一種基于故障限流器的混合級聯直流輸電系統故障穿越方法

王相飛，江 琴，趙靜波，李保宏，劉天琪

（1. 四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065；2. 國網江蘇省電力有限公司 電力科學研究院，江蘇 南京 211103）

0 引言

我國能源與負荷分布情況決定了在我國發展大容量、遠距離直流輸電技術的必要性，混合直流輸電由于結合了電網換相換流器型高壓直流輸電（LCC-HVDC）和模塊化多電平換流器型高壓直流輸電（MMC-HVDC）的優勢［1-3］，成為當下學術研究和工程應用的熱點。為緩解東部地區負荷壓力，降低多回直流同時發生換相失?。?］風險，我國規劃建設白鶴灘—江蘇特高壓混合級聯直流輸電系統［5］，擬采用送端LCC，受端高端LCC 與低端3 個并聯MMC 直接串聯的結構，實現±800 kV／8 000 MW 的功率傳輸，其中MMC 采用半橋子模塊。MMC 并聯組（MMCB）的存在使受端具有分散接入交流電網的條件，可形成滿足多負荷中心用電需求的多落點形式［6］。低端MMC 可作為靜止同步補償器（STATCOM）運行，為LCC提供一定的無功支撐，降低LCC換相失敗風險。

目前國內外學者針對混合級聯直流輸電系統進行相關研究，取得了眾多成果。在故障穿越研究方面，由于遠距離、大容量直流輸電需要采用架空線，而架空線極易發生接地故障?；旌霞壜撝绷鬏旊娤到y由于受端高端為LCC，利用其單向通流特性，發生在直流線路上的接地故障，受端不會有電流饋入。文獻［7］詳細分析了受端LCC與電壓源換流器（VSC）串聯的混合級聯直流輸電系統故障穿越能力和重啟動策略，通過整流側LCC強制移相，使LCC運行于逆變狀態，釋放直流側能量，該拓撲具有快速阻斷直流故障電流，穿越直流故障的能力。文獻［6］提出的特高壓混合直流輸電拓撲中，與常規特高壓直流輸電工程類似，MMC 配置旁路開關，在MMC 交流故障穿越失敗或閥側故障時合閘旁路開關，一方面保證MMC 換流閥的安全，另一方面保留高端LCC 繼續運行。文獻［5，8］指出混合級聯直流輸電系統發生直流故障時會產生MMC 不均衡電流的問題，文獻［5］詳細分析了不均衡電流的產生機理，并提出一種基于不平衡電流進行功率補償的電流均衡控制策略。全橋子模塊或半橋、全橋混合子模塊具有良好的故障穿越性能，文獻［9-10］針對送端采用LCC 和受端采用全、半橋混合MMC（LCC-FHMMC）的混合直流輸電系統，提出了不同的送端交流故障穿越控制策略。文獻［11］針對LCC-FHMMC 混合直流輸電系統單極接地故障，提出一種基于基頻環流注入的能量平衡策略。盡管全橋或混合子模塊可以通過閉鎖或相應的控制策略實現快速故障穿越，但全橋子模塊數量的增加大幅增大了投資成本，且使控制更加復雜。柔性直流電網故障穿越目前采用直流斷路器［12］實現故障線路快速切除，但由于白鶴灘混合級聯直流輸電系統MMCB 不存在直流冗余線路，未形成直流電網，且直流斷路器造價昂貴，故直流斷路器并不適用于該工程。

目前白鶴灘混合級聯直流輸電系統擬采用的保護方案［13］為可控避雷器配合快速旁路開關（BPS），主要針對MMC 過壓問題，故障期間積累在MMC 換流閥的盈余功率可能造成MMC過壓，甚至損壞MMC閥組。通過可控避雷器吸收盈余功率，限制MMC 過電壓問題；BPS 一方面用于實現運行方式的靈活轉換，另一方面在可控避雷器達到泄能極限時起保護可控避雷器作用。然而，可控避雷器與BPS 配合使用，仍無法解決可能出現的MMC 過流閉鎖問題，若僅依賴于器件自身過流裕度，一方面對器件制造工藝、成本提出更高要求，另一方面無法有效解決MMC直流單極接地故障產生的故障電流。因而，采用具有阻斷作用的故障限流器（FCL）成為一種可行的解決方案。

