本發(fā)明屬于多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)直流故障保護(hù)領(lǐng)域，更具體地，涉及多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)直流單極接地的故障穿越方法。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)家對(duì)能源可持續(xù)發(fā)展需求的不斷提升，我國(guó)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)將在今后幾十年內(nèi)逐步向以水電、核電、風(fēng)電、太陽能等多種新能源并存的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。發(fā)展大容量遠(yuǎn)距離先進(jìn)聯(lián)網(wǎng)和輸電技術(shù)將有助于可再生能源的跨區(qū)域、互補(bǔ)消納，同時(shí)可以為推進(jìn)大型能源基地向大型用電區(qū)域的輸電通道建設(shè)提供強(qiáng)大支撐。

在大容量遠(yuǎn)距離輸電需求下，高壓直流輸電HVDC(high-voltage direct-current)較高壓交流輸電在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)能夠通過控制電流反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)。因此，在構(gòu)建多端直流輸電系統(tǒng)或者直流電網(wǎng)時(shí)，柔性直流輸電相較于傳統(tǒng)直流輸電更具競(jìng)爭(zhēng)力。近年來，模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC換流器)由于其模塊化結(jié)構(gòu)、高運(yùn)行效率及強(qiáng)可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)顯示出了巨大的潛力，并且已在一些實(shí)際工程中得到應(yīng)用，如舟山五端直流工程。

然而，直流側(cè)故障保護(hù)，特別是雙極短路(最嚴(yán)重的直流故障)和單極接地(發(fā)生概率最高的直流故障)故障的保護(hù)，仍是目前多端柔性直流輸電系統(tǒng)的重大挑戰(zhàn)。近年來，針對(duì)雙極短路的故障保護(hù)，國(guó)內(nèi)外已涌現(xiàn)了大量?jī)?yōu)秀的研究成果。但是，針對(duì)多端柔性直流輸電系統(tǒng)的單極接地故障保護(hù)策略卻鮮有報(bào)道。

單極對(duì)地故障特性與MMC換流器的接地方式和主接線方案密切相關(guān)。一般來說，實(shí)際MMC工程中均采用高阻抗接地以及對(duì)稱單極接線方案(如：舟山直流工程、美國(guó)Tans Bay Cable直流工程等)。直流側(cè)單極接地故障會(huì)在健全直流母線和換流器交流側(cè)中性點(diǎn)引起很大的電壓應(yīng)力，這將嚴(yán)重?fù)p壞系統(tǒng)的絕緣性能。目前，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界處理單極接地故障主要有以下兩種思路：

1)實(shí)際的MMC工程都是基于半橋型子模塊。當(dāng)直流線路上發(fā)生單極接地故障時(shí)，均是通過閉鎖MMC換流器、斷開交流側(cè)斷路器來消除暫態(tài)過電壓。但是，這種做法將犧牲MMC的可控性且運(yùn)行可靠性不高，整個(gè)換流器在故障期間將退出運(yùn)行，只有等到故障消除之后才能恢復(fù)運(yùn)行。在單極接地故障發(fā)生頻率較高的架空輸電線應(yīng)用場(chǎng)合，該處理方式顯得十分被動(dòng)。

2)學(xué)術(shù)界提出一種基于混合型MMC(半橋與全橋子模塊混合)的單極接地故障穿越方法。通過將故障極的橋臂參考電壓中共模分量調(diào)整為零，同時(shí)引入上、下橋臂的電容電壓均衡控制，實(shí)現(xiàn)了MMC換流器在單極接地故障期間的單極運(yùn)行且能維持一半的額定功率傳輸。但是，此方法并不適用于多端直流輸電系統(tǒng)。因?yàn)樵诙喽酥绷鬏旊娤到y(tǒng)中，該方法構(gòu)建的故障期間的功率回路將會(huì)被直流側(cè)保護(hù)設(shè)備所阻斷。

綜上所述，上述兩種方案都無法有效實(shí)現(xiàn)多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)的直流單極接地故障保護(hù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)直流單極接地的故障穿越方法。旨在解決現(xiàn)有的故障穿越方法應(yīng)用于多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)中僅僅能消除暫態(tài)過電壓無法繼續(xù)維持在故障期間的功率傳輸?shù)募夹g(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)直流單極接地的故障穿越方法。多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)包括n個(gè)MMC換流器，2n條直流母線以及2n個(gè)機(jī)械直流隔離開關(guān)，MMC換流器包含A、B、C三相，每相包含上、下兩個(gè)橋臂，每個(gè)MMC換流器采用交流側(cè)低阻抗接地方式且具備負(fù)電平輸出能力，每個(gè)橋臂至少具備一半直流電壓以上的負(fù)電平輸出能力，2n條直流母線中的n條正直流母線呈輻射狀連接，2n條直流母線中的n條負(fù)直流母線呈輻射狀連接，每條直流母線均串聯(lián)有一個(gè)機(jī)械直流隔離開關(guān)；正常工作時(shí)，一個(gè)MMC換流器用于確定直流電壓，其余MMC換流器用于確定有功功率，其特征在于，包括：

(1)當(dāng)直流母線發(fā)生直流側(cè)單極接地故障時(shí)，同時(shí)執(zhí)行步驟(1A)、步驟(1B)、步驟(1C)和步驟(1D)：

