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模塊化多電平變流器（Modular Multilevel Converter,MMC）由于具有電壓、容量等級易于拓展、諧波含量低、開關頻率和運行損耗小等優(yōu)點，成為目前高壓大容量柔性直流輸電（Voltage Sourced Converter based High Voltage Direct Current,VSC-HVDC）換流站的主流選擇，備受學術界和工業(yè)界的關注。目前已投運的柔性直流輸電工程大多采用半橋式子模塊（Half Bridge Sub-Module,HBSM）結構，該結構拓撲簡單，經濟性良好，但不具備直流阻斷能力。

直流故障是柔性直流輸電系統(tǒng)較嚴重的故障類型之一。直流故障發(fā)生后，電網中各端換流站均向短路點注入故障電流，其直流線路的故障電流是各換流站故障電流分量的疊加，包含換流站數量越多，故障點電流的上升速率與幅值越大。

近年來國內外對于直流故障的研究，大多集中于保護與故障清除方面。在實際工程中，考慮到換流器檢測、通信、控制的延時，從故障發(fā)生到換流器閉鎖，通常有幾毫秒的延遲時間。該時段內，迅速增大的故障電流可能會對換流器中IGBT等關鍵部件造成永久性損壞。因此該時段內故障暫態(tài)電流的精確計算對MMC關鍵部件的選型以及故障保護方案的設計至關重要。

在故障發(fā)生后至換流器閉鎖之前，故障電流分為子模塊電容放電電流和交流系統(tǒng)注入電流兩部分，其中電容放電電流為主要部分。對于該時段內故障電流計算，國內外已有部分文獻進行了研究，但對該問題的研究還不夠深入。

中國科學院電工研究所、中國科學院應用超導重點實驗室、中國科學院大學的研究人員，將子模塊電容放電和交流電流注入兩個方面的暫態(tài)特性進行有機的結合，提出了一種MMC直流故障過電流的精確計算方法，可同時計算橋臂故障電流與直流側故障電流。

研究人員結合狀態(tài)方程數值解法，計算得到直流故障下故障電流的數值解，探究故障時可能出現的最大和最小故障過電流，并將此結果與電磁暫態(tài)仿真結果進行對比驗證，證明該方法的精確性。最后，將該方法與以上兩種傳統(tǒng)計算方法進行全面的比較，進一步驗證了方法的有效性。

圖1 α=0°時兩種方法下的橋臂電流計算結果及仿真值

圖2 α=0°時兩種方法下的直流電流計算結果及仿真值

研究人員最后得出以下結論：

1）橋臂電壓對時間的微分項由電容項與子模塊投入函數項組成。其中，電容項表示均壓策略下橋臂子模塊對外的串聯(lián)等效電容；而子模塊投入函數項則表示實時投入的子模塊數量變化引起的橋臂電壓變化。

2）故障時刻換流器交流系統(tǒng)相電壓相角對橋臂故障電流初始值及其發(fā)展有顯著影響。橋臂電流峰值將隨相角的改變而變化，在特定的相角下有最大值。而對于直流側故障電流，故障時刻相角的影響很小、可忽略不計，不同故障時刻直流側故障電流特性近似相同。

3）在換流器閉鎖延遲時間相對較長的情況下，交流系統(tǒng)注入電流與子模塊投入函數項對故障電流的計算有顯著影響，不可忽略。故障電流的計算應同時考慮交流系統(tǒng)注入電流與子模塊投入函數項兩個因素。

4）基于本故障電流計算方法，可大幅提高暫態(tài)故障電流計算的精確度。該方法可為MMC關鍵部件的選型提供一定的參考，并為直流短路故障保護方案的設計提供一定的依據。

以上研究成果發(fā)表在2021年第7期《電工技術學報》，論文標題為“模塊化多電平換流器直流故障過電流精確計算與分析”，作者為蔡洋、郭文勇、趙闖、桑文舉。