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摘要：现已投运的柔性直流输电工程传输功率小，交流系统短路故障下其贡献的短路电流相对于交流系统本身提供的短路电流微不足道，因而目前通常认为柔性直流输电系统不提供短路电流。本文主要分析交流系统短路故障下MMC对短路电流的影响及抑制策略
关键词：模块化多电平换流器；对称短路故障；非对称短路故障
引言
当近区交流电网发生无功电压调节需求时，如果MMC柔直换流站能够快速调节无功参与AVC，将有利于避免无功功率的长距离或多级传输，实现无功功率的分层分区和就地平衡，提高电网电压稳定运行水平和网源协调管理水平。因此，MMC柔直换流站的无功能力对于电力系统的无功区域优化和安全裕度控制显得尤为重要。
1、交流系统短路故障下MMC对交流断路器影响的场景分析
由于交流系统发生短路故障时，三相短路电流和单相短路电流都有可能超过断路器的额定开断电流。因而，本节将以交流系统发生三相短路故障和单相短路故障为例，分析MMC对交流断路器的影响。由交流系统短路比的定义可知，在直流输送功率和交流母线电压等级一定的情况下，交流系统的短路比和短路电流成正比关系。在短路容量较大的交流系统中，交流系统贡献的短路电流接近断路器的额定开断电流。结合附录B中的MMC-HVDC典型参数可知，此时交流系统为强交流系统，交流系统等值电势和PCC处的电压相位接近。假定交流系统在断路器1处的短路电流接近断路器的额定开断电流。（1）对于场景1：发生三相短路故障时，交流系统贡献的短路电流IAC流过断路器1而MMC贡献的交流短路电流IMMC流过断路器2，此时MMC一般不会造成系统整体的短路电流超过断路器1的额定开断电流；发生单相短路故障时，MMC会造成非故障相在断路器1处的短路电流增大，从而可能造成非故障相短路电流超过断路器1的额定开断电流。（2）对于场景2：发生三相短路故障时，交流系统贡献的短路电流IAC和MMC贡献的交流短路电流IMMC同向且都流过断路器1，此时MMC会造成系统整体的短路电流超过断路器1的额定开断电流；发生单相短路故障时，交流系统和MMC故障相的短路电流同向且都流过断路器1，从而造成故障相的短路电流超过断路器1的额定开断电流，同时MMC会造成非故障相在断路器2处的短路电流增大。
2、MMC交流母线短路故障下短路电流产生机理
2.1MMC贡献短路电流分析
当PCC处发生三相短路故障后，系统依然处于对称状态，MMC交流母线电压只存在正序基波电压（忽略谐波分量）。因此，利用单相基波等效电路来分析MMC贡献的abc三相稳态短路电流。当PCC处发生三相短路故障后，MMC输出有功功率Ps、无功功率Qs和交流母线电压Usm瞬间下降，直流电压Udc瞬间上升或下降，而指令值不变。因此，外环功率控制器输出的电流指令值i*vd和i*vq的绝对值会一直增加，但是由于限幅器的存在，最终达到|i*vd|=I*dmax和|i*vq|=I*qmax，其中I*dmax和I*qmax分别为外环功率控制器的d轴和q轴限幅器的上限值，且假设限幅器上、下限值绝对值相等。为保证换流阀不过载，在控制系统中设置内环电流限幅器，当电流指令值超过限值时，i*vd和i*vq同比例减小。
2.2MMC运行工况对短路电流的影响
当交流系统发生短路故障时，在MMC容量允许范围内，柔性直流输电系统可以为交流系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，从而提高所连接交流系统的功角稳定和电压稳定。
本文关注受端MMC发出有功功率和无功功率（即Ps≥0和Qs≥0），研究受端PCC处发生三相短路故障时，受端MMC的运行工况对MMC贡献的网侧稳态短路电流Immc′的影响。当受端MMC仅发出有功功率时，PCC处发生三相短路故障后，d轴电流ivd达到外环功率控制器的d轴限幅器的上限值I*dmax，q轴电流ivq=0。由于仅有ivd，故MMC贡献的短路电流Immc′与PCC电压Upcc同相；受端交流系统等值电势Us与Upcc基本同相（尤其是PCC附近的发电机），交流系统等值电势到PCC之间的等值电抗L远大于电阻R即阻抗角φk≈90°。因此，三相短路故障下交流系统对PCC的注入电流Is滞后PCC电压Upcc90°。可见，三相短路故障下MMC贡献的短路电流Immc′超前交流系统注入短路点的电流Is90°。由MMC-HVDC典型参数可知，MMC贡献的短路电流幅值约为交流系统贡献的短路电流幅值的1/10，通过矢量计算最终可以忽略幅值变化。当受端MMC仅发出无功功率时，PCC处发生三相短路故障后，ivq达到外环功率控制器的q轴限幅器的下限值-I*qmax，ivd=0。由于仅有ivq，故MMC贡献的短路电流Immc′滞后PCC电压Upcc90°；三相短路故障下交流系统对PCC的注入电流Is也滞后PCC电压Upcc90°。可见，三相短路故障下MMC贡献的短路电流Immc′与交流系统注入短路点的电流Is同相。此时，MMC会使故障点短路电流的幅值增大，且故障点短路电流为交流系统的注入电流与MMC贡献的短路电流的代数和。
3、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：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。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Usm和受端MMC注入交流系统的无功功率Qs，采用滞回控制对外环功率控制器q轴限幅器的限幅值I*qmax进行设定，从而对外环功率控制器输出的正序电流q轴指令值i+*vq进行限幅。
对于受端MMC注入交流系统的无功功率Qs（Qs≥0）：当Qs>0时，故障点的短路电流大于交流系统注入的短路电流；当Qs=0时，两者基本相等。因而，当MMC注入交流系统的无功功率Qs>0时，附加控制器需要限制短路电流。同时，当MMC交流母线电压Usm降低至设定值Ushrt以下时，设定I*qmax=I*qshrt，其中Ushrt和I*qshrt根据实际情况进行设置；当MMC交流母线电压Usm升高至设定值Urset以上时，设定I*qmax=I*qmax0，其中Urset和I*qmax0根据实际情况进行设置。
结束语
交流系统发生非对称短路故障时，由于MMC控制系统的作用，MMC阀侧和网侧负序电流为0；由于换流变压器一般采用Y0-△或Y0-Y接法，MMC阀侧零序电流为0，网侧零序电流由零序等效网络决定；MMC阀侧正序电流的大小由运行工况决定。受端MMC对短路电流的影响主要与MMC向交流系统注入的无功功率以及换流变压器零序阻抗的大小有关。
参考文献
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