- 頭條MMC-UPFC單相接地故障下運行特性分析及整體保護策略設計2020-01-06 作者：陳勇、曹偉煒、柏彬、王瑩、龔輝 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語國網江蘇省電力有限公司經濟技術研究院、中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司的研究人員陳勇、曹偉煒、柏彬、王瑩、龔輝，在《電工技術學報》2019年第3期上撰文指出，基于模塊化多電平換流器的統一潮流控制器（MMC-UPFC）是目前最全面的柔性交流輸電系統（FACTS）設備，具有廣闊的研究前景。但當線路發生接地或短路故障時，MMC-UPFC串聯變換器可能承受過電壓和短路電流的沖擊而導致燒毀。 結合國內外研究現狀，為彌補研究空白，該文首先介紹了MMC-UPFC的基本結構，針對交流系統故障，通過分析MMC-UPFC裝置在交流母線上發生單相接地故障情況下的運行狀態，分析其故障特性，提出定義比例參數k，并合理選擇k的值，可以使故障接地電流為0，并能保持故障線路的持續運行。 針對站內故障，根據MMC-UPFC本身的拓撲結構特點及并聯側、串聯側不同的交流側結構，提出將并聯側及串聯側分區進行保護，設計了裝置的整體保護配置方案，并研究了與交流系統上其他保護的配合運行，為實際工程提供參考。然后，結合PSCAD軟件搭建模型進行仿真分析。最后，以220 kV南京西環網UPFC項目中人工短路實驗進行分析，驗證所提故障運行特性和保護配置方案的合理性和可行性。
統一潮流控制器（Unified Power Flow Controller,UPFC）是第3代柔性直流輸電裝置的典型代表，性能優越，有著強大的潮流調節能力。隨著電力需求的不斷提高和新能源的普遍接入，柔性直流輸電成為實現各種能源交互流動、實現不同區域電網的分區互聯、降低電網擾動、提高區域間的傳送功率等問題的有效手段。UPFC含有兩個電壓型變流器，可采用模塊化多電平的拓撲結構。
模塊化多電平（Modular Multi-level Converter, MMC）因其模塊化的結構適應了直流輸電中高電壓等級的要求以及模塊化設計提高系統冗余度等特點，且具有動態響應快速、不存在換相失敗風險、能獨立控制有功和無功功率等優點。因此，基于模塊化多電平技術的UPFC（簡稱MMC-UPFC）具有更廣闊的應用前景。
目前國內外針對MMC的研究大多集中在拓撲結構、數學模型、控制器設計、工程實際應用等方面。文獻[7-9]針對聯接變壓器繞組的不同接線方式，分析其不同故障特性以及對系統運行的影響，但并未涉及UPFC裝置。文獻[10]重點關注了MMC-UPFC在閥側短引線單相接地故障情況的故障特性，并沒有提出保護配置方案設計。
文獻[11-13]針對MMC-HVDC的幾種故障類型，設計了具體的主后背保護配置，為MMC-UPFC裝置的保護方案設計提供了參考依據。文獻[14]提出了優化的閥側短引線差動保護以及串聯變壓器差動保護，但缺少實驗支撐，難以驗證其可行性。
我國長距離輸電線路眾多，電網結構相對薄弱，但現有的研究忽視了當在交流線路上發生接地或短路故障時，MMC-UPFC串聯變換器可能承受過電壓和短路電流的沖擊而導致燒毀，因此相關的研究工作亟待展開。
結合國內外研究現狀，為彌補MMC-UPFC故障特性分析及保護配置方案設計在實際工程應用中的空白，本文對此展開研究。首先介紹了MMC-UPFC的基本結構；因單相接地故障是交流線路上發生概率最高的故障，因此本文針對MMC-UPFC裝置在交流母線上發生單相接地故障情況下的運行狀態，分析其故障特性。
本文提出定義比例參數k，并合理選擇k的值，可以使得故障接地電流為0，此時仍能保持故障線路的持續運行，保持輸電線路上功率的傳輸，保證電網的可靠運行。在此基礎上，根據MMC-UPFC本身的拓撲結構特點及并聯側、串聯側不同的交流側結構，提出將并聯側及串聯側分區進行保護，并設計了裝置的整體保護配置方案，為實際工程提供參考。然后，結合PSCAD軟件搭建模型進行仿真分析，以220kV南京西環網UPFC項目中人工短路實驗進行具體分析，驗證所提方案的合理性和可行性。
圖1 MMC-UPFC拓撲結構
圖19 220 kV南京西環網MMC-UPFC人工短路實驗示意圖
圖20 人工短路故障實驗現場
結論
本文研究了MMC-UPFC在線路發生單相接地故障的情況下的運行特性，并設計了MMC-UPFC裝置的整體保護配置方案，最后以220 kV南京西環網MMC-UPFC項目中人工短路實驗進行驗證，得到以下結論：
1）針對交流系統故障，當交流母線上發生單相接地故障，通過調節MMC-UPFC裝置向線路提供串聯電壓，定義比例參數k，并合理選擇k的值，可以使得故障接地電流為0，故障電流的正序分量為0，但此時故障線路上仍有正序電流（線路潮流），能保持故障線路的持續運行和輸電線路上功率的傳輸，保證電網的可靠性運行。
2）針對站內故障，本文針對MMC-UPFC本身裝置的特性及并聯側、串聯側不同的交流側結構，提出將并聯側及串聯側分區進行保護，設計了裝置的整體保護配置方案，并研究了與交流系統上其他保護的配合運行，為實際工程提供參考。
3）南京西環網UPFC人工單相接地短路實驗結果表明MMC-UPFC裝置能按預定策略退出并恢復運行，故障過程中系統保護、MMC-UPFC控制保護均動作正確，設備經檢查完好無異常。經實驗驗證了所提故障運行特性和保護配置方案的合理性和可行性。
