第 12 期
茆书睿,等:交流系统短路故障下 MMC 对短路电流的影响及抑制策略
析 MMC 贡献的稳态短路电流。MMC 和换流变压器
的三序等效网络图见附录 C 中的图 C1。
在零序等效网络中,换流变压器采用 Y
0
-△接
法(其中换流变压器阀侧采用△接法)时△绕组中的
环流不会流到△绕组以外的线路上,或者采用 Y
0
-Y
接法(其中换流变压器阀侧采用 Y 接法)时 Y 绕组没
有零序通路,使得 PCC 处发生单相短路故障时 MMC
阀侧零序短路电流
I
mmc(0)
无通路,所以
I
mmc(0)
=0,而网
侧零序电流
I
′
mmc(0)
由短路点的零序电势
U
f (0)
和换流
变压器的零序阻抗 Z
T(0)
决定,即:
I
′
mmc(0)
=
U
f (0)
Z
T(0)
=
ì
í
î
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
U
f (0)
z
Ⅰ
+
z
Ⅱ
z
m0
z
Ⅱ
+ z
m0
+ 3z
n
Y
0
- △接法换流变压器
U
f (0)
z
Ⅰ
+ z
m0
+ 3z
n
Y
0
- Y接法换流变压器
(5)
其中,
z
Ⅰ
和
z
Ⅱ
分别为换流变压器一次侧和二次侧的
漏阻抗;z
m0
为零序励磁阻抗;z
n
为中性点阻抗(中性
点直接接地时 z
n
=0)。
在负序等效网络中,当 PCC 处发生单相短路故
障时,MMC 交流母线存在负序电压分量,此时如图
A2 所示的 MMC 控制器发挥作用,MMC 会提供与之
相对的反电势。在 MMC控制器中,内环电流控制器
的负序电流 d 轴和 q 轴指令值
i
-*
vd
和
i
-*
vq
一般直接取 0,
以消除阀侧负序电流。因而,MMC 的阀侧负序电流
I
mmc(2)
和网侧负序电流
I
′
mmc(2)
等于 0。
在正序等效网络中,考虑到交流电网电压不平
衡和畸变条件下的 MMC 控制器的瞬时功率计算是
基于正序基波分量进行的,即有:
p
+
s
=
3
2
u
ˉ
+
sd
-
i
+
vd
(6)
q
+
s
=-
3
2
u
ˉ
+
sd
-
i
+
vq
(7)
其中,
p
+
s
和
q
+
s
分别为由正序电压和正序电流构成的
MMC 交流母线注入系统的瞬时有功和无功功率;
u
ˉ
+
sd
为 abc 坐标系中 MMC 交流母线正序基波电压通过正
向旋转坐标变换至 dq 坐标系中的 d 轴直流分量;
-
i
+
vd
和
-
i
+
vq
分别为 abc 坐标系中 MMC 阀侧正序基波电流
通过正向旋转坐标变换至 dq 坐标系中的 d 轴和 q 轴
直流分量。且 MMC 阀侧负序和零序电流为 0,因而
正序电流 d 轴和 q 轴指令值
i
+*
vd
和
i
+*
vq
的确定方法与交
流电网电压平衡且无畸变条件下的 MMC 控制器中
外环功率控制器并无差别。
假设
I
*
dmax
=I
*
qmax
=1.2 p.u.
、
I
lim
=1.2 p.u.
,根据 MMC
不同运行工况,MMC 的正序等效网络中正序受控内
电势表现形式不同。当 MMC 阀侧正序电流 d 轴和 q
轴指令值
i
+*
vd
和
i
+*
vq
达到内、外环限幅器的限幅值时,
正序受控内电势表现为电流源特性,此时 MMC 阀侧
正序电流幅值
I
mmc(1)
如式(8)所示。
I
mmc(1)
= I
lim
(8)
正序电流相对于 PCC 故障前电压的相位
φ
(1)
如
式(9)所示。
φ
(1)
= arctan
( )
i
+*
vq
/i
+*
vd
(9)
当
i
+*
vd
和
i
+*
vq
未达到内、外环限幅器的限幅值时,
正序受控内电势表现为电压源特性。由式(6)和式
(7)可知,在故障达到稳态时有
-
i
+
vd
=
i
+*
vd
、
-
i
+
vq
=
i
+*
vq
,即:
i
+*
vd
=
2p
+
s
3u
ˉ
+
sd
(10)
i
+*
vq
= -
2q
+
s
3u
ˉ
+
sd
(11)
此时 MMC 阀侧正序电流幅值如式(12)所示。
I
mmc(1)
= (i
+*
vd
)
2
+(i
+*
vq
)
2
(12)
正序电流相对于 PCC 故障前电压的相位与式
(9)相同。在标幺值系统下,MMC 阀侧的正序电流
I
mmc(1)
和网侧的正序电流
I
′
mmc(1)
相等。
综合 MMC 三序等效网络分析可知,当 PCC 处发
生单相(a相)短路故障时,MMC 阀侧和网侧的 abc 三
相稳态短路电流分别如式(13)和式(14)所示。
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
I
mmca
I
mmcb
I
mmcc
=
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
1 1 1
a
2
a 1
a a
2
1
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
I
mmc(1)
0
0
(13)
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
I
′
mmca
I
′
mmcb
I
′
mmcc
=
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
1 1 1
a
2
a 1
a a
2
1
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
I
mmc(1)
0
I
′
mmc(0)
(14)
其中,
a = e
j120°
,
a
2
= e
j240°
。
4 抑制 MMC贡献短路电流的措施
为了限制受端 PCC 处发生短路故障时 MMC 贡
献的短路电流,常见的方法有 2类
[18]
:①闭锁受端换
流站,换流站闭锁对交流侧而言相当于开路,不会提
供短路电流,该方法的缺点在于换流站闭锁后的重
新启动过程比较繁琐,且无法在故障期间继续输送
有功功率;②当监测到交流系统短路故障后,对外环
功率控制器输出电流指令值进行限幅,或对内环电
流控制器输出电压指令值进行限幅,降低交流系统
发生短路故障时换流站输出的电压,从而减小换流
站贡献的短路电流。
考虑到本文研究的交流系统是强系统,一般不
会由于 PLL 失锁而闭锁换流站
[19]
。在 PLL 不失锁的
条件下,可通过在受端 MMC 的控制系统中增加附加
控制器,来限制对称短路和非对称短路故障电流。
附加控制器实时监测受端 PCC 电压 U
sm
和受端 MMC