- 頭條合肥工業大學茆美琴教授團隊提出高壓直流電網接地優化的新方法2022-06-27 作者：茆美琴、程德健 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語對于采用架空線的基于模塊化多電平換流器的高壓直流（MMC-HVDC）電網，直流側接地短路故障發生率高，嚴重危害電網安全。在各類影響因素中，接地方式對故障電流演化影響明顯。教育部光伏系統工程研究中心（合肥工業大學）的研究人員茆美琴、程德健、袁敏、陸輝、施永，在2022年第3期《電工技術學報》上撰文，從系統的宏觀能量轉移與耗散的角度提出了基于暫態能量流（TEF）分析的接地參數優化方法，對接地電阻、電抗參數及接地點位置等因素對MMC-HVDC電網直流短路故障電流的演化影響進行了分析。研究結果表明該參數優化方法能有效地指導接地參數的設計，抑制直流故障電流和健全極過電壓。
模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）自21世紀初問世以來，以其低損耗、波形質量高、制造難度低和階躍電壓低等明顯優勢在近年來獲得快速發展。預計其在新能源并網方面具有良好的應用前景，有望成為未來構建高壓直流（High Voltage Direct Current, HVDC）電網的關鍵技術。
其中，采用半橋子模塊（Half Bridge Sub Module, HBSM）的基于模塊化多電平變換器的高壓直流（MMC-HVDC）電網以其成本優勢成為目前應用的主流，如典型應用案例張北示范工程。然而，這種子模塊拓撲下的換流器不具備故障自清除能力，因此必須依靠其他保護設備——直流斷路器（DC Circuit Breakers, DCCB），切斷故障線路實現故障清除與恢復。
依據現有的HVDC電網結構，主要分為對稱單極接線與雙極接線兩種形式。其接地方式可分為交流側接地和直流側接地兩種類型。交流側接地包括聯接變壓器閥側經星形連接電抗器串聯電阻接地，聯接變壓器中性點串電阻或大電抗接地，主要用于對稱單極系統；直流側接地包括中性點經鉗位電容或電阻接地，主要用于雙極結構。
現有相關文獻對不同接地方式下的故障機理進行了充分分析。但主要針對稱單極接線方式、單極對地故障（Pole-to-Ground Short Circuit Fault, PTGF）對系統性能做了多方面的分析。與單極接線方式系統不同，雙極HVDC電網，由于接線形式的差異，通常采用直流側中性點直接接地，或經金屬回線接電阻或電抗接地。
相比單極電網，雙極電網可以提高可靠性并減少單極大地大負荷運行時對環境的影響，如張北工程即采用金屬回線接15Ω電阻接地。有關文獻充分分析論證了合適的接地方式在雙極MMC-HVDC電網中的重要作用，但多停留在機理分析階段，多關于金屬回線問題，電網系統內接地阻抗、接地地點的具體設置的優化方面鮮有涉及。因此分析接地位置對MMC-HVDC電網PTGF的影響，并對其規劃提出合理性建議具有重要的意義。
直流側短路故障打破了原有的系統能量平衡狀態，使得系統電容和電感之間存在大量的能量交換，并伴隨著電流和電壓的劇烈變化。因此，如果能夠從抑制元件或支路注入/吸收的電磁暫態能量出發，分析接地方式及參數對MMC-HVDC電網故障電流時空演化的規律，則更能把握問題的本質。
為此，教育部光伏系統工程研究中心（合肥工業大學）的茆美琴教授團隊提出了暫態能量流（Transient Energy Flow, TEF）的分析指標，并基于TEF分析了直流側PTGF條件下，接地方式對直流故障演化的影響。
相對于傳統的以故障電流為主的分析方法，TEF具有以下幾個優點：①TEF可由暫態功率計算得到。因此，在對短路故障進行優化分析時，相較于故障電流和電壓，TEF能夠從能量的角度統一、綜合地反映電壓和電流故障特征的時空分布演化。這樣，可以將不同因素對故障電流演化的影響采用統一的指標來進行量化評價。②TEF是功率在一段時間內的積分，反映了故障電流、電壓的持續作用產生的累積影響。這種累積影響在實際工程中一直被關注，例如在對斷路器進行設計時，不僅需要滿足故障電流峰值的要求，還要滿足所提供的總能量的要求。
圖1 四端MMC-HVDC電網
研究團隊針對半橋子模塊型的MMC-HVDC電網，詳細分析了變換器交流側注入、子模塊電容及相鄰線路三部分的TEF抑制率與抑制效率，并基于此形成對應的TEF綜合目標函數，以接地點及接地阻抗參數為優化變量，同時考慮故障位置與中性線電抗的影響，從而構建完整的優化模型。
圖2 優化結果對比
科研人員通過建立四端雙極MMC-HVDC電網PTGF的PSCAD/EMTDC模型，對所提出的模型的有效性進行了驗證，并得出如下結論：
1）基于暫態能量流抑制率和抑制效率的接地優化計算表明，最優接地配置與網架結構密切相關。在暫態能量流的抑制效果上，接地電感要優于接地電阻，但與此同時接地電感會引起嚴重的健全極過電壓；接地位置位于功率接受端對故障電流的抑制效果要優于接地位置位于功率輸送端時的限流效果。因此，綜合考量本研究的優化結果為在換流站4采用30Ω電阻接地。
2）若同時考慮故障點位置的影響，并將中性線電抗增加為優化對象，從TEF抑制效果上看，電抗越大越好，而受制于控制性能的要求，300mH中性線電抗被認為是較好的選擇。
3）需要注意的是，本研究針對四端雙極MMC-HVDC電網的接地方式優化結果，是綜合考慮接地點、接地電抗、接地電阻和中性線電抗，以及兼顧故障電流和健全極電壓兩個方面約束得到的優化方案，對工程實際的接地設置具有一定的參考價值。如果相應的條件改變或網架結構及其他參數的改變，所得變量具體優化值亦可能改變。但本研究提出的優化建模方法具有通用性，只需根據故障線路的并聯數適當修改目標函數即可推廣至復雜MMC-HVDC電網接地方式的優化。
本文編自2022年第3期《電工技術學報》，論文標題為“基于暫態能量流的模塊化多電平高壓直流電網接地優化配置”，作者為茆美琴、程德健 等。