(1A)調(diào)整各MMC換流器故障極橋臂參考電壓共模分量為零，各MMC換流器健全極橋臂參考電壓共模分量維持不變，調(diào)整所述用于確定直流電壓的MMC換流器的直流電壓指令為直流電壓額定值的一半；

(1B)調(diào)整所述用于確定有功功率的MMC換流器的有功功率指令為有功功率額定值的一半，用于確定有功功率的MMC換流器的無功功率指令維持不變；

(1C)在所述各MMC換流器故障極橋臂參考電壓上疊加第一附加參考電壓控制各MMC換流器故障極橋臂電流；

(1D)在所述各MMC換流器引入上橋臂參考電壓差模分量和下橋臂參考電壓差模分量之間的錯(cuò)相角；

(2)當(dāng)故障直流母線電流為零時(shí)，等待機(jī)械直流隔離開關(guān)的動(dòng)作后，恢復(fù)所述各MMC換流器故障極橋臂參考電壓共模分量至參考電壓共模分量額定值，恢復(fù)所述用于確定直流電壓的MMC換流器的直流電壓指令值至直流電壓額定值，等待預(yù)設(shè)的直流電壓恢復(fù)時(shí)間后，機(jī)械直流隔離開關(guān)再次動(dòng)作；

(3)判斷所述各MMC換流器所連接直流母線電流是否超過直流母線電流額定值，若是則進(jìn)入步驟(4)，否則順序執(zhí)行步驟(5)；

(4)判斷各MMC換流器所連接直流母線電流超過直流母線電流額定值次數(shù)是否大于各MMC換流器預(yù)設(shè)定過流次數(shù)，若是，則超過預(yù)設(shè)定過流次數(shù)的MMC換流器維持在當(dāng)前控制狀態(tài)，否則回到步驟(1)；

(5)同時(shí)執(zhí)行步驟(5A)和步驟(5B)：

(5A)恢復(fù)所述用于確定有功功率的MMC換流器的有功功率指令值至有功功率額定值；

(5B)保留所述各MMC換流器上橋臂參考電壓差模分量和下橋臂參考電壓差模分量之間的錯(cuò)相角；

若故障直流母線為正直流母線，則負(fù)直流母線為健全直流母線，所述各MMC換流器的故障極橋臂為上橋臂，所述各MMC換流器的健全極橋臂為下橋臂；若故障直流母線為負(fù)直流母線，則正直流母線為健全直流母線，所述各MMC換流器的故障極橋臂為下橋臂，所述各MMC換流器的健全極橋臂為上橋臂。

本發(fā)明提供的故障穿越方法是通過基于低阻抗接地且具備負(fù)電平輸出能力的MMC與機(jī)械直流隔離開關(guān)的協(xié)調(diào)配合來實(shí)現(xiàn)。故障期間，通過調(diào)整各MMC換流器橋臂參考電壓的共模分量，能夠在不犧牲換流器可控性的前提下消除故障暫態(tài)過電壓。同時(shí)，通過在故障及橋臂參考電壓上疊加第一附加參考電壓信號(hào)，控制故障極橋臂電流為零，使得機(jī)械直流隔離開關(guān)可以在零電流的條件下隔離直流故障，為機(jī)械直流隔離開關(guān)在多端柔性直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。更進(jìn)一步，故障期間，MMC換流器通過健全直流母線-交流側(cè)低阻抗接地極-大地形成回路，維持一半額定有功功率的傳輸。故障重啟速度快，提升了多端柔性直流輸電系統(tǒng)對(duì)直流側(cè)單極接地故障的主動(dòng)防御力。

優(yōu)選地，所述步驟(1)還同時(shí)執(zhí)行以下步驟：

(1E)在所述各MMC換流器健全極橋臂參考電壓上疊加第二附加參考電壓以降低各MMC換流器健全極橋臂電流變化速率。

健全極橋臂參考電壓上疊加第二附加參考電壓以阻尼MMC換流器在故障期間的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移，使暫態(tài)過程變得平滑無沖擊。

優(yōu)選地，所述步驟(5)中還同時(shí)執(zhí)行以下步驟：

(5C)在所述各MMC換流器健全極橋臂參考電壓上疊加第三附加參考電壓以確定故障恢復(fù)階段可能出現(xiàn)的不平衡工作點(diǎn)；

(5D)在所述各MMC換流器故障極橋臂參考電壓上疊加第四附加參考電壓以降低各MMC換流器故障極橋臂電流變化速率。

故障極極橋臂參考電壓上疊加第四附加參考電壓以阻尼MMC換流器在故障期間的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移，使暫態(tài)過程變得平滑無沖擊。

優(yōu)選地，步驟(1E)中，通過阻尼控制器輸出第二附加參考電壓v_zp1并疊加至各MMC換流器健全極橋臂參考電壓上，以降低各MMC換流器健全極橋臂電流變化速率；

其中，第二附加參考電壓v_zp1＝(i_{dc_p}-i_{dc_rated})K₁，K₁表示阻尼控制器的比例參數(shù)，i_{dc_p}為健全直流母線電流，i_{dc_rated}為額定直流母線電流參考值，規(guī)定流向MMC換流器側(cè)為正方向，K₁>0。

優(yōu)選地，所述步驟(5D)中，通過阻尼控制器輸出第四附加參考電壓v_zn2并疊加至各MMC換流器故障極橋臂參考電壓上，以降低各MMC換流器故障極橋臂電流變化速率；

