模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter,MMC）因制造難度低、擴(kuò)展性強(qiáng)、損耗小和故障處理能力強(qiáng)等因素被廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電（Voltage Source Converter-High Voltage DC,VSC-HVDC）系統(tǒng)。

由于早期的換流器容量較小，多應(yīng)用于跨海輸電或是因?yàn)檩旊娮呃仁艿絿?yán)格限制的地區(qū)，VSC-HVDC大多采用故障率低的電纜，隨著斷路器和具有自清除能力換流器的發(fā)展，將MMC-HVDC擴(kuò)展應(yīng)用到架空輸電線路是我國(guó)能源資源優(yōu)化、防止換相失敗的客觀要求[2]，如張北±500kV柔直工程即采用架空輸電線路。

輸電線路作為覆蓋面積最大且工作條件最?lèi)毫拥脑?，其故障發(fā)生率是電力系統(tǒng)所有設(shè)備中最高的。線路故障具有單相（極）、瞬時(shí)性的特點(diǎn)，線路故障切除后經(jīng)固定時(shí)限重合成功的概率為60%～90%，電壓等級(jí)越高，重合成功率越高，因此，重合/重啟技術(shù)是提高以架空線為主的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電連續(xù)性的有效措施。

自動(dòng)重合閘在交流線路中被廣泛采用，單相自動(dòng)重合閘進(jìn)行單跳單合，具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。但是也給電力系統(tǒng)帶來(lái)一些負(fù)面的影響，主要表現(xiàn)為當(dāng)自動(dòng)重合閘重合于永久性故障時(shí)，會(huì)使電力系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)遭受兩次故障沖擊，造成重合后電力系統(tǒng)搖擺幅度增大，降低斷路器等電氣設(shè)備絕緣，減少其使用壽命。

為了優(yōu)化自動(dòng)重合閘的性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列基于永久性故障判別的自適應(yīng)重合理論。與交流系統(tǒng)相比，全控性電力電子器件過(guò)電流能力弱，MMC-HVDC系統(tǒng)承受故障沖擊能力較差，直流系統(tǒng)的重合/重啟應(yīng)盡量避免二次沖擊等危害，如何實(shí)現(xiàn)故障性質(zhì)和重合時(shí)間的自適應(yīng)判別是MMC-HVDC系統(tǒng)重合/重啟技術(shù)的關(guān)鍵所在。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者也提出了許多直流輸電系統(tǒng)的重合/重啟方法。文獻(xiàn)[7]提出基于直流電壓建立與否判斷故障是否存在的方法，這種方法在重合于永久性故障時(shí)避免了電容放電，有效地降低了二次過(guò)電流的上升速度，但不能有效識(shí)別出直流線路高阻故障；文獻(xiàn)[12]利用線路極間耦合特性提出了接地極故障的測(cè)距方法，該方法需要附加脈沖發(fā)射裝置。

文獻(xiàn)[13]以直流故障后正負(fù)極電壓之差是否為零來(lái)識(shí)別永久性故障，該方法在經(jīng)過(guò)渡電阻接地時(shí)存在靈敏度低和整定困難的問(wèn)題；文獻(xiàn)[14]根據(jù)換流站閉鎖后在故障存在與消失兩種狀態(tài)下線路電流的幅值差異，進(jìn)行故障性質(zhì)的判斷，但該方法僅適用于兩端輸電系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[15]將直流輸電運(yùn)行工況和運(yùn)行功率點(diǎn)引入到直流線路故障重啟策略中，減少直流功率波動(dòng)來(lái)避免雙極閉鎖，該方法需要控制系統(tǒng)與保護(hù)的配合，仍存在重啟于永久性故障的問(wèn)題；文獻(xiàn)[16]提出了基于主動(dòng)式脈沖的直流線路單極接地故障測(cè)距方法，該方法可用于識(shí)別直流線路故障性質(zhì)，但脈沖檢測(cè)對(duì)采樣頻率要求較高（200kHz）。

交流線路自適應(yīng)重合閘利用健全相和跳開(kāi)相之間的耦合關(guān)系進(jìn)行永久性故障性質(zhì)判別，而直流線路故障清除后，健全極與故障極電氣量保持恒定。本文借鑒交流系統(tǒng)的耦合思想，對(duì)直流故障線路施加擾動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障性質(zhì)判別。

本文提出一種利用全橋MMC（Full Bridge based MMC, FB-MMC）控制特性和行波耦合原理注入特征信號(hào)的直流線路故障性質(zhì)判別方法。本文首先介紹高壓直流輸電線路極間耦合特性，通過(guò)設(shè)計(jì)附加控制策略實(shí)現(xiàn)健全極換流器向直流線路注入特征信號(hào)，由于極間線路存在耦合，故障線路將感應(yīng)對(duì)應(yīng)的特征信號(hào)；其次給出了特征信號(hào)的選取原則，利用特征信號(hào)在故障存在和消失時(shí)的傳播特性差異實(shí)現(xiàn)故障性質(zhì)判別方法；最后利用PSCAD/EMTDC驗(yàn)證本文方法的有效性。

圖8 真雙極接線的柔性直流輸電系統(tǒng)

結(jié)論

本文提出了一種在無(wú)斷路器情況下基于FB-MMC控制特性與傳輸線耦合特性的特征信號(hào)注入法，實(shí)現(xiàn)直流線路故障性質(zhì)判別。

本文首先闡述了FB-MMC的拓?fù)浼捌淇刂圃?，通過(guò)設(shè)計(jì)附加控制策略實(shí)現(xiàn)特征信號(hào)的注入，并給出了注入特征信號(hào)的幅值和頻率選取原則；其次利用行波在故障線路故障消失與故障存在兩種狀態(tài)傳播特性的差異識(shí)別故障的性質(zhì)；最后提出真雙極柔性直流輸電系統(tǒng)快速重啟方案，該方案實(shí)現(xiàn)了快速熄弧的瞬時(shí)性故障快速重合、緩慢熄弧的故障慢速重合、永久性故障不予重合，減少了對(duì)換流設(shè)備的沖擊。

本文的方法也適用于真雙極接線的半橋子模塊或混合子模塊MMC柔性直流系統(tǒng)。但是半橋MMC交直流電氣量不解耦，其直流側(cè)波動(dòng)將傳遞至交流側(cè)。此外，偽雙極接線的MMC-HVDC系統(tǒng)正負(fù)極輸電線路連接于同一換流站，正負(fù)極的換流站控制不獨(dú)立，因此本文提出的方法不適用于偽雙極接線的柔性直流輸電系統(tǒng)。

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