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統(tǒng)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(yōu)越，有著強大的潮流調(diào)節(jié)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(xiàn)各種能源交互流動、實現(xiàn)不同區(qū)域電網(wǎng)的分區(qū)互聯(lián)、降低電網(wǎng)擾動、提高區(qū)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(jié)構(gòu)。

模塊化多電平（Modular Multi-level Converter, MMC）因其模塊化的結(jié)構(gòu)適應(yīng)了直流輸電中高電壓等級的要求以及模塊化設(shè)計提高系統(tǒng)冗余度等特點，且具有動態(tài)響應(yīng)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(yōu)點。因此，基于模塊化多電平技術(shù)的UPFC（簡稱MMC-UPFC）具有更廣闊的應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)外針對MMC的研究大多集中在拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)學模型、控制器設(shè)計、工程實際應(yīng)用等方面。文獻[7-9]針對聯(lián)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(tǒng)運行的影響，但并未涉及UPFC裝置。文獻[10]重點關(guān)注了MMC-UPFC在閥側(cè)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(shè)計。

文獻[11-13]針對MMC-HVDC的幾種故障類型，設(shè)計了具體的主后背保護配置，為MMC-UPFC裝置的保護方案設(shè)計提供了參考依據(jù)。文獻[14]提出了優(yōu)化的閥側(cè)短引線差動保護以及串聯(lián)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(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，但現(xiàn)有的研究忽視了當在交流線路上發(fā)生接地或短路故障時，MMC-UPFC串聯(lián)變換器可能承受過電壓和短路電流的沖擊而導(dǎo)致燒毀，因此相關(guān)的研究工作亟待展開。

結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，為彌補MMC-UPFC故障特性分析及保護配置方案設(shè)計在實際工程應(yīng)用中的空白，本文對此展開研究。首先介紹了MMC-UPFC的基本結(jié)構(gòu)；因單相接地故障是交流線路上發(fā)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(fā)生單相接地故障情況下的運行狀態(tài)，分析其故障特性。

本文提出定義比例參數(shù)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(xù)運行，保持輸電線路上功率的傳輸，保證電網(wǎng)的可靠運行。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)MMC-UPFC本身的拓撲結(jié)構(gòu)特點及并聯(lián)側(cè)、串聯(lián)側(cè)不同的交流側(cè)結(jié)構(gòu)，提出將并聯(lián)側(cè)及串聯(lián)側(cè)分區(qū)進行保護，并設(shè)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(jié)合PSCAD軟件搭建模型進行仿真分析，以220kV南京西環(huán)網(wǎng)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(jié)構(gòu)

圖19 220 kV南京西環(huán)網(wǎng)MMC-UPFC人工短路實驗示意圖

圖20 人工短路故障實驗現(xiàn)場

結(jié)論

本文研究了MMC-UPFC在線路發(fā)生單相接地故障的情況下的運行特性，并設(shè)計了MMC-UPFC裝置的整體保護配置方案，最后以220 kV南京西環(huán)網(wǎng)MMC-UPFC項目中人工短路實驗進行驗證，得到以下結(jié)論：

1）針對交流系統(tǒng)故障，當交流母線上發(fā)生單相接地故障，通過調(diào)節(jié)MMC-UPFC裝置向線路提供串聯(lián)電壓，定義比例參數(shù)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(xù)運行和輸電線路上功率的傳輸，保證電網(wǎng)的可靠性運行。

2）針對站內(nèi)故障，本文針對MMC-UPFC本身裝置的特性及并聯(lián)側(cè)、串聯(lián)側(cè)不同的交流側(cè)結(jié)構(gòu)，提出將并聯(lián)側(cè)及串聯(lián)側(cè)分區(qū)進行保護，設(shè)計了裝置的整體保護配置方案，并研究了與交流系統(tǒng)上其他保護的配合運行，為實際工程提供參考。

3）南京西環(huán)網(wǎng)UPFC人工單相接地短路實驗結(jié)果表明MMC-UPFC裝置能按預(yù)定策略退出并恢復(fù)運行，故障過程中系統(tǒng)保護、MMC-UPFC控制保護均動作正確，設(shè)備經(jīng)檢查完好無異常。經(jīng)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。