綜上所述，本文提出一種基于FCL 的混合級聯直流輸電系統故障穿越方法，實現逆變側LCC 換相失敗和MMC 直流單極接地2 類故障的穿越。首先介紹了所提FCL 的拓撲及工作原理，分析了逆變側LCC 換相失敗和MMC 直流單極接地故障引起MMC直流過流的機理，針對逆變側LCC 換相失敗引起的MMC 直流過流問題，通過接入FCL 中的限流電阻抑制過電流，防止MMC 閉鎖。針對MMC 直流單極接地故障引起的MMC 直流過流問題，FCL 表現為單向通流的晶閘管閥，阻斷MMC 子模塊電容對地放電電流，保護MMC 閥組?；赑SCAD／EMTDC 搭建了混合級聯直流輸電系統仿真模型，驗證了所提FCL對2 類故障的良好穿越能力，仿真結果證明了所提FCL控制簡單，經濟性好，具有較好的工程應用價值。

1 混合級聯直流輸電系統拓撲及控制方式

1.1 混合級聯直流輸電系統拓撲

混合級聯直流輸電系統送端為2組12脈動LCC串聯，受端由1 組12 脈動LCC 和MMCB 串聯構成。送端和受端換流器分別通過各自換流變壓器與對應的交流系統連接，送、受端LCC兩端配有直流濾波器，直流線路兩端配有平波電抗器，受端LCC 和MMCB 分散饋入不同交流系統。系統單極（正極）拓撲［5］見附錄A圖A1。

1.2 混合級聯直流輸電系統控制方式

混合級聯直流輸電系統中，整流側LCC 采用定直流電流控制，并配有最小觸發角控制和低壓限流（VDCOL）控制。

逆變側高端LCC 采用定直流電壓控制，并配有定熄弧角控制和定電流控制作為后備控制［1］，與整流側LCC 類似，同樣具有最小觸發角控制和VDCOL控制，同時，為防止控制方式在兩者之間頻繁切換，配有電流偏差控制（CEC）。為防止控制方式在定直流電壓控制和定熄弧角控制之間頻繁切換，配有電壓偏差控制（VEC），VEC 環節以逆變側LCC 直流電壓給定值與實際直流電壓的偏差作為輸入，將輸出附加到定熄弧角控制，可使LCC 直流電壓快速降低至給定值，有助于控制方式間的平穩切換。

逆變側低端MMC 控制則采用雙環dq解耦控制［2］。本文中MMCB 采用的控制方式為單點主從控制，即由1 個MMC 控制直流電壓，另外2 個MMC控制有功功率?；旌霞壜撝绷鲉螛O正常運行方式下，高端LCC 和低端定直流電壓控制MMC 各控制400 kV（0.5 p.u.）直流電壓，以實現800 kV／4000 MW功率傳輸。

系統各部分控制框圖見附錄A 圖A2。整流側和逆變側LCC 的伏安（V-I）特性曲線［14］如附錄A 圖A3 所示，其中各段線所表示的控制模式列于附錄A表A1 中。MMCB 由于采用單點主從控制，整體對外呈現定電壓控制特性?；旌霞壜撝绷鬏旊娤到y正常運行時工作在圖A3所示紅色運行點處，即處于整流側定電流、逆變側定電壓或者定熄弧角的控制方式，圖中Vd和Id分別為正常運行點下的直流電壓和直流電流。為避免整流側和逆變側的定電流控制同時作用，2 個定電流控制的參考值之間存在一個裕度Im，即電流裕度控制原則。

