关于模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护的设计分析

关于模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护的设计分析摘要：本文立足于柔性直流输电的发展概况，简略阐述了本文的研究背景，介绍了MMC基本原理，并从阀组电流保护以及阀组过电压保护两方面内容着手，对模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护设计方案进行了详细分析，旨在为相关研究人员提供参考。

关键词：模块化、柔性直流输电、阀组本体保护引言：对于柔性直流输电系统来说，换流器阀组是其中至关重要的设备之一，但其在实际运行的过程中不可避免地会呈现出各种故障，所以应当采取良好的本体保护设计方案，但结合当前的实践应用来看，其在优化设计中还面临着一定的不利因素，基于此，有必要对其展开更加深层次的探索。

一、研究背景柔性直流输电在当前是众多研究人员所关注的重点和热点内容，其作为一种新型的直流输电技术在一定程度上丰富了行业的技术成果，其在应用的过程中最主要的特点便是通过采用基于全控型器件的脉宽调制技术以及电压源换流器进行直流输电。

早在上个世纪七十年代便有专家成功地在直流输电领域实现了对于全控型器件的引入，并率先完成了对于柔性直流输电技术在工程中的应用[1]。

美国TRANSBAY工程于2010年11月份正式投入运行，该工程也是全世界范围内第一个基于模块化多电平换流器拓扑的柔性直流输电工程。

而在我国范围内最先建成的便是于2011年7月正式投入运行的上海南汇柔性直流输电工程。

该柔性直流输电示范工程的成功运行为我国对于该领域的研究奠定了坚实的基础，使得我国范围内开始出现更多的科研单位及科研人员都积极投入到研究柔性直流输电技术的行列中。

结合目前来看，业内对于柔性直流输电技术进行研究所得到的成果主要包括以下几种方法，分别为动态物理模拟仿真、实时仿真、离线仿真以及相关理论分析等等[2]。

物理模拟系统本身的物理特性和原型具有一定的一致性，在模型中，其所涉及到的功率、电压以及电流等物理量相对值产生的变化过程基本上能够符合原型系统中这些物理量相对值的变化的过程[3]。

与此同时，在理论分析或者是离线仿真两方面，常常会出现忽略电磁特性的问题，而动态模拟的应用可以实现对其更加真实和完整的反映，由此可见，通过动态物理模拟仿真能够将实际系统中具体的运行特性充分展现出来[4]。

我国南京南瑞继保电气有限公司基于MMC拓扑构建起了相应的柔性直流输电动态模拟系统，该系统的形成是立足于实际工程，开展对于各种故障以及直流系统、直流电缆、换流阀以及交流系统等的等效模拟工作，通过该模拟系统与高速阀控系统以及柔性直流控制保护系统之间的组合便能够形成纯物理的闭环测试系统，在此基础上进行试验。

最终研究成果表明，其在动态特性方面基本上可以同工程现场相一致，能够实现对于具体工程开展过程中各类工况的高质量模拟，并可以呈现出较高的等效性，继而助力后续更好地开展柔性直流输电系统的设计工作[5]。

二、MMC基本原理（一）拓扑结构结合实际情况进行分析，本文所阐述的模块化多电平换流器所具有的拓扑结构如图1所示。

图1拓扑结构图该拓扑结构的主要组成包括三相6桥臂，对于每一个桥臂来说，其都包含着一个电抗器Ls 和Nsm个子模块串联[6]。

而每一个子模块SM的构成则涉及到H半桥并联一个电容C。

由于子模块IGBT本身所具有的开关状态存在一定的差异性，所以可以对子模块SM的基本工作状态进行详细划分，分别包括以下三种，如表1所示。

表1子模块SM基本工作状态模式T1T2状态说明1关断关断闭锁启动或故障时使用2导通关断投入子模块输出电压Uc0 3关断导通切除子模块输出电压为0（二）数学模型通过分析拓扑机构图能够知道，ipm 和inm所代表的分别为m(m=a,b,c)相上的上桥臂以及下桥臂的实际电流，将二者相加便可以得出m向的相电流im。

