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对于采用架空线的基于模块化多电平换流器的高压直流（MMC-HVDC）电网，直流侧接地短路故障发生率高，严重危害电网安全。在各类影响因素中，接地方式对故障电流演化影响明显。教育部光伏系统工程研究中心（合肥工业大学）的研究人员茆美琴、程德健、袁敏、陆辉、施永，在2022年第3期《电工技术学报》上撰文，从系统的宏观能量转移与耗散的角度提出了基于暂态能量流（TEF）分析的接地参数优化方法，对接地电阻、电抗参数及接地点位置等因素对MMC-HVDC电网直流短路故障电流的演化影响进行了分析。研究结果表明该参数优化方法能有效地指导接地参数的设计，抑制直流故障电流和健全极过电压。
模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）自21世纪初问世以来，以其低损耗、波形质量高、制造难度低和阶跃电压低等明显优势在近年来获得快速发展。预计其在新能源并网方面具有良好的应用前景，有望成为未来构建高压直流（High Voltage Direct Current, HVDC）电网的关键技术。
其中，采用半桥子模块（Half Bridge Sub Module, HBSM）的基于模块化多电平变换器的高压直流（MMC-HVDC）电网以其成本优势成为目前应用的主流，如典型应用案例张北示范工程。然而，这种子模块拓扑下的换流器不具备故障自清除能力，因此必须依靠其他保护设备——直流断路器（DC Circuit Breakers, DCCB），切断故障线路实现故障清除与恢复。
依据现有的HVDC电网结构，主要分为对称单极接线与双极接线两种形式。其接地方式可分为交流侧接地和直流侧接地两种类型。交流侧接地包括联接变压器阀侧经星形连接电抗器串联电阻接地，联接变压器中性点串电阻或大电抗接地，主要用于对称单极系统；直流侧接地包括中性点经钳位电容或电阻接地，主要用于双极结构。
现有相关文献对不同接地方式下的故障机理进行了充分分析。但主要针对称单极接线方式、单极对地故障（Pole-to-Ground Short Circuit Fault, PTGF）对系统性能做了多方面的分析。与单极接线方式系统不同，双极HVDC电网，由于接线形式的差异，通常采用直流侧中性点直接接地，或经金属回线接电阻或电抗接地。
相比单极电网，双极电网可以提高可靠性并减少单极大地大负荷运行时对环境的影响，如张北工程即采用金属回线接15Ω电阻接地。有关文献充分分析论证了合适的接地方式在双极MMC-HVDC电网中的重要作用，但多停留在机理分析阶段，多关于金属回线问题，电网系统内接地阻抗、接地地点的具体设置的优化方面鲜有涉及。因此分析接地位置对MMC-HVDC电网PTGF的影响，并对其规划提出合理性建议具有重要的意义。
直流侧短路故障打破了原有的系统能量平衡状态，使得系统电容和电感之间存在大量的能量交换，并伴随着电流和电压的剧烈变化。因此，如果能够从抑制元件或支路注入/吸收的电磁暂态能量出发，分析接地方式及参数对MMC-HVDC电网故障电流时空演化的规律，则更能把握问题的本质。
为此，教育部光伏系统工程研究中心（合肥工业大学）的茆美琴教授团队提出了暂态能量流（Transient Energy Flow, TEF）的分析指标，并基于TEF分析了直流侧PTGF条件下，接地方式对直流故障演化的影响。
相对于传统的以故障电流为主的分析方法，TEF具有以下几个优点：①TEF可由暂态功率计算得到。因此，在对短路故障进行优化分析时，相较于故障电流和电压，TEF能够从能量的角度统一、综合地反映电压和电流故障特征的时空分布演化。这样，可以将不同因素对故障电流演化的影响采用统一的指标来进行量化评价。②TEF是功率在一段时间内的积分，反映了故障电流、电压的持续作用产生的累积影响。这种累积影响在实际工程中一直被关注，例如在对断路器进行设计时，不仅需要满足故障电流峰值的要求，还要满足所提供的总能量的要求。
图1 四端MMC-HVDC电网
研究团队针对半桥子模块型的MMC-HVDC电网，详细分析了变换器交流侧注入、子模块电容及相邻线路三部分的TEF抑制率与抑制效率，并基于此形成对应的TEF综合目标函数，以接地点及接地阻抗参数为优化变量，同时考虑故障位置与中性线电抗的影响，从而构建完整的优化模型。
图1 优化结果对比
科研人员通过建立四端双极MMC-HVDC电网PTGF的PSCAD/EMTDC模型，对所提出的模型的有效性进行了验证，并得出如下结论：
1）基于暂态能量流抑制率和抑制效率的接地优化计算表明，最优接地配置与网架结构密切相关。在暂态能量流的抑制效果上，接地电感要优于接地电阻，但与此同时接地电感会引起严重的健全极过电压；接地位置位于功率接受端对故障电流的抑制效果要优于接地位置位于功率输送端时的限流效果。因此，综合考量本研究的优化结果为在换流站4采用30Ω电阻接地。
2）若同时考虑故障点位置的影响，并将中性线电抗增加为优化对象，从TEF抑制效果上看，电抗越大越好，而受制于控制性能的要求，300mH中性线电抗被认为是较好的选择。
3）需要注意的是，本研究针对四端双极MMC-HVDC电网的接地方式优化结果，是综合考虑接地点、接地电抗、接地电阻和中性线电抗，以及兼顾故障电流和健全极电压两个方面约束得到的优化方案，对工程实际的接地设置具有一定的参考价值。如果相应的条件改变或网架结构及其他参数的改变，所得变量具体优化值亦可能改变。但本研究提出的优化建模方法具有通用性，只需根据故障线路的并联数适当修改目标函数即可推广至复杂MMC-HVDC电网接地方式的优化。
本文编自2022年第3期《电工技术学报》，论文标题为“基于暂态能量流的模块化多电平高压直流电网接地优化配置”，作者为茆美琴、程德健 等。
天津大学讲师、博导肖迁：多电平变换器及其 在电力电子化电力系统中的应用
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