2 混合級聯直流輸電系統2 類故障情況下MMC過流機理

2.1 受端LCC發生換相失敗故障

換相失敗是LCC 所具有的常見故障類型之一，可能由交流系統故障、控制系統故障等引起。系統正常運行時，逆變側高端LCC 和低端MMC 各控制400 kV 直流電壓，在逆變側高端LCC 發生換相失敗直通后，LCC直流電壓大幅度降低，嚴重時跌落為0，如附錄A 圖A4 所示。整流側直流電壓仍維持在800 kV附近，直流線路兩端承受巨大的電壓差，瞬間產生較大的過電流。

考慮晶閘管閥具有10 倍的過流裕度，過電流不會對逆變側高端LCC 晶閘管閥組造成損害，但MMC子模塊采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為換流元件，為防止IGBT 受損，通常保護系統檢測到MMC直流線路電流或IGBT 的電流達到2 倍額定電流［15］或電壓達到1.5倍額定電壓時，保護系統動作使子模塊閉鎖，功率傳輸中斷。

2.2 受端MMC發生直流單極接地故障

受端MMC 發生直流單極接地故障的示意圖如圖1 所示。由于MMCB 中MMC 間互為并聯關系，盡管故障f1—f4發生的線路位置有所不同，但故障特性基本相同。假設故障發生在f1處，以MMC1為例，其故障電流通路如附錄A 圖A5 所示。MMC1的a 相子模塊按圖A5紅色虛線所示路徑向故障點放電，即投入狀態子模塊電容經IGBT（T1）放電，通過切除狀態子模塊的反并聯二極管（D02）完成通流，其余相故障電流通路類似，在此不再贅述。

圖1 MMC直流單極接地故障位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of positions of MMC DC monopole grounding fault

故障初期的暫態過程中，可以暫不考慮交流系統向大地饋入的電流，即故障電流由子模塊電容放電過程主導，在子模塊電容電壓均衡控制策略作用下，每相所有子模塊可以近似看作2 組N個子模塊交替放電，其中N為單個橋臂含有的子模塊個數。單個MMC 等效放電電路［16］如附錄A 圖A6 所示。放電回路等效電阻Req、電感Leq和電容Ceq的表達式分別見式（1）—（3）。

3 FCL拓撲及工作原理

3.1 FCL拓撲

本文所提FCL 拓撲如圖2 所示。圖中，V1—V4為晶閘管閥組；D2—D4為二極管閥組；R1—R3為限流電阻；UC、iC分別為電容C電壓、流過電容C的電流，其正方向如圖2 所示；S1為普通斷路器；i1—i4為支路電流。FCL 輸入端與LCC 出口直流線路相連，輸出端與MMC 直流入口線路相連接，安裝位置如附錄C圖C1所示。

圖2 FCL拓撲Fig.2 Topology of FCL

圖2 中，V3和V4作為系統正常運行時的通流支路，相較IGBT 閥組，選擇晶閘管閥具有更強的通流能力、更低的運行損耗和投資成本。D3和S1支路僅在系統啟動過程中使用，在啟動過程中與D4配合，以提供系統啟動過程中出現的反向電流通路，系統啟動完成后，D3和S1支路電流自動換流到V3和V4支路，待電流降至0 后打開S1。系統啟動過程和正常運行時，FCL的電流通路分別見附錄C圖C2（a）、（b）。

3.2 FCL工作原理

3.2.1 LCC發生換相失敗過電流抑制原理

當逆變側高端LCC 發生換相失敗時，MMC 直流線路電流idc瞬時增大，為避免子模塊閉鎖，控制系統在idc上升到2 倍額定電流之前，給V1、V2施加觸發信號，由于V2一直承受大小為UC0（UC0為電容C電壓初始值）的正向電壓，故V2立即導通，電容C經過R2、V2、D4構成放電回路迅速放電，使流過V4的電流降低至0，如圖C3（a）所示。此后idc通過V3、C、R2、V2構成通路為電容C反向充電，當UC變為負值時，V1因承受正向電壓而導通，電容C充電階段如圖C3（b）、（c）所示。電容C充電完成后，電容C所在支路相當于開路，idc也完成從V3支路換流到R1、V1、R2、V2支路，R1為一阻值較大的限流電阻，以抑制直流故障電流，至此限流過程完成，如圖C3（d）所示。