其中，第四附加參考電壓K₂表示阻尼控制器的比例參數(shù)，i_{dc_n}為故障直流母線電流，為故障直流母線電流的參考值，P表示MMC換流器交流側(cè)傳輸功率，V_dc為額定直流電壓，規(guī)定交流側(cè)傳輸?shù)挠泄β室詮腗MC換流器流出為正方向，K₂>0。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中包括以下步驟：

(21)所述各機(jī)械直流隔離開關(guān)持續(xù)檢測(cè)所在位置的直流母線電氣量，根據(jù)所檢測(cè)的電氣量判斷是否發(fā)生了直流側(cè)單極接地故障，是則順序執(zhí)行步驟(22)；否則繼續(xù)檢測(cè)；

(22)各機(jī)械直流隔離開關(guān)根據(jù)所檢測(cè)到電氣量定位發(fā)生直流單極接地故障的線路，并根據(jù)發(fā)生直流單極接地故障的線路確定應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)；

(23)檢測(cè)到故障直流母線電流為零后，所述應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)開斷；

(24)所述應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)開斷后，等待預(yù)設(shè)的直流電壓恢復(fù)時(shí)間，檢測(cè)所述應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)的端電壓是否衰減到零，若是則閉合所述應(yīng)正確開關(guān)的機(jī)械隔離直流開關(guān)，否則，保持所述應(yīng)正確開關(guān)的機(jī)械隔離直流開關(guān)的開斷狀態(tài)。

通過主動(dòng)在故障極橋臂上疊加第一附加參考電壓，消除故障直流母線電流，使得機(jī)械直流隔離開關(guān)的應(yīng)用成為可能。在故障直流母線電流為零后，機(jī)械隔離直流開關(guān)斷開，隔開直流故障。等待了機(jī)械隔離直流開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間，恢復(fù)MMC換流器的故障極參考電壓共模分量至額定值，同時(shí)恢復(fù)用于確定直流電壓的MMC換流器的直流電壓指令至直流電壓額定值，給機(jī)械隔離直流開關(guān)斷開留有動(dòng)作時(shí)間，檢測(cè)機(jī)械直流隔離開關(guān)的端電壓是否為零，若為零則說明故障清除，閉合機(jī)械直流隔離開關(guān)，使得故障清除后恢復(fù)速度快。

優(yōu)選地，步驟(1C)中，通過電流控制器輸出第一附加參考電壓v_zn1并疊加至故障極橋臂參考電壓上用于控制各MMC換流器故障極橋臂電流；

其中，第一附加參考電壓其中，K_p1表示表示電流控制器的比例參數(shù)，K_i1表示電流控制器的積分參數(shù)，i_{dc_n}為故障直流母線電流，i_{dc_n}^*為故障直流母線電流的參考值，且規(guī)定流向換流器側(cè)為電流正方向。

優(yōu)選地，步驟(2)中，故障極橋臂參考電壓共模分量根據(jù)公式恢復(fù)至參考電壓共模分量額定值，

其中，t₀為故障極橋臂開始嘗試參考電壓共模分量恢復(fù)的初始時(shí)刻，k₁為預(yù)設(shè)的電壓恢復(fù)斜率，V_dc為額定直流電壓。

優(yōu)選地，所述步驟(5A)中，所述有功功率根據(jù)如下公式恢復(fù)至有功功率額定值；

其中，t₁為所述用于確定有功功率的MMC換流器開始嘗試功率恢復(fù)的初始時(shí)刻，k₂為預(yù)設(shè)的功率恢復(fù)斜率，P_rated為額定有功功率值。

優(yōu)選地，步驟(5C)中，通過電流控制器輸出第三附加參考電壓v_zp2并疊加至健全極橋臂參考電壓上，以確定故障恢復(fù)階段可能出現(xiàn)的不平衡工作點(diǎn)；

其中，所述第三附加參考電壓v_zp2為K_p2表示電流控制器的比例參數(shù)，K_i2表示電流控制器的積分參數(shù)，i_{dc_p}為健全直流母線電流，i_{dc_p}^*是健全直流母線電流的參考值，且

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

1.故障期間，通過故障極橋臂參考電壓的共模分量的調(diào)整，能夠在不犧牲換流器可控性的前提下消除故障暫態(tài)過電壓?；诘妥杩菇拥厍覙虮劬邆湄?fù)電平輸出能力的模塊化多電平變流器MMC與機(jī)械直流隔離開關(guān)協(xié)調(diào)可實(shí)現(xiàn)多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)單極接地故障的穿越。

2.相比于直流斷路器，機(jī)械直流隔離開關(guān)由于其不具備直流故障電流的開斷能力而沒有被直流輸電系統(tǒng)所采納。然而，機(jī)械直流隔離開關(guān)卻有著成本低，通態(tài)損耗小，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明通過主動(dòng)控制可消除故障直流母線電流，使機(jī)械直流隔離開關(guān)可以在零電流的狀態(tài)下隔離直流故障，為其在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了新的思路。

