交直流混合配電網(wǎng)交流接地故障隔離策略

李 強(qiáng)，李 瑋，賀思林，吳開(kāi)宇，王 丹，毛承雄

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司，武漢 430013；2.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

隨著城市用電負(fù)荷總量的持續(xù)增加、用電負(fù)荷類(lèi)型的多樣化，我國(guó)城市傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)面臨供電能力不足、供電可靠性不高的問(wèn)題。全球能源危機(jī)促進(jìn)了分布式可再生能源發(fā)電的迅速發(fā)展，分布式發(fā)電的功率波動(dòng)對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)。直流配電技術(shù)在提高供電可靠性和分布式發(fā)電并網(wǎng)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，而交直流混合配電網(wǎng)作為配電網(wǎng)轉(zhuǎn)型的方向具有很大的發(fā)展前景[1-2]。交直流混合配電網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①減少AC/DC和DC/AC變換環(huán)節(jié)，降低成本及能量損耗；②兼容直流、交流負(fù)荷靈活接入；③利用直流系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制[3]。交直流混合配電網(wǎng)是未來(lái)配電網(wǎng)的重要發(fā)展方向。

電壓源換流器VSC（voltage sourced converter）是交直流混合配電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)電能變換的核心。常見(jiàn)的VSC根據(jù)拓?fù)淇梢苑譃閮呻娖健⑷娖胶投嚯娖綋Q流器，其中模塊化多電平換流器MMC（modu?lar multilevel converter）因?yàn)槠淠K化、開(kāi)關(guān)頻率低和諧波含量低的優(yōu)勢(shì)在中高壓的輸配電中得到了廣泛的應(yīng)用[4-6]。在柔性直流輸配電工程中，換流變壓器起到了電壓等級(jí)變換、隔離交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)、抑制過(guò)電壓和諧波的作用。在交直流混合配電網(wǎng)中，直流配電網(wǎng)電壓等級(jí)、交流電壓等級(jí)和負(fù)荷電壓相匹配[7]，不需要額外的電壓等級(jí)變換，而MMC本身諧波含量低，可以省去額外的諧波抑制。考慮到交直流混合配電網(wǎng)的特性、MMC的優(yōu)勢(shì)、換流變壓器的成本、體積和效率，交直流混合配電網(wǎng)中無(wú)換流變壓器的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注[8-9]。

換流器采用正負(fù)序分解的電流矢量控制策略來(lái)抑制交流配電網(wǎng)中的負(fù)序電流，保證換流器交流電流三相平衡[10]。然而，由于沒(méi)有換流變壓器隔離交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)，交流接地故障產(chǎn)生的零序電流會(huì)經(jīng)直流配電網(wǎng)流入非故障的交流配電網(wǎng)中。零序電流會(huì)造成三相電壓疊加零序分量，非故障交流配電網(wǎng)會(huì)呈現(xiàn)和故障交流配電網(wǎng)一樣的電壓特性。對(duì)于小電流接地系統(tǒng)，單相接地故障僅會(huì)觸發(fā)線路報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)，配電網(wǎng)能持續(xù)運(yùn)行1～2 h，但如果故障傳播至非故障交流配電網(wǎng)，會(huì)造成線路報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)的誤動(dòng)作，給故障排除帶來(lái)極大的困難。