3.2.2 換相失敗故障切除后恢復原理

FCL 可以幫助混合級聯直流輸電系統穿越逆變側LCC 換相失敗故障，但系統不應長時間運行于圖C3（d）所示的限流階段，否則會造成較大的功率損耗，此外限流電阻長時間運行造成的發熱問題不利于故障換流器的長期穩定運行，應當設計合適的恢復控制策略。

混合級聯直流輸電系統穿越逆變側LCC換相失敗故障后，控制系統經過一定的時間延時，給V3、V4施加觸發信號，V4由于一直承受電容C的充電電壓UC而立即導通，電容C經過V4、R3、D2、R2構成放電回路，電容放電電流迅速使流經V2的電流降低至0，如圖C4（a）所示。此后直流電流通過R1、V1、C、V4構成回路為電容C充電，如圖C4（b）所示。電容電壓UC重新變為正向后，V3因承受正向電壓而重新導通，如圖C4（c）所示，當電容C充電完成，電容C支路視為開路，直流電流全部通過V3、V4支路流通，至此，故障限流恢復過程完成，如圖C4（d）所示。

3.2.3 MMC直流單極接地過電流阻斷原理

由圖2 所示FCL 拓撲可知，除啟動過程外，整個FCL 從外部可視為一個單向通流的二極管閥組，即直流電流僅可以從輸入端流向輸出端，而無法實現反向流通。

當發生MMC 直流單極接地故障時，如附錄C 圖C5 所示，由于所設計FCL 的存在，子模塊電容無法形成放電回路，MMC 不會向故障點饋入故障電流，有效保護了IGBT 閥組，此時混合級聯直流輸電系統可以通過合閘MMCB 并聯的旁路開關，將MMCB 旁路，通過整流側閥組的在線退出［17-19］，進入單極1/2運行狀態，維持一定的功率傳輸。

值得一提的是，除以上換相失敗或MMC 單極接地故障外，本文所提FCL 在其他故障工況下引起的過流問題也是適用的，限于篇幅，本文僅對以上2 種嚴重故障的抑制原理進行了分析。

3.3 FCL啟動判據與控制流程

3.3.1 FCL的啟動判據

白鶴灘—江蘇特高壓混合級聯直流單極額定電流為5 kA，逆變側低端由3 個MMC 共同承擔，單個MMC 額定運行時直流電流為1.67 kA。為防止IGBT閥組因過流而閉鎖，FCL 應在MMC 直流線路電流或橋臂電流達2 倍額定電流時動作，且應該以MMC 直流線路電流和閥臂電流中的較小值為基準。當忽略2倍頻環流及高次諧波時，MMC 上、下橋臂三相電流isj（s=p，n，分別表示上、下橋臂；j=a，b，c）可表示為：

式中：iac為交流側電流。

MMC橋臂額定電流Isj可表示為：

式中：Idc為MMC 直流線路額定電流；Iac為交流電流有效值。

正常運行時MMC橋臂電流isj滿足：

將式（4）和式（5）代入式（6），可得：

式（7）表明，即使直流線路電流idc已達到2 倍額定值時，橋臂電流isj仍滿足式（6）所示不等式條件，故應以2 倍直流線路額定電流作為FCL 啟動閾值。

由于直流故障電流上升速度極快，考慮到通信、控制器等延時以及定直流電壓站MMC 和定有功功率站MMC 額定運行電流的差異，FCL 動作電流的應留有一定裕度，設定FCL 啟動電流Iset為Idc的1.5 倍，即Iset=2.5 kA。

3.3.2 FCL控制流程

根據前述分析，當MMC 直流線路電流達到Iset后，控制器應立即給V1、V2發送觸發信號，故障電流得到抑制后，經過一段時間的延時，控制器應給V3、V4發送觸發信號，實現故障后的恢復過程。FCL 控制流程見附錄C圖C6。