3.直流側(cè)單極接地故障期間，MMC換流器通過健全直流母線-交流側(cè)低阻抗接地點(diǎn)-大地形成功率回路，維持一半的額定功率傳輸；在直流接地故障被隔離后，成功恢復(fù)直流電壓的MMC換流器可實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行，最大限度地減小故障期間多端系統(tǒng)的功率缺額；同時(shí)能夠持續(xù)向交流系統(tǒng)提供無功支撐，減小了對(duì)交流系統(tǒng)的沖擊。故障清除后恢復(fù)速度快，且穩(wěn)態(tài)與故障暫態(tài)之間控制模式的切換平滑無沖擊。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的多端輻射狀柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是基于低阻抗接地且具備負(fù)電平輸出能力MMC換流器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的基于低阻抗接地且具備負(fù)電平輸出能力的MMC與機(jī)械直流隔離開關(guān)協(xié)調(diào)配合動(dòng)作的流程圖；

圖4是本發(fā)明的MMC換流器控制框圖，其中，圖(a)表示直流側(cè)單極接地故障穿越期間的控制框圖，圖(b)表示故障恢復(fù)控制框圖；

圖5是本發(fā)明的三端輻射狀柔性直流輸電系統(tǒng)實(shí)例示意圖；

圖6是本發(fā)明的三端輻射狀柔性直流輸電系統(tǒng)實(shí)例在單極接地故障穿越期間的功率回路示意圖；

圖7是本發(fā)明的三端輻射狀柔性直流輸電系統(tǒng)實(shí)例在單極接地故障恢復(fù)期間的功率回路示意圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)例一中換流站的仿真圖；其中，(A)、(B)和(C)分別代表MMC1、MMC2和MMC3，(a)正負(fù)直流母線電壓隨時(shí)間的變化圖，(b)正負(fù)直流母線電流以及接地極電流隨時(shí)間的變化圖，(c)換流器所傳輸?shù)挠泄β逝c無功功率隨時(shí)間的變化圖，(d)上下橋臂子模塊電容電壓隨時(shí)間的變化圖；

圖9是本發(fā)明實(shí)例一中機(jī)械直流隔離開關(guān)SW_2n的仿真圖；其中，(a)流過SW_2n的電流隨時(shí)間的變化圖，(b)SW_2n端電壓隨時(shí)間的變化圖；

圖10是本發(fā)明實(shí)例二中換流站的仿真圖；其中，(A)、(B)和(C)分別代表MMC1、MMC2和MMC3，(a)正負(fù)直流母線電壓隨時(shí)間的變化圖，(b)正負(fù)直流母線電流以及接地極電流隨時(shí)間的變化圖，(c)換流器所傳輸?shù)挠泄β逝c無功功率隨時(shí)間的變化圖，(d)上下橋臂子模塊電容電壓隨時(shí)間的變化圖；

圖11是本發(fā)明實(shí)例二中機(jī)械直流隔離開關(guān)SW_2n的仿真圖；其中，(a)流過SW_2n的電流隨時(shí)間的變化圖，(b)SW_2n端電壓隨時(shí)間的變化圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)包括n個(gè)換流站端口、n條正直流母線、n條負(fù)直流母線和2n臺(tái)機(jī)械直流隔離開關(guān)。每個(gè)換流站端口為MMC換流器，MMC換流器采用交流側(cè)低阻抗接地方式，三相交流端口經(jīng)星型電抗裝置接地，星型電抗裝置中性點(diǎn)直接接地，MMC換流器具備負(fù)電平輸出能力，每個(gè)橋臂至少具備一半直流電壓以上的負(fù)電平輸出能力，目前符合要求的換流器拓?fù)浒ㄈ珮蛐蚆MC、全橋子模塊與半橋子模塊比例大于等于1:1的半橋與全橋子模塊混合型MMC以及半橋與其他具備負(fù)電平輸出能力的子模塊混合的MMC。所有MMC換流器的正直流母線呈輻射狀連接，所有MMC換流器的負(fù)直流母線呈輻射狀連接，且每個(gè)正直流母線和每個(gè)負(fù)直流母線均串聯(lián)有機(jī)械直流隔離開關(guān)。

圖2為半橋與全橋子模塊混合型MMC換流器結(jié)構(gòu)圖，三相交流端口經(jīng)星型電抗裝置接地，星型電抗裝置中性點(diǎn)直接接地，MMC換流器具備負(fù)電平輸出能力，全橋子模塊與半橋子模塊比例大于等于1:1。

本發(fā)明提供的多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)直流單極接地的故障穿越方法，如圖3所示。

(1)各MMC換流器持續(xù)檢測(cè)所在位置的直流母線電壓及電流等電氣量，根據(jù)所檢測(cè)的電氣量判斷是否發(fā)生了直流側(cè)單極接地故障，是則順序執(zhí)行步驟(2)，否則繼續(xù)檢測(cè)；

(2)各MMC換流器檢測(cè)到直流側(cè)發(fā)生單極接地故障之后，同時(shí)執(zhí)行以下步驟(2A)、步驟(2B)、步驟(2C)、步驟(2D)以及步驟(2E)：

(2A)調(diào)整各MMC換流器故障極橋臂參考電壓的共模分量為零，各MMC換流器健全極橋臂參考電壓的共模分量維持不變，同時(shí)調(diào)整用于確定直流電壓的MMC換流器的直流電壓指令為直流電壓額定值的一半，以消除單極接地故障期間的過電壓及過電流。