為了避免交流接地故障傳播，需要阻止零序電流流入直流配電網(wǎng)。文獻(xiàn)[11]提出在無(wú)換流變MMC高壓直流輸電HVDC（high voltage DC trans?mission）系統(tǒng)中使用基于比例諧振PR（proportion resonant）環(huán)節(jié)的零序電流控制器來(lái)抑制零序電流在互聯(lián)的交流系統(tǒng)間流動(dòng)；文獻(xiàn)[12]考慮了無(wú)聯(lián)接變?nèi)嶂迸潆娋W(wǎng)中的零序電流抑制，并提出了基于比例積分PI（proportion integration）環(huán)節(jié)的抑制控制策略；文獻(xiàn)[13]則是從零序電壓抑制的角度來(lái)阻止單相接地故障造成非故障站的電壓畸變。但文獻(xiàn)[11-13]均沒(méi)有介紹如何解決零序電流抑制帶來(lái)的過(guò)調(diào)制問(wèn)題。文獻(xiàn)[14]定量分析了MMC調(diào)制比與過(guò)調(diào)制的關(guān)系，給出了提高直流電壓等級(jí)來(lái)降低調(diào)制比、避免過(guò)調(diào)制的方法，以及使用混合子模塊MMC來(lái)提高換流器可承受調(diào)制比的思路，但沒(méi)有給出具體實(shí)現(xiàn)的調(diào)制策略。在上述研究基礎(chǔ)上，本文提出了帶零序電壓前饋的基于PR環(huán)節(jié)的零序電流控制器，控制器兼顧了響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性，并設(shè)計(jì)了帶電容充放電控制的混合子模塊MMC調(diào)制策略，系統(tǒng)地解決了過(guò)調(diào)制問(wèn)題。

本文共分為4個(gè)部分：第1節(jié)介紹了交直流混合配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并以發(fā)生率較高的單相接地故障為例，分析了交直流混合配電網(wǎng)的故障特性，從直流側(cè)電位參考點(diǎn)對(duì)地電壓波動(dòng)和零序電流的角度，解釋了故障傳播至非故障配電網(wǎng)的原理；第2節(jié)在故障特性分析的基礎(chǔ)上提出了基于PR控制的零序電流控制器，并提出混合子模塊MMC調(diào)制策略和全橋子模塊電容充放電策略來(lái)解決零序電流控制帶來(lái)的過(guò)調(diào)制問(wèn)題；第3節(jié)根據(jù)交直流混合配電網(wǎng)的具體參數(shù)，在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提控制策略隔離單相接地故障和兩相接地短路故障的有效性；第4節(jié)對(duì)交直流混合配電網(wǎng)交流接地故障隔離的研究進(jìn)行了總結(jié)。

1 交直流混合配電網(wǎng)單相接地故障特性

1.1 交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)大型城市10 kV配電網(wǎng)屬于小電流接地系統(tǒng)，變壓器中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地或經(jīng)電阻接地。為了簡(jiǎn)化分析，本文所研究的系統(tǒng)中10 kV交流配電網(wǎng)均為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，110/10 kV變壓器選擇Y/Δ接線方式；10/0.4 kV變壓器選擇Δ/Yn接線方式，使用Δ接線的恒阻抗負(fù)荷模型代替低壓配電網(wǎng)。交直流混合配電網(wǎng)的一種可能的簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，1條±10 kV的直流母線上引出多條出線與交流、直流系統(tǒng)相連。

圖1 交直流混合配電網(wǎng)簡(jiǎn)化拓?fù)銯ig.1 Simplified topology of AC/DC hybrid distribution network

不同于交流配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式，文獻(xiàn)[15]從交流側(cè)和直流側(cè)兩個(gè)方面研究了換流器和直流配電網(wǎng)的接地方式。換流器交流側(cè)接地根據(jù)換流變壓器的接線方式可以分為兩種：Δ/Yn接線的換流變壓器等效為換流器交流側(cè)有接地點(diǎn)；Yn/Δ接線的換流變壓器等效為換流器交流側(cè)無(wú)接地點(diǎn)。換流器交流側(cè)無(wú)接地點(diǎn)的情況下，瞬時(shí)性的交流接地故障發(fā)生在系統(tǒng)交流線路時(shí)，會(huì)導(dǎo)致交流側(cè)三相電壓在故障后出現(xiàn)直流偏移的現(xiàn)象。對(duì)于無(wú)換流變壓器交直流混合配電網(wǎng)，交流側(cè)無(wú)接地點(diǎn)。為了避免直流偏移現(xiàn)象的出現(xiàn)，文獻(xiàn)[16]提出了一種交流側(cè)星型電抗疊加中性點(diǎn)電阻接地的方式，在不改變10 kV配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)特性的同時(shí)提供了零電位參考點(diǎn)。