3.4 FCL參數設計

MMC 直流線路電流達到Iset后，電容C放電需使流過V4的電流降至0，電容放電過程為RC 一階電路零輸入響應，電容放電電流iC滿足：

為保證V4可靠關斷，iC初始值應大于2 倍MMC額定直流電流，即：

同時考慮晶閘管關斷時間Δt為幾微秒，在關斷時間內，iC應滿足：

根據式（8）—（10），可確定電容初始電壓UC0、電容C和R2的取值，其中R2主要作用是限制電容放電電流大小，其取值不宜過大，否則抑制相同大小過電流需要更大的初始電容電壓，在本文中R2取5 Ω，由此可計算出UC0、C的取值。

對于定直流電壓站MMC，FCL 的限流電阻R1應滿足：

式中：ΔU為LCC 直通后定直流電壓站MMC 與直流線路間的電壓差，取400 kV；Idc取1.67 kA。由此可計算定直流電壓站MMC所連接FCL的R1值，為保證故障過電流在3 個MMC 間均分，另外2 個定有功功率站MMC 所連接FCL 的R1值與定直流電壓站MMC相近。R3作用與R2類似，主要限制電容C正向放電電流，其取值比R2略大即可。綜上可得到FCL 內部各參數。

3.5 電力電子器件應力分析及電阻功率設計

以V1為例，在FCL 動作之前，V1一直承受來自電容C的反向電壓UC；在FCL限流階段，限流電阻R1投入之后，V1開始流過正向電流，但不超過2 倍額定直流電流；FCL 恢復完成后，V1重新承受來自電容C的反向電壓?？梢?，V1在整個過程中承受的最大反向電壓為UC，最大直流電流不超過2 倍額定直流電流。V2、V3和V4應力分析詳見附錄D。二極管閥D2、D3和D4在不導通時，僅可能承受來自其并聯晶閘管閥的前向導通壓降，流過電流不超過2 倍MMC 額定直流電流。

電容C在FCL 限流過程中先后經歷正向放電和反向充電階段，在V4電流達到FCL 啟動判據電流Iset后，正向放電電流將V4關斷；而后經歷反向充電階段，該階段直流線路電流通過V3給電容C充電，且流經V3電流逐漸換流至R1和V1所在支路，因此較難表示出該過程電容充電電流的解析表達式，難以進而計算出電容C反向充電電壓UC。電容電流示意圖見附錄D圖D1，電容電壓值的估算詳見附錄D式（D1）。

晶閘管閥通流能力可達10 倍額定電流，因此本文不考慮晶閘管閥的額定電流，結合前述器件應力分析并考慮一定裕量，若選取耐壓為4 kV、額定電流為3 kA的單個晶閘管，經計算可得V1—V4所需單個晶閘管數量分別為20、20、65、42個。

電阻R1作為主限流電阻，在V1導通之后開始投入使用，流過R1的直流電流最大不超過2 倍MMC 額定直流電流，因此可以取2 倍MMC 額定直流電流作為流過電阻R1的直流電流最大值，電阻R1功率設計值PR1lim應滿足：

電阻R2、R3功率設計值PR2lim、PR3lim計算方法與R1類似，綜上所述并考慮留有一定裕量，可得各電阻功率設計值分別為：PR1lim=2 000 MW，PR2lim=100 MW，PR3lim=220 MW。

4 仿真驗證

為驗證所提FCL對混合級聯直流輸電系統故障穿越能力的提升效果，進一步分析FCL 在逆變側LCC 換相失敗故障下抑制過電流以及MMC 直流單極接地故障下阻斷子模塊放電電流的能力，在PSCAD／EMTDC 中搭建了如附錄A 圖A1 所示的混合級聯直流輸電系統，其中MMC1和MMC2為定有功功率站，MMC3為定直流電壓站，MMC 無功控制方式均為定無功功率控制?；旌霞壜撝绷鬏旊娤到y仿真參數詳見附錄E表E1—E4，FCL參數見附錄E表E5，仿真過程中為了采集過電流波形，需保持MMCB 不閉鎖。本文僅分析故障持續時間為1 個周期的波形，限于文章篇幅，故障持續時間為5 個周期的相關波形分析詳見附錄F。

