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統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow Controller,UPFC）是第3代柔性直流輸電裝置的典型代表，性能優(yōu)越，有著強(qiáng)大的潮流調(diào)節(jié)能力。隨著電力需求的不斷提高和新能源的普遍接入，柔性直流輸電成為實(shí)現(xiàn)各種能源交互流動、實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域電網(wǎng)的分區(qū)互聯(lián)、降低電網(wǎng)擾動、提高區(qū)域間的傳送功率等問題的有效手段。UPFC含有兩個(gè)電壓型變流器，可采用模塊化多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

模塊化多電平（Modular Multi-level Converter, MMC）因其模塊化的結(jié)構(gòu)適應(yīng)了直流輸電中高電壓等級的要求以及模塊化設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)冗余度等特點(diǎn)，且具有動態(tài)響應(yīng)快速、不存在換相失敗風(fēng)險(xiǎn)、能獨(dú)立控制有功和無功功率等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于模塊化多電平技術(shù)的UPFC（簡稱MMC-UPFC）具有更廣闊的應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)外針對MMC的研究大多集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型、控制器設(shè)計(jì)、工程實(shí)際應(yīng)用等方面。文獻(xiàn)[7-9]針對聯(lián)接變壓器繞組的不同接線方式，分析其不同故障特性以及對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，但并未涉及UPFC裝置。文獻(xiàn)[10]重點(diǎn)關(guān)注了MMC-UPFC在閥側(cè)短引線單相接地故障情況的故障特性，并沒有提出保護(hù)配置方案設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[11-13]針對MMC-HVDC的幾種故障類型，設(shè)計(jì)了具體的主后背保護(hù)配置，為MMC-UPFC裝置的保護(hù)方案設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。文獻(xiàn)[14]提出了優(yōu)化的閥側(cè)短引線差動保護(hù)以及串聯(lián)變壓器差動保護(hù)，但缺少實(shí)驗(yàn)支撐，難以驗(yàn)證其可行性。

我國長距離輸電線路眾多，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，但現(xiàn)有的研究忽視了當(dāng)在交流線路上發(fā)生接地或短路故障時(shí)，MMC-UPFC串聯(lián)變換器可能承受過電壓和短路電流的沖擊而導(dǎo)致燒毀，因此相關(guān)的研究工作亟待展開。

結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，為彌補(bǔ)MMC-UPFC故障特性分析及保護(hù)配置方案設(shè)計(jì)在實(shí)際工程應(yīng)用中的空白，本文對此展開研究。首先介紹了MMC-UPFC的基本結(jié)構(gòu)；因單相接地故障是交流線路上發(fā)生概率最高的故障，因此本文針對MMC-UPFC裝置在交流母線上發(fā)生單相接地故障情況下的運(yùn)行狀態(tài)，分析其故障特性。

本文提出定義比例參數(shù)k，并合理選擇k的值，可以使得故障接地電流為0，此時(shí)仍能保持故障線路的持續(xù)運(yùn)行，保持輸電線路上功率的傳輸，保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)MMC-UPFC本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)及并聯(lián)側(cè)、串聯(lián)側(cè)不同的交流側(cè)結(jié)構(gòu)，提出將并聯(lián)側(cè)及串聯(lián)側(cè)分區(qū)進(jìn)行保護(hù)，并設(shè)計(jì)了裝置的整體保護(hù)配置方案，為實(shí)際工程提供參考。然后，結(jié)合PSCAD軟件搭建模型進(jìn)行仿真分析，以220kV南京西環(huán)網(wǎng)UPFC項(xiàng)目中人工短路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體分析，驗(yàn)證所提方案的合理性和可行性。

圖1 MMC-UPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖19 220 kV南京西環(huán)網(wǎng)MMC-UPFC人工短路實(shí)驗(yàn)示意圖

圖20 人工短路故障實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

結(jié)論

本文研究了MMC-UPFC在線路發(fā)生單相接地故障的情況下的運(yùn)行特性，并設(shè)計(jì)了MMC-UPFC裝置的整體保護(hù)配置方案，最后以220 kV南京西環(huán)網(wǎng)MMC-UPFC項(xiàng)目中人工短路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1）針對交流系統(tǒng)故障，當(dāng)交流母線上發(fā)生單相接地故障，通過調(diào)節(jié)MMC-UPFC裝置向線路提供串聯(lián)電壓，定義比例參數(shù)k，并合理選擇k的值，可以使得故障接地電流為0，故障電流的正序分量為0，但此時(shí)故障線路上仍有正序電流（線路潮流），能保持故障線路的持續(xù)運(yùn)行和輸電線路上功率的傳輸，保證電網(wǎng)的可靠性運(yùn)行。

2）針對站內(nèi)故障，本文針對MMC-UPFC本身裝置的特性及并聯(lián)側(cè)、串聯(lián)側(cè)不同的交流側(cè)結(jié)構(gòu)，提出將并聯(lián)側(cè)及串聯(lián)側(cè)分區(qū)進(jìn)行保護(hù)，設(shè)計(jì)了裝置的整體保護(hù)配置方案，并研究了與交流系統(tǒng)上其他保護(hù)的配合運(yùn)行，為實(shí)際工程提供參考。

3）南京西環(huán)網(wǎng)UPFC人工單相接地短路實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MMC-UPFC裝置能按預(yù)定策略退出并恢復(fù)運(yùn)行，故障過程中系統(tǒng)保護(hù)、MMC-UPFC控制保護(hù)均動作正確，設(shè)備經(jīng)檢查完好無異常。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提故障運(yùn)行特性和保護(hù)配置方案的合理性和可行性。