圖1中AC/DC換流器采用MMC結(jié)構(gòu)。交流側(cè)采用星型電抗疊加中性點(diǎn)電阻接地，直流側(cè)不接地，但有1個(gè)虛擬的電位參考點(diǎn)O，其對(duì)交流側(cè)接地點(diǎn)的電位為VO，如圖2（a）所示，其中Leq為換流器等效電抗[17]，可表示為

圖2（a）中MMC上下橋臂采用混合子模塊結(jié)構(gòu)，由如圖2（b）所示的半橋子模塊HBSM（halfbridge submodule）和全橋子模塊FBSM（full-bridge submodule）構(gòu)成。其中HBSM和FBSM的數(shù)量與直流配電網(wǎng)電壓和子模塊電容電壓密切相關(guān)，需要結(jié)合具體要求選取兩種子模塊的數(shù)量。

HBSM由兩個(gè)帶反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）和直流電容組成。根據(jù)兩個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，HBSM可以工作在投入（VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷）、切除（VT1關(guān)斷，VT2導(dǎo)通）和閉鎖（VT1和VT2均關(guān)斷）狀態(tài)。投入狀態(tài)下，HBSM輸出電壓等于電容電壓；切除狀態(tài)下，HBSM輸出電壓等于0；閉鎖狀態(tài)常見(jiàn)于啟動(dòng)和故障時(shí)。

FBSM由4個(gè)帶反并聯(lián)二極管的IGBT和直流電容組成。根據(jù)4個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，F(xiàn)BSM可以工作在正投入（VT1和VT4導(dǎo)通，VT2和VT3關(guān)斷）、負(fù)投入（VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3導(dǎo)通）、切除（VT1和 VT3導(dǎo)通，VT2和 VT4關(guān)斷）和閉鎖（VT1、VT2、VT3和VT4均關(guān)斷）狀態(tài)。正投入狀態(tài)下，F(xiàn)BSM輸出電壓等于電容電壓；負(fù)投入狀態(tài)下，F(xiàn)BSM輸出電壓等于負(fù)電容電壓；切除狀態(tài)下，F(xiàn)BSM輸出電壓等于0；閉鎖狀態(tài)常見(jiàn)于啟動(dòng)和故障時(shí)。

換流器采用電壓電流雙閉環(huán)控制。外環(huán)控制中，換流器1作為主站，工作在定直流電壓、定無(wú)功功率模式下；換流器2作為從站，工作在定有功功率、定無(wú)功功率模式下。內(nèi)環(huán)控制采用基于正負(fù)序分解的電流矢量控制策略[10]，在dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，可以獨(dú)立控制正負(fù)序電流，正序電流的指令值由外環(huán)控制器計(jì)算得到，負(fù)序電流的指令值為0，保證換流器交流側(cè)三相電流平衡。換流器控制器如圖3所示。

圖2 MMC及子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topologies of MMC and its submodule

圖3 換流器控制器Fig.3 Converter controller

圖3中，下標(biāo)i（i=1，2）代表?yè)Q流器編號(hào)；負(fù)序電流指令值和為0；正序電流指令值和由圖3（a）中的外環(huán)控制器給出；θi為換流器i交流側(cè)公共連接點(diǎn)PCC（point of common coupling）處的正序電壓相位；和分別為換流器i交流側(cè)正序電流的d軸和q軸分量；和分別為換流器i交流側(cè)負(fù)序電流的d軸和q軸分量；和分別為換流器i交流側(cè)PCC處正序電壓的d軸和q軸分量；和分別為換流器i交流側(cè)PCC處負(fù)序電壓的d軸和q軸分量。換流器交流側(cè)PCC處的正負(fù)序的電壓、電流可以通過(guò)文獻(xiàn)[18]提出的多重復(fù)數(shù)濾波法 MCCF（multiple complex coefficient filter）得到。MCCF基于控制頻率的帶通濾波器，能快速精確地分離交流系統(tǒng)不對(duì)稱時(shí)各電氣量的正負(fù)序基波及諧波成分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