4.1 無FCL時故障波形

4.1.1 逆變側LCC換相失敗故障波形

設置逆變側LCC 交流母線在3 s 時發生單相直接接地故障，截取2.9～3.2 s 時間段內各MMCB 直流電流、直流電壓，定有功功率站MMC1的a 相橋臂電流和定直流電壓站MMC3的a 相橋臂電流如圖3 所示。設置逆變側LCC 交流母線在3 s 時發生三相直接接地故障，同樣截取相關波形，故障相關波形詳見附錄G圖G1。

圖3 LCC交流母線單相直接接地故障波形Fig.3 Waveforms of single-phase grounding fault in LCC AC bus

圖3 和圖G1 中箭頭指向區域均為2 倍MMC 額定直流電流以上的過流區域，根據圖3（a）和圖G1（a），逆變側LCC 換相失敗故障會使MMC 直流電流迅速超過2 倍額定直流電流，實際工程中MMC 閥組將在保護控制作用下閉鎖，功率傳輸發生中斷。由圖3（b）和圖G1（b）可知，逆變側LCC 交流母線發生三相故障時，MMCB 直流電壓升高幅度更大，但均未超過1.5倍額定電壓。由圖3（c）、（d）和圖G1（c）、（d）可知，MMC直流線路電流達2倍額定電流時，橋臂電流均未過流，同時驗證了前述分析的正確性。

4.1.2 MMC直流單極接地故障波形

設置MMCB 直流線路3 s 時發生圖1 所示f1處直流單極接地故障，截取故障后10 ms 時間段內的MMCB 直流電流、直流電壓，定有功功率站MMC 的a相橋臂電流和定直流電壓站MMC 的a 相橋臂電流波形見附錄G 圖G2。由圖G2（a）、（c）、（d）可知，MMCB 發生直流單極接地故障后，直流故障電流上升速度極快，單個MMC 直流故障電流達64 kA，MMC 橋臂電流峰值達32 kA，嚴重超過2 倍額定電流的過流裕度，對MMC 閥組控制保護系統提出極高的要求。MMC 直流電壓瞬間跌至0，如圖G2（b）所示，MMC直流功率傳輸中斷。

4.2 加入FCL后故障波形

4.2.1 LCC換相失敗過電流抑制及恢復波形

設置逆變側LCC 交流母線3 s 時發生單相直接接地故障，由4.1.1 節可知發生該故障時，MMC 橋臂電流未達到2 倍額定電流，因此不再給出橋臂電流波形。設置故障發生后經200 ms 啟動FCL 恢復過程，MMCB 直流電流和電壓波形分別如圖4（a）、（b）所示，電容電壓和FCL 各支路電流波形如圖4（c）所示。

圖4 加入FCL后，LCC交流母線單相直接接地故障波形Fig.4 Waveforms of single-phase grounding fault in LCC AC bus with FCL

由圖4（a）、（b）可知，加入FCL后，故障發生后過電流得到有效抑制，恢復過程MMCB 直流電流未超過2 倍額定電流，MMCB 直流電壓較為平穩，未出現嚴重過電壓，系統可平穩恢復到正常運行狀態。由圖4（c）可知，故障發生后，流過V3和V4的直流電流i3和i4迅速增大，控制系統檢測到MMC 直流電流（i3、i4）達到設定值Iset后，迅速觸發V1和V2，其中V2立即導通，電容電流iC增大，電容C迅速放電，電流i2由0開始迅速增大至與電流i4大小相等，略超過電流i4大小，電流i4在與之反向的電流i2作用下迅速跌落至0，此后V4關斷，電流i3給電容反向充電，電容具備一定反向電壓后，V1由于存在觸發信號而導通，流過V3電流i3和電容電流iC逐漸降低至0，R1、V1所在支路電流i1逐漸增大，完成直流線路電流從V3所在支路到R1、V1所在支路的換流過程，此后，MMC 直流電流逐漸轉移到V1、V2支路，完成限流過程。啟動故障恢復后，電容C反向放電，如圖4（c）所示，V4由于有觸發信號作用，且承受電容反向電壓而立即導通，流過V4的電流i4增大，電容電流iC反向增大，電流i2被降低至0，V2關斷，電容正向充電具備一定正向電壓后，V3由于存在觸發信號而導通，流過V3的電流i3逐漸增大，R1、V1所在支路電流i1逐漸減小，MMC 直流電流再次轉移回V3、V4支路，系統恢復到正常運行狀態。

