MMC 换流站中压柔性直流供电系统在主动限流控制下的故障检测方法

《Electric Power Systems Research》：Fault detection methods for medium-voltage flexible DC power supply systems under active current limiting control at MMC converter stations

　　

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  提出一种基于MMC的柔性直流系统在主动限流控制下的故障检测方法，针对故障特性衰减问题。
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  提出一种LGC优化的FMD自适应分解方法，以优化参数并提取故障特征。
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  建立一种基于AE-MIC的联合IMF判据，以在噪声运行条件下识别各种故障。

引言

随着城市轨道交通的不断发展，中压柔性直流供电系统因其高效率、高稳定性和高灵活性而成为关键解决方案[1,2]。MMC在直流供电系统中表现出色。凭借其灵活的 controllability、低开关频率和功率损耗以及高能效[3,4]，MMC已被应用于广州地铁8号线东延段柔性直流供电项目中作为AC/DC变换器。其运行状态直接影响供电系统的整体稳定性。

然而，MMC系统由大量子模块组成，结构高度复杂。在发生直流侧短路故障时，换流站处的瞬态故障电流通常被主动限流控制抑制，从而限制其快速上升[5]。传统故障检测方法在换流站限流条件下识别故障类型时仍面临挑战，特别是双极金属性短路故障[6,7]。因此，在MMC换流站主动限流条件下，快速准确地检测中压柔性直流供电系统的故障具有重要的实际意义和研究价值。

现有研究从不同角度研究了基于MMC的直流系统的故障检测和策略。参考文献[8]提出了一种基于自适应噪声完备经验模态分解的线路故障检测方法，提高了抗噪声能力并避免了时钟同步引起的误差；然而，它未考虑MMC换流站主动限流控制引起的故障电流抑制。参考文献[9]开发了一种基于特征选择的电弧故障诊断框架，但其有限的物理可解释性可能在遇到未知故障时降低识别准确率。参考文献[10]提出了一种基于谐波信号注入的限流条件下分层协调保护与诊断策略，但忽略了信号注入延迟对故障后响应速度的影响。参考文献[11]研究了基于故障暂态行波特征的多端混合架空-海底MMC-HVDC输电线路的故障区段检测。参考文献[12]表明，传统方法在高过渡电阻和强噪声条件下可靠性和选择性有限。最近，基于自适应特征提取和熵分析的方法引起了越来越多的关注。参考文献[13]建立了MMC系统故障计算的微分方程；然而，该方法在柔性直流供电系统中的适用性和准确性仍有待验证。

对中压柔性直流供电系统的故障前和故障后数据进行分析表明，故障电流包含大量高频和脉冲分量。FMD专门设计用于提取脉冲和周期性信号，也能可靠地捕获反映故障特征的高频分量[14,15]。与CEEMDAN和变分模态分解相比，FMD不受滤波器形状或带宽的限制，适应性更强，能够提取更多有用的故障特征。然而，FMD仍然依赖于两个关键参数的手动选择，即模式数和滤波器长度，且缺乏自适应机制。参数设置不当会显著降低其分解性能和效率。

综上所述，在MMC换流站主动限流控制下，中压柔性直流供电系统的瞬态故障特性显著衰减，限制了大多数传统故障检测方法特征提取能力。因此，本文提出了一种基于LGC-FMD的故障检测方法，其中LGC算法用于优化FMD，从而提高主动限流条件下各种故障类型的识别准确率。

在MATLAB/Simulink中建立了包含换流站限流控制的中压柔性直流供电系统，如图1所示，并进行了直流侧故障仿真。本文的主要贡献总结如下：

• 1)
  该方法能够快速分解采集的电流信号，并利用IMF联合判据准确识别故障特征并触发适当响应。
• 2)
  提出了一种基于AE和MIC的联合IMF判据。该判据选择LGC-FMD方法分解出的信息量最高的IMF。利用该特征IMF进行故障检测，提高了灵敏度和准确率。

章节摘要

中压柔性直流系统的运行原理、控制策略和故障特性分析

柔性牵引供电系统的配置如图1所示。该系统由外部电源、MMC换流站、牵引变电所、故障监控装置、列车负载和中压直流网络组成。系统从城市电网或其他外部电源获取电能。经过电压变换后，能量通过变压器输送到MMC换流站。MMC换流站随后将交流电

基于LGC-FMD的故障检测方法

在中压柔性直流供电系统中，快速准确地检测直流侧故障并及时响应对于提高系统可靠性至关重要。因此，本节提出了一种基于LGC-FMD-AE-MIC算法的中压柔性直流供电系统故障检测方法。在换流站主动限流控制下，该方法能够快速准确地区分直流侧故障电流和正常运行

案例研究与研究结果

使用MATLAB/Simulink开发了图1所示的柔性中压直流供电系统。该模型包含臂电感、子模块电容电压动态和环流抑制控制器，能够准确表征MMC内部瞬态特征。包括外层电压控制环、内层电流控制环和环流抑制策略在内的完整控制系统结构如图4所示。系统

结论

本文提出了一种在换流站主动限流控制下运行的中压柔性直流供电系统的直流侧故障检测方法。所提出的方法对采集的电流信号进行自适应分解和特征值分析，无需闭锁换流站，并基于故障电流特征值识别故障。理论分析和仿真结果均验证了所提出方法的有效性。

• 1)
  当直流侧发生

CRediT作者贡献声明

Wei Liu：写作–审阅与编辑。Xiaoyan Zhang：写作–原始草稿。Juxia Ding：监督。Xiaodong Zhang：写作–审阅与编辑。Jian Zhang：调查。Jiayi Wu：概念化。

Wei Liu|Xiaoyan Zhang|Juxia Ding|Xiaodong Zhang|Jian Zhang|Jiayi Wu