在換流器控制策略已知的條件下，可以分析交流接地故障下的交直流混合配電網(wǎng)故障特性。單相接地故障較兩相接地短路故障出現(xiàn)的可能性更高，且兩種故障均會(huì)產(chǎn)生零序電流導(dǎo)致故障經(jīng)直流配電網(wǎng)傳播。因此本文選擇單相接地故障為分析對(duì)象。

1.2 交流配電網(wǎng)故障特性

若單相接地故障發(fā)生在圖1中線路3起點(diǎn)，C相為故障相，由于小電流接地系統(tǒng)的特性，故障相電壓變?yōu)?，非故障相電壓變?yōu)楣收锨暗谋丁榱撕?jiǎn)化分析，假設(shè)換流器2交流側(cè)PCC處(PCC2)電壓與故障點(diǎn)電壓相同，其電壓矢量如圖4所示。

圖4 換流器2交流PCC處電壓矢量Fig.4 Voltage vector at PCC of converter 2 on AC side

式中：Vm為PCC2處電壓矢量的幅值；θ2為PCC2處電壓矢量的相位；ω為PCC2處電壓矢量的角頻率。

故障后PCC2處三相相電壓為

為了分離相電壓中的零序分量，對(duì)PCC2處三相相電壓做abc/αβ0變換，變換后的電壓表達(dá)式分別為

從式（4）和式（5）可知，故障前后 PCC2處三相相電壓在α和β軸上分量相同，故障前零序電壓分量為0，故障后存在零序電壓分量。

利用文獻(xiàn)[19]提出的根據(jù)電壓在α和β軸上分量計(jì)算電壓正序空間矢量和負(fù)序空間矢量的方法，得到故障前后PCC2處三相相電壓在α和β軸上正序和負(fù)序分量如下：

由式（6）可知，單相接地故障不產(chǎn)生電壓負(fù)序分量，故障前后相電壓的正序分量不變。

為了分析單相接地故障對(duì)換流器控制的影響，需對(duì)換流器2的控制參數(shù)、和、進(jìn)行計(jì)算，對(duì)式（6）中參數(shù)做αβ/dq變換，定義變換矩陣T（ξ）為

式中，對(duì)于正序分量，ξ=ωt+θ2；對(duì)于負(fù)序分量，ξ=-( )ωt+θ2。計(jì)算可得控制參數(shù)故障前后保持不變，即

對(duì)于小電流接地系統(tǒng)，單相接地故障發(fā)生后，系統(tǒng)故障電流遠(yuǎn)小于負(fù)荷電流，因此PCC2處的線電流及相電流保持不變。此外，單相接地故障不影響功率交換，因此換流器外環(huán)控制器輸入和輸出參數(shù)保持不變。結(jié)合式（8）可知，換流器2內(nèi)環(huán)控制器的輸入?yún)?shù)不變，因此換流器2的三相電壓參考波保持不變。

如果采用線電壓作為控制器輸入，單相接地故障前后線電壓不變，變換到dq0坐標(biāo)系下，控制參數(shù)故障前后保持一致，但忽視了零序電壓分量，故障特性與相電壓作為控制器輸入時(shí)保持一致。

1.3 直流配電網(wǎng)故障特性

換流器2的三相電壓參考波在故障前后保持不變，根據(jù)功率傳輸?shù)幕靖拍睿瑩Q流器2三相電壓參考波可表示為

式中：k為換流器電壓參考波幅值增益，與換流器傳輸?shù)臒o(wú)功功率相關(guān)；δ為換流器電壓參考波與PCC處電壓的相位差，與換流器傳輸?shù)挠泄β氏嚓P(guān)。換流器2電壓參考波三相對(duì)稱，不含負(fù)序和零序分量。