公式如下：采用基尔霍夫电压定律对m相上下桥臂进行计算主要可以获取下述两个电压方程。

上述公式中Udc 代表的是极间直流电压，而则指的是m相交流电压。

u是指直流侧虚拟中性点O点对地的电位。

Ltr则代表了换流变压器的漏感值。

将上述两个公式相加再除以2便可以获得下述公式。

若是满足以下条件，即：便可以将上述公式以三相形式展现出来，具体如下：结合上述公式能够明确，在MMC数学模型中包含着电网电压的扰动性，与此同时，其在d轴和q轴电流分量之间有着一定的耦合。

三、模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护设计方案（一）阀组电流保护从实际情况来看，可以将电流保护的要求划分成以下几种类型。

在面临不经电抗器的直接短路故障时，由于该故障存在着相对较大的电流，并且有着极快的上升速度，所以需要第一时间将故障电流切断[7]。

若是存在经过电抗器内部或者近端区外电流型故障，当出现该故障的时候，相关工作人员应当在特定的时间范围内及时对其进行妥善处理。

面临电流型故障，工作人员应当确保其具有良好的灵敏度。

此外，若是面对具有临时性的交流区外故障，工作人员应当保障换流器能够得到正常平稳的运行。

本文主要是开展了对于电流保护功能的设计工作，其构成主要包括柔性直流控制保护系统、阀控系统以及子模块几方面，唯有保障其高效配合，才能够真正为阀组本体的安全性提供全面的保护[8]。

其一便是瞬时过电流保护，该部分功能可以有效解决直接短路对其所造成的负面影响，以此同时其面临着较高的实时性要求，能够达到瞬时闭锁阀门以及对故障电流进行关断的效果[9]。

其二便是快速过电流保护，其主要是可以高效解决流经电抗器的短路电流所造成的危害，在短延时的过电流检测信号的基础上实现对于阀组的瞬间闭锁[10]。

其三则是直流侧短路保护，当面对直流侧短路问题的时候，快速过电流保护的应用仅仅可以起到阻断电容放电电流的作用，并不能够直接将交流系统所产生的故障电流切断。

所以需要有专门针对这一问题的直流侧短路保护工作，一旦其在检测过程中发现直流侧短路，便会形成保护晶闸管的命令，使得晶闸管在故障电流存续的过程中对主要的故障电流进行承担，这样一来便能够达到对于IGBT模块进行保护的效果，与此同时还会在跳开交流开关的基础上将相应的故障电流彻底切除[11]。

在常规电流与保护方面，其主要是利用差动以及延时过电流对阀组区内部所存在的故障或者是过负荷和过电流故障展开检测工作，并保障其检测的灵敏性和有效性。

（二）阀组过电压保护在MMC过电压保护方面，工作人员应当对阀组过电压保护以及子模块过电压保护进行全面综合的分析。

对于子模块过电压保护来说，其旨在最大限度降低电压的基础上对模块旁路功能进行启动，尽可能消除其对于系统正常运行所造成的负面影响[12]。

而阀组过电压保护则可以在现有的基础上，尽量提升阀组对于过电压的抵抗效果。

基于此，笔者系统性和针对性地提出了相应的过电压判据，以免当系统处在过电压状态下的时候出现误旁路子模块的问题。

该判据主要是对电容电压的异常检测和处理进行几个门限的有效划分。

分别为额定电容压Vnorm、过电压报警门限Va 以及过电压旁路门限Vp。

上述三方面的关系为Vnorm＜Va＜Vp。

若是系统出现过电压，并且对子模块电容电压产生严重的负面影响，此时受到阀控系统本身所具有的电容电压平衡功能的影响，子模块之间的电容电压本身并不存在过大的差异性，若是子模块的电容电压同Va相近，便会产生诸多子模块产生过电压报警现象[13]。

四、结论综上所述，当前我国在柔性直流输电方面所进行的研究仍处在初级阶段，与此同时，其在应用的过程中还面临着多方面影响因素，强化开展对于换流器阀组本体保护的研究能够助力该领域的进一步发展。

因此，相关工作人员应当综合考虑各方面影响因素，在实践过程中总结经验教训，并对其展开科学合理的调整工作，为其未来的高质量应用创造良好的条件。

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