設置逆變側LCC 交流母線3 s 時發生三相直接接地故障，MMCB直流電流和電壓波形分別如附錄G圖G3（a）、（b）所示，FCL 各支路電流波形如圖G3（c）所示。由圖G3（a）、（b）可知，逆變側LCC交流系統三相短路情況下，MMCB過電流同樣抑制到2倍額定電流以下，且MMCB 電壓未出現嚴重過電壓，圖G3（c）所示FCL各支路波形與前述類似，在此不再贅述。

LCC 交流單相故障情況下各電阻功率波形如附錄G 圖G4（a）所示，各電阻功率均在設計值允許范圍內，其中電阻R1和R2在FCL 工作期間均產生功率，且R1功率較大，R2功率較小，R3僅在恢復過程中產生功率。電阻R1能量累積約為84 MJ，電阻R2能量累積約為4.5 MJ，電阻R3僅在恢復過程存在脈沖功率，其能量累積低于R1和R2。附錄G 圖G4（b）給出了三相故障情況下各電阻功率仿真波形，各電阻工作時均運行在合理功率區間，R1功率仍最大，R2功率相對較小，R3僅在恢復過程中產生功率。電阻R1和R2能量累積分別約為100 MJ和6.5 MJ。

4.2.2 MMC直流單極接地過電流阻斷波形

設置MMCB 直流線路3 s時發生單極接地故障，加入FCL 后相關波形如附錄G 圖G5 所示。由圖G5（a）、（c）、（d）可知，3 s故障發生后，MMC直流電流迅速跌落至0，橋臂電流也逐漸衰減至0，故障電流被FCL 阻斷，MMC 子模塊電容及交流系統均無法向故障點饋入電流，有效保護了MMC 閥組。由圖G5（b）所示MMCB 直流電壓可知，定直流電壓站MMC3電壓在故障瞬間有所跌落，故障切除后迅速恢復至定直流電壓控制，定有功功率站MMC1和MMC2電壓跌落至300 kV 附近，MMC 子模塊電容仍具備一定儲能，有助于混合級聯直流輸電系統快速恢復正常運行。

5 結論

本文提出一種基于FCL的混合級聯直流輸電系統故障穿越方法，基于PSCAD／EMTDC 搭建了混合級聯直流輸電系統仿真模型，對有、無FCL情況下逆變側LCC 換相失敗故障和MMC 單極接地故障波形進行仿真對比，得到以下結論。

1）所提FCL 在逆變側LCC 發生換相失敗故障時，通過將限流電阻接入，有效抑制直流過電流，防止MMC 閉鎖，起到保護MMC 閥組，降低保護控制難度的作用，且恢復過程良好，有助于系統快速穿越故障。

2）所提FCL 在逆變側MMC 發生單極接地故障時，可自動阻斷子模塊電容放電通路，保護MMC 閥組，維持一定的子模塊電容儲能，有助于故障后系統的重新恢復?；旌霞壜撝绷鬏旊娤到y可通過整流側LCC 的12 脈動閥組在線退出進入單極1/2 運行狀態，保證一定的功率傳輸。

3）所提FCL 主要采用晶閘管閥和限流電阻，經濟性強，且規避了高速、大容量直流斷路器研制問題和限流電感易造成的直流小擾動問題，具有較好的工程應用價值。

4）所提FCL 暫未考慮保護電路，其與晶閘管并聯RC保護電路等的交互影響，可作為未來進一步研究內容展開研究。

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