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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(guān)頻率和運(yùn)行損耗小等優(yōu)點(diǎn)，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(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。目前已投運(yùn)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(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)拓?fù)浜唵危?jīng)濟(jì)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(yán)重的故障類型之一。直流故障發(fā)生后，電網(wǎng)中各端換流站均向短路點(diǎn)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(shù)量越多，故障點(diǎn)電流的上升速率與幅值越大。

近年來國內(nèi)外對于直流故障的研究，大多集中于保護(hù)與故障清除方面。在實(shí)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(nèi)，迅速增大的故障電流可能會對換流器中IGBT等關(guān)鍵部件造成永久性損壞。因此該時段內(nèi)故障暫態(tài)電流的精確計(jì)算對MMC關(guān)鍵部件的選型以及故障保護(hù)方案的設(shè)計(jì)至關(guān)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(nèi)故障電流計(jì)算，國內(nèi)外已有部分文獻(xiàn)進(jìn)行了研究，但對該問題的研究還不夠深入。

中國科學(xué)院電工研究所、中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院大學(xué)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(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，提出了一種MMC直流故障過電流的精確計(jì)算方法，可同時計(jì)算橋臂故障電流與直流側(cè)故障電流。

研究人員結(jié)合狀態(tài)方程數(shù)值解法，計(jì)算得到直流故障下故障電流的數(shù)值解，探究故障時可能出現(xiàn)的最大和最小故障過電流，并將此結(jié)果與電磁暫態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)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(jì)算方法進(jìn)行全面的比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了方法的有效性。

圖1 α=0°時兩種方法下的橋臂電流計(jì)算結(jié)果及仿真值

圖2 α=0°時兩種方法下的直流電流計(jì)算結(jié)果及仿真值

研究人員最后得出以下結(jié)論：

1）橋臂電壓對時間的微分項(xiàng)由電容項(xiàng)與子模塊投入函數(shù)項(xiàng)組成。其中，電容項(xiàng)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(shù)項(xiàng)則表示實(shí)時投入的子模塊數(shù)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(cè)故障電流，故障時刻相角的影響很小、可忽略不計(jì)，不同故障時刻直流側(cè)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(shù)項(xiàng)對故障電流的計(jì)算有顯著影響，不可忽略。故障電流的計(jì)算應(yīng)同時考慮交流系統(tǒng)注入電流與子模塊投入函數(shù)項(xiàng)兩個因素。

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

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