健全極與故障極電氣量保持恒定。本文借鑒交流系統的耦合思想，對直流故障線路施加擾動，進而實現故障性質判別。

本文提出一種利用全橋MMC（Full Bridge based MMC, FB-MMC）控制特性和行波耦合原理注入特征信號的直流線路故障性質判別方法。本文首先介紹高壓直流輸電線路極間耦合特性，通過設計附加控制策略實現健全極換流器向直流線路注入特征信號，由于極間線路存在耦合，故障線路將感應對應的特征信號；其次給出了特征信號的選取原則，利用特征信號在故障存在和消失時的傳播特性差異實現故障性質判別方法；最后利用PSCAD/EMTDC驗證本文方法的有效性。

圖8 真雙極接線的柔性直流輸電系統

結論

本文提出了一種在無斷路器情況下基于FB-MMC控制特性與傳輸線耦合特性的特征信號注入法，實現直流線路故障性質判別。

本文首先闡述了FB-MMC的拓撲及其控制原理，通過設計附加控制策略實現特征信號的注入，并給出了注入特征信號的幅值和頻率選取原則；其次利用行波在故障線路故障消失與故障存在兩種狀態傳播特性的差異識別故障的性質；最后提出真雙極柔性直流輸電系統快速重啟方案，該方案實現了快速熄弧的瞬時性故障快速重合、緩慢熄弧的故障慢速重合、永久性故障不予重合，減少了對換流設備的沖擊。

本文的方法也適用于真雙極接線的半橋子模塊或混合子模塊MMC柔性直流系統。但是半橋MMC交直流電氣量不解耦，其直流側波動將傳遞至交流側。此外，偽雙極接線的MMC-HVDC系統正負極輸電線路連接于同一換流站，正負極的換流站控制不獨立，因此本文提出的方法不適用于偽雙極接線的柔性直流輸電系統。

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