统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller,UPFC）是第3代柔性直流输电装置的典型代表，性能优越，有着强大的潮流调节能力。随着电力需求的不断提高和新能源的普遍接入，柔性直流输电成为实现各种能源交互流动、实现不同区域电网的分区互联、降低电网扰动、提高区域间的传送功率等问题的有效手段。UPFC含有两个电压型变流器，可采用模块化多电平的拓扑结构。

模块化多电平（Modular Multi-level Converter, MMC）因其模块化的结构适应了直流输电中高电压等级的要求以及模块化设计提高系统冗余度等特点，且具有动态响应快速、不存在换相失败风险、能独立控制有功和无功功率等优点。因此，基于模块化多电平技术的UPFC（简称MMC-UPFC）具有更广阔的应用前景。

目前国内外针对MMC的研究大多集中在拓扑结构、数学模型、控制器设计、工程实际应用等方面。文献[7-9]针对联接变压器绕组的不同接线方式，分析其不同故障特性以及对系统运行的影响，但并未涉及UPFC装置。文献[10]重点关注了MMC-UPFC在阀侧短引线单相接地故障情况的故障特性，并没有提出保护配置方案设计。

文献[11-13]针对MMC-HVDC的几种故障类型，设计了具体的主后背保护配置，为MMC-UPFC装置的保护方案设计提供了参考依据。文献[14]提出了优化的阀侧短引线差动保护以及串联变压器差动保护，但缺少实验支撑，难以验证其可行性。

我国长距离输电线路众多，电网结构相对薄弱，但现有的研究忽视了当在交流线路上发生接地或短路故障时，MMC-UPFC串联变换器可能承受过电压和短路电流的冲击而导致烧毁，因此相关的研究工作亟待展开。

结合国内外研究现状，为弥补MMC-UPFC故障特性分析及保护配置方案设计在实际工程应用中的空白，本文对此展开研究。首先介绍了MMC-UPFC的基本结构；因单相接地故障是交流线路上发生概率最高的故障，因此本文针对MMC-UPFC装置在交流母线上发生单相接地故障情况下的运行状态，分析其故障特性。

本文提出定义比例参数k，并合理选择k的值，可以使得故障接地电流为0，此时仍能保持故障线路的持续运行，保持输电线路上功率的传输，保证电网的可靠运行。在此基础上，根据MMC-UPFC本身的拓扑结构特点及并联侧、串联侧不同的交流侧结构，提出将并联侧及串联侧分区进行保护，并设计了装置的整体保护配置方案，为实际工程提供参考。然后，结合PSCAD软件搭建模型进行仿真分析，以220kV南京西环网UPFC项目中人工短路实验进行具体分析，验证所提方案的合理性和可行性。

图1 MMC-UPFC拓扑结构

图19 220 kV南京西环网MMC-UPFC人工短路实验示意图

图20 人工短路故障实验现场

结论

本文研究了MMC-UPFC在线路发生单相接地故障的情况下的运行特性，并设计了MMC-UPFC装置的整体保护配置方案，最后以220 kV南京西环网MMC-UPFC项目中人工短路实验进行验证，得到以下结论：

1）针对交流系统故障，当交流母线上发生单相接地故障，通过调节MMC-UPFC装置向线路提供串联电压，定义比例参数k，并合理选择k的值，可以使得故障接地电流为0，故障电流的正序分量为0，但此时故障线路上仍有正序电流（线路潮流），能保持故障线路的持续运行和输电线路上功率的传输，保证电网的可靠性运行。

2）针对站内故障，本文针对MMC-UPFC本身装置的特性及并联侧、串联侧不同的交流侧结构，提出将并联侧及串联侧分区进行保护，设计了装置的整体保护配置方案，并研究了与交流系统上其他保护的配合运行，为实际工程提供参考。

3）南京西环网UPFC人工单相接地短路实验结果表明MMC-UPFC装置能按预定策略退出并恢复运行，故障过程中系统保护、MMC-UPFC控制保护均动作正确，设备经检查完好无异常。经实验验证了所提故障运行特性和保护配置方案的合理性和可行性。