假設(shè)直流側(cè)單極接地故障發(fā)生在負(fù)直流母線，則各MMC換流器下橋臂為故障極橋臂，正直流母線為健全直流母線，各MMC換流器的上橋臂為健全極橋臂。各MMC換流器上橋臂參考電壓共模分量和下橋臂參考電壓共模分量可由以下公式得到：

其中，V_dc為額定直流電壓，v_{p_com}表示上橋臂參考電壓中的共模分量，v_{n_com}表示下橋臂參考電壓中的共模分量。

(2B)調(diào)整用于確定有功功率的MMC換流器的有功功率指令為有功功率額定值的一半，以維持單極接地故障期間MMC換流器的功率傳輸，用于確定有功功率的MMC換流器的無功功率指令維持不變。

(2C)引入故障極橋臂電流控制器，電流控制器的輸出第一附加參考電壓v_zn1作為附加信號(hào)疊加到各MMC換流器故障極橋臂參考電壓上，控制各MMC換流器故障極橋臂電流，使故障期間各MMC換流器所傳輸?shù)墓β释ㄟ^交流側(cè)低阻抗接地極-大地形成回路。

第一附加參考電壓v_zn1可由以下公式計(jì)算得到：

其中，K_p1表示電流控制器的比例參數(shù)，K_i1表示電流控制器的積分參數(shù)，i_{dc_n}為故障直流母線電流，是故障直流母線電流的參考值，且規(guī)定流向換流器側(cè)為電流正方向。

(2D)通過在各MMC換流器中引入上橋臂參考電壓差模分量和下橋臂參考電壓差模分量之間的錯(cuò)相角γ來維持上下橋臂子模塊和下橋臂子模塊之間的電容電壓均衡。

錯(cuò)相角γ可通過以下方式來確定：

首先，計(jì)算各MMC換流器每一相上橋臂能量W_pj,和下橋臂能量W_nj，公式如下：

其中，N為子橋臂中子模塊個(gè)數(shù)，C為子模塊電容，V_cpi為上橋臂第i個(gè)子模塊的電容電壓，V_cni為下橋臂第i個(gè)子模塊的電容電壓，1≤i≤N，j＝a,b,c；a，b，c分別表示A,B,C三相。

其次，上、下橋臂的能量經(jīng)PI控制器可得到錯(cuò)相角γ，公式如下：

γ＝K_p(W_nj-W_pj)+K_i∫(W_nj-W_pj)dt

其中，K_p為PI控制器的比例參數(shù)，和K_i為PI控制器的積分參數(shù)。

最后，將獲得的錯(cuò)相角γ疊加到各MMC換流器上橋臂參考信號(hào)差模分量和下橋臂參考信號(hào)差模分量的相位上，當(dāng)下橋臂為故障極時(shí)，上橋臂參考電壓差模分量和下橋臂參考電壓差?？杀硎緸椋?/p>

其中，v_{p_diff}表示上橋臂參考電壓差模分量，v_{n_diff}表示下橋臂參考電壓差模分量，E_m內(nèi)電動(dòng)的幅值，ω為交流系統(tǒng)的角頻率，為初相角。

(2E)引入健全極橋臂阻尼控制器，阻尼控制器的輸出第二電壓v_zp1作為附加信號(hào)疊加到各MMC換流器健全極橋臂參考電壓上，減少各MMC換流器健全極橋臂電流變化率，以阻尼各MMC換流器在故障期間的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移，使暫態(tài)過程變得平滑無沖擊。

第二附加參考電壓v_zp1可由以下公式計(jì)算得到：

v_zp1＝(i_{dc_p}-i_{dc_rated})K₁

其中，K₁表示阻尼控制器的比例參數(shù)，i_{dc_p}為健全直流母線電流，i_{dc_rated}為額定直流電流參考值，規(guī)定流向換流器側(cè)為正方向，K₁>0。

圖4(a)表示直流側(cè)單極接地故障穿越期間的MMC換流器控制框圖，當(dāng)下橋臂為故障極橋臂時(shí)，下橋臂的參考電壓共模分量為零，下橋臂的參考電壓差模分量為同時(shí)下橋臂參考電壓上疊加有第一附加參考電壓v_zn1；上橋臂的參考電壓共模分量為0.5V_dc，上橋臂的參考電壓差模分量為同時(shí)上橋臂參考電壓上疊加有第二附加參考電壓v_zp1。

(3)考慮機(jī)械直流隔離開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間，在故障直流母線電流衰減到零后等待機(jī)械直流隔離開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間，以保證機(jī)械直流隔離開關(guān)的有效動(dòng)作。然后以一定的斜率恢復(fù)各MMC換流器故障極橋臂的參考電壓共模分量至參考電壓共模分量額定值，恢復(fù)用于確定直流電壓的MMC換流器的直流電壓指令值至額定值，以嘗試恢復(fù)故障直流母線電壓。等待預(yù)設(shè)的直流電壓恢復(fù)時(shí)間后，機(jī)械直流隔離開關(guān)再次動(dòng)作。預(yù)設(shè)的直流電壓恢復(fù)時(shí)間一般取50ms～200ms。

故障極橋臂參考電壓共模分量由以下公式計(jì)算得到：

其中，t₀為故障極橋臂開始嘗試共模電壓恢復(fù)的初始時(shí)刻，k₁為預(yù)設(shè)的電壓恢復(fù)斜率，k₁一般取0.0025V_dc～0.01V_dckV/ms。

(4)判斷所述各MMC換流器所連接直流母線電流是否超過直流母線電流額定值，則進(jìn)入步驟(5)，否則順序執(zhí)行步驟(6)；

(5)判斷各MMC換流器所連接直流母線超過直流母線電流額定值次數(shù)是否大于各MMC換流器預(yù)設(shè)定過流次數(shù)，若是，則超過預(yù)設(shè)定過流次數(shù)的MMC換流器維持在當(dāng)前控制狀態(tài)，否則回到步驟(2)，預(yù)設(shè)定過流次數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值給出，一般取2～3次。

(6)若MMC換流器直流母線未出現(xiàn)過流，則表明直流側(cè)單極接地故障已被隔離，MMC換流器需進(jìn)行功率恢復(fù)。同時(shí)執(zhí)行步驟(A)、步驟(B)和步驟(C)：

(6A)以一定的斜率恢復(fù)用于確定有功功率的MMC換流器的有功功率指令直至額定值。

有功功率指令值P^*可由以下公式計(jì)算得到：

其中，t₁為用于確定有功功率的MMC換流器開始嘗試功率恢復(fù)的初始時(shí)刻，k₂為預(yù)設(shè)的功率恢復(fù)斜率，P_rated為額定有功功率值，k₂一般取0.005P_rated～0.02P_ratedMW/ms。

(6B)保留所述各MMC換流器上橋臂參考電壓差模分量和下橋臂參考電壓差模分量之間的錯(cuò)相角。

(6C)引入健全極橋臂電流控制器，電流控制器輸出的第三附加參考電壓v_zp2作為附加信號(hào)疊加到各MMC換流器健全極橋臂參考電壓上，以確定故障恢復(fù)階段可能出現(xiàn)的不平衡工作點(diǎn)；

第三附加參考電壓v_zp2可由以下公式計(jì)算得到：

其中，K_p2表示電流控制器的比例參數(shù)，K_i2表示電流控制器的積分參數(shù)，是健全直流母線電流的參考值，滿足：

(6D)引入故障極橋臂阻尼控制器，阻尼控制器的輸出第四附加參考電壓v_zn2作為附加信號(hào)疊加到各MMC換流器故障極橋臂參考電壓上，以阻尼MMC換流器在故障恢復(fù)期間的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移，使暫態(tài)過程變得平滑無沖擊。

第四附加參考電壓v_zn2可由以下公式計(jì)算得到：

其中，K₂表示阻尼控制器的比例參數(shù)，為故障直流母線電流的參考值，可由以下公式計(jì)算得到：

其中，P表示MMC換流器交流側(cè)傳輸功率，規(guī)定交流側(cè)傳輸?shù)挠泄β室詮腗MC換流器流出為正方向，K₂>0。

圖4(b)表示直流側(cè)單極接地故障恢復(fù)期間的MMC換流器控制框圖，當(dāng)下橋臂為故障極橋臂時(shí)，上橋臂的參考電壓共模分量為0.5V_dc，上橋臂的參考電壓差模分量為同時(shí)上橋臂參考電壓上疊加有第三附加參考電壓v_zp2，下橋臂的參考電壓共模分量為0.5V_dc，下橋臂的參考電壓差模分量為同時(shí)下橋臂參考電壓上疊加有第四附加參考電壓v_zn2。

步驟(3)中機(jī)械直流隔離開關(guān)動(dòng)作包括以下步驟：

(1)各機(jī)械直流隔離開關(guān)持續(xù)檢測(cè)所在位置的直流母線電氣量，根據(jù)所檢測(cè)的電氣量判斷是否發(fā)生了直流側(cè)單極接地故障，是則順序執(zhí)行步驟(2)；否則繼續(xù)檢測(cè)。

(2)各機(jī)械直流隔離開關(guān)根據(jù)所檢測(cè)到電氣量定位發(fā)生直流單極接地故障的線路，并根據(jù)發(fā)生直流單極接地故障的線路確定應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)。

按照如下步驟確定應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)：

規(guī)定指向直流母線線路節(jié)點(diǎn)的方向?yàn)榱鬟^機(jī)械直流隔離開關(guān)的電流正方向；

若機(jī)械直流隔離開關(guān)位于正直流母線上，判斷機(jī)械直流隔離開關(guān)對(duì)地電壓降到零且流過機(jī)械直流隔離開關(guān)的電流減小，若是則該機(jī)械直流隔離開關(guān)為應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)；

若機(jī)械直流隔離開關(guān)位于負(fù)直流母線上，判斷機(jī)械直流隔離開關(guān)對(duì)地電壓降到零且流過機(jī)械直流隔離開關(guān)的電流增大，若是則該機(jī)械直流隔離開關(guān)為應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)。

(23)檢測(cè)到故障直流母線電流為零后，所述應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)開斷。

(24)所述應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)開斷后，等待預(yù)設(shè)的直流電壓恢復(fù)時(shí)間。檢測(cè)所述應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)的端電壓是否衰減到零，若是則閉合所述應(yīng)正確開關(guān)的機(jī)械隔離直流開關(guān)，否則，保持所述應(yīng)正確開關(guān)的機(jī)械隔離直流開關(guān)的開斷狀態(tài)。

本發(fā)明提供的故障穿越方法是通過基于低阻抗接地且具備負(fù)電平輸出能力的MMC與機(jī)械直流隔離開關(guān)的協(xié)調(diào)配合來實(shí)現(xiàn)。故障期間，通過調(diào)整各MMC換流器橋臂參考電壓的共模分量，能夠在不犧牲換流器可控性的前提下消除故障暫態(tài)過電壓。同時(shí)，通過在故障及橋臂參考電壓上疊加第一附加參考電壓信號(hào)，控制故障極橋臂電流為零，使得機(jī)械直流隔離開關(guān)可以在零電流的條件下隔離直流故障，為機(jī)械直流隔離開關(guān)在多端柔性直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。更進(jìn)一步，故障期間，MMC換流器通過健全直流母線-交流側(cè)低阻抗接地極-大地形成回路，維持一半額定有功功率的傳輸。故障重啟速度快，提升了多端柔性直流輸電系統(tǒng)對(duì)直流側(cè)單極接地故障的主動(dòng)防御力。

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的多端輻射狀柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)單極接地故障穿越及恢復(fù)控制方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

下述各實(shí)例中，均以基于阻抗接地的輻射狀三端MMC-HVDC系統(tǒng)為例，換流器采用全橋型MMC結(jié)構(gòu)，如圖5所示。交流線電壓有效值為220kV，直流母線電壓為±200kV，每個(gè)橋臂包含250個(gè)全橋子模塊。MMC1、MMC2和MMC3的子模塊電容分別為12mF、9mF和3mF，橋臂電感分別為90mH、120mH和360mH。星型接地電抗均為1H，機(jī)械直流隔離開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間為3ms。正常工作時(shí)，MMC1確定直流電壓，MMC2和MMC3確定有功功率。假設(shè)單極接地故障發(fā)生在線路2負(fù)直流母線處。

實(shí)例一

采用架空線作為多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)直流輸電線路。在檢測(cè)到單極接地故障后，MMC換流器切換到故障穿越控制模式：調(diào)整故障極橋臂參考信號(hào)的共模指令為零，直流電壓指令為額定值的一半，有功功率指令為額定值的一半。同時(shí)通過引入上橋臂參考電壓差模分量和下橋臂參考電壓差模分量之間的錯(cuò)相角γ來維持上橋臂子模塊電容電壓的均衡和下橋臂子模塊電容電壓的均衡，且在故障極橋臂參考電壓上疊加第一附加參考電壓信號(hào)v_zn1，在健全極橋臂參考電壓上疊加第二附加參考電壓信號(hào)v_zp1。故障穿越期間多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)的功率回路如圖6所示，上橋臂的參考電壓信號(hào)和下橋臂的參考電壓信號(hào)為：

其中，

v_zp1＝(i_{dc_p}-i_{dc_rated})K₁

在故障極橋臂電流衰減到零之后，等待5ms，MMC換流器進(jìn)行直流電壓恢復(fù)嘗試：以預(yù)設(shè)的斜率恢復(fù)故障極橋臂的共模電壓以及直流電壓指令直至額定值。由于采用架空傳輸線，直流側(cè)單極接地故障多為非永久性故障，故本實(shí)例進(jìn)行了兩次電壓恢復(fù)嘗試。若直流母線重新出現(xiàn)過流現(xiàn)象，則回到故障穿越控制模式；若直流母線未出現(xiàn)過流現(xiàn)象，則切換到故障恢復(fù)控制模式：以預(yù)設(shè)的的斜率恢復(fù)有功功率指令直至額定值，同時(shí)保留上橋臂參考電壓差模分量和下橋臂參考電壓差模分量之間的錯(cuò)相角γ來維持維持上橋臂子模塊電容電壓的均衡和下橋臂子模塊電容電壓的均衡，且在健全極橋臂參考電壓上疊加第三附加參考電壓信號(hào)v_zp2，在故障極橋臂參考電壓上疊加第四附加參考電壓信號(hào)v_zn2。所述故障恢復(fù)期間多端系統(tǒng)的功率回路如圖7所示，上、下橋臂的參考電壓信號(hào)分別為：

其中，

所述各機(jī)械直流隔離開關(guān)在檢測(cè)到發(fā)生單極接地故障后，立即根據(jù)所檢測(cè)到的電壓及電流等電氣信息定位發(fā)生接地故障的直流線路，并選擇應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)。應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)在檢測(cè)到故障直流母線電流衰減到零之后，執(zhí)行開斷操作；完成開斷后等待預(yù)設(shè)的直流電壓恢復(fù)時(shí)間。若所述機(jī)械直流隔離開關(guān)的端電壓衰減到零，則閉合該機(jī)械隔離直流開關(guān)，否則，保持開斷狀態(tài)。

假設(shè)單極接地故障發(fā)生在0.8s，并在1.35s時(shí)被清除。各換流站正負(fù)直流母線電壓如圖8(a)所示，結(jié)果表明：?jiǎn)螛O接地故障暫態(tài)過電壓立刻得到了有效抑制。各換流站正負(fù)母線電流以及接地極電流如圖8(b)所示，結(jié)果表明：故障穿越期間直流電流連續(xù)可控，健全極所傳輸?shù)墓β孰娏魍ㄟ^接地極-大地形成回路，且整個(gè)故障穿越及恢復(fù)過程平滑無沖擊。各換流站所傳輸?shù)挠泄?、無功功率如圖8(c)所示，結(jié)果表明：故障穿越期間無功功率未受到干擾，而有功功率維持在額定值的一半。各換流站上下橋臂之間子模塊電容電壓如圖8(d)所示，結(jié)果表明：子模塊電容電壓在整個(gè)故障穿越和恢復(fù)期間均保持均衡。流過機(jī)械直流隔離開關(guān)SW_2n的電流如圖9(a)所示，SW_2n的開關(guān)動(dòng)作邏輯如圖9(a)中黑色虛線所示，結(jié)果表明：機(jī)械直流隔離開關(guān)可實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)流開斷；SW_2n的端電壓如圖9(b)所示，結(jié)果表明：當(dāng)機(jī)械直流隔離開關(guān)的端電壓滿足衰減到零的條件時(shí)，該機(jī)械直流隔離開關(guān)重合閘。

實(shí)例二

采用電纜線作為多端柔性高壓直流輸電系統(tǒng)直流輸電線路。在檢測(cè)到單極接地故障后，MMC換流器切換到故障穿越控制模式：調(diào)整故障極橋臂參考信號(hào)的共模指令為零，直流電壓指令為額定值的一半，有功功率指令為額定值的一半。同時(shí)通過引入上、下橋臂參考電壓差模分量之間的錯(cuò)相角γ來維持上、下橋臂之間子模塊電容電壓的均衡，且在故障極橋臂參考電壓上疊加第一附加參考信號(hào)v_zn1，在健全極橋臂參考電壓上疊加第二附加參考信號(hào)v_zp1。所述故障穿越期間多端系統(tǒng)的功率回路仍如圖6所示，上、下橋臂的參考電壓信號(hào)分別為：

其中，

v_zp1＝(i_{dc_p}-i_{dc_rated})K₁

在故障極橋臂電流衰減到零之后，等待5ms，MMC換流器進(jìn)行直流電壓恢復(fù)嘗試：以預(yù)設(shè)的斜率恢復(fù)故障極橋臂的共模電壓以及直流電壓指令直至額定值。由于采用電纜傳輸線，直流側(cè)單極接地故障多為永久性故障，故本實(shí)例僅進(jìn)行了一次電壓恢復(fù)嘗試。若直流母線重新出現(xiàn)過流現(xiàn)象，則回到所述故障穿越控制模式；若直流母線未出現(xiàn)過流現(xiàn)象，則切換到故障恢復(fù)控制模式：以預(yù)設(shè)的的斜率恢復(fù)有功功率指令直至額定值，同時(shí)保留上、下橋臂參考電壓差模分量之間的錯(cuò)相角γ來維持上、下橋臂之間子模塊電容電壓的均衡，且在健全極橋臂參考電壓上疊加第三附加參考信號(hào)v_zp2，在故障極橋臂參考電壓上疊加第四附加參考信號(hào)v_zn2。所述故障恢復(fù)期間多端系統(tǒng)的功率回路仍如圖7所示，上、下橋臂的參考電壓信號(hào)分別為：

其中，

所述各機(jī)械直流隔離開關(guān)在檢測(cè)到發(fā)生單極接地故障后，立即根據(jù)所檢測(cè)到的電壓及電流等電氣信息定位發(fā)生接地故障的直流線路，并選擇應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)。所述應(yīng)正確開斷的機(jī)械直流隔離開關(guān)在檢測(cè)到故障直流母線電流衰減到零之后，執(zhí)行開斷操作；完成開斷后等待預(yù)設(shè)的直流電壓恢復(fù)時(shí)間。若所述機(jī)械直流隔離開關(guān)的端電壓衰減到零，則閉合該機(jī)械隔離直流開關(guān)，否則，保持開斷狀態(tài)。

假設(shè)單極接地故障發(fā)生在0.8s。各換流站正負(fù)直流母線電壓如圖10(a)所示，結(jié)果表明：?jiǎn)螛O接地故障暫態(tài)過電壓立刻得到了有效抑制。各換流站正負(fù)母線電流以及接地極電流如圖10(b)所示，結(jié)果表明：故障穿越期間直流電流連續(xù)可控，健全極所傳輸?shù)墓β孰娏魍ㄟ^接地極-大地形成回路，且整個(gè)故障穿越及恢復(fù)過程平滑無沖擊。各換流站所傳輸?shù)挠泄?、無功功率如圖10(c)所示，結(jié)果表明：故障穿越期間無功功率未受到干擾，而有功功率維持在額定值的一半。各換流站上下橋臂之間子模塊電容電壓如圖10(d)所示，結(jié)果表明：子模塊電容電壓在整個(gè)故障穿越和恢復(fù)期間均保持均衡。流過機(jī)械直流隔離開關(guān)SW_2n的電流如圖11(a)所示，SW_2n的開關(guān)動(dòng)作邏輯如圖11(a)中黑色虛線所示，結(jié)果表明：機(jī)械直流隔離開關(guān)可實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)流開斷；SW_2n的端電壓如圖11(b)所示，結(jié)果表明：機(jī)械直流隔離開關(guān)的端電壓未滿足衰減到零的條件，故該機(jī)械直流隔離開關(guān)持續(xù)維持開斷狀態(tài)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。