以換流器2的A相橋臂為例，根據(jù)MMC調(diào)制策略和式（9）可以計(jì)算A相上、下橋臂的電壓，即

換流器2直流側(cè)正負(fù)極之間的電位故障前后始終保持Vdc。設(shè)換流器2直流側(cè)正、負(fù)極相對(duì)于直流側(cè)電位參考點(diǎn)O的電壓分別為Vdc2P和Vdc2N，直流側(cè)電位參考點(diǎn)O的對(duì)地電壓為VO。結(jié)合式（10），以直流側(cè)電位參考點(diǎn)為參照，換流器2交流側(cè)A相對(duì)地等效電壓VcA2為

若以換流器2的交流接地點(diǎn)為參照，換流器2交流側(cè)A相對(duì)地等效電壓VcA2為

式中，IA2為流入換流器2的A相電流。

根據(jù)式（2）和式（3）可知故障前后換流器2的輸入電壓V2A0和V2Af。將V2A0和V2Af的表達(dá)式代入式（12），考慮到故障前后IA2基本保持不變，可得

式中，VcA20和VcA2f分別為故障前后的換流器2交流側(cè)A相對(duì)地等效電壓。

聯(lián)立式（11）和式（13）解得

式中，VO0、VOf分別為故障前后直流側(cè)電位參考點(diǎn)O的對(duì)地電壓。

故障后換流器2直流側(cè)電位參考點(diǎn)O的對(duì)地電壓在故障前的基礎(chǔ)上疊加了頻率為ω的零序電壓。由于直流側(cè)正負(fù)極對(duì)電位參考點(diǎn)O的電壓不變，因此正負(fù)極對(duì)地電壓也疊加了頻率為ω的零序電壓分量。很顯然，換流器1的直流側(cè)電壓參考點(diǎn)對(duì)地電壓與換流器2保持一致，包含了零序分量，滿足式（14）。

換流器1的控制系統(tǒng)不會(huì)受到配電網(wǎng)2單相接地故障的影響，因此換流器1的電壓參考波三相平衡，不包含零序分量，而直流側(cè)電位參考點(diǎn)對(duì)地電壓包含了零序分量，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器1交流側(cè)輸出電壓中疊加零序分量，參考式（11），配電網(wǎng)1將出現(xiàn)和配電網(wǎng)2一樣的故障特性。圖1中I0標(biāo)出了零序電流經(jīng)過(guò)直流配電網(wǎng)流入非故障交流配電網(wǎng)路徑。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文在正負(fù)序電流分解控制的基礎(chǔ)上提出了零序電流抑制策略及相應(yīng)的調(diào)制策略。

2 零序電流控制器及換流器調(diào)制策略

2.1 零序電流控制器

對(duì)于含有換流變壓器的交直流混合配電網(wǎng)，交流系統(tǒng)的零序電流無(wú)法通過(guò)換流變壓器，也就不需要考慮交流接地故障的隔離問(wèn)題。阻止零序電流流入換流器是實(shí)現(xiàn)故障隔離的一個(gè)解決方案。圖5給出了圖1中零序電流路徑的等效電路。

圖5 零序電流等效電路Fig.5 Equivalent circuit for zero-sequence current

以換流器2等效交流側(cè)A相電壓為例，根據(jù)式（12）和式（13）可知，通過(guò)控制換流器2交流側(cè)A相對(duì)地等效電壓VcA2，在故障期間疊加相應(yīng)的零序電壓分量，就能抑制零序電流流入換流器。

本文設(shè)計(jì)了如圖6所示的零序電流控制器。零序電流控制器的目標(biāo)是抑制線路電流零序分量，故以線路電流零序分量為輸入，利用PR控制器良好的選頻能力，得到電壓參考波的零序分量。同時(shí)增加零序電壓前饋環(huán)節(jié)，提高控制器響應(yīng)速度。

圖6 零序電流控制器Fig.6 Zero-sequence current controller

圖6中，Vi0和Ii0分別為PCCi處的電壓、電流零序分量；V0i為換流器i電壓參考波的零序分量。PR控制器的傳遞函數(shù)中，Kp和Kr分別為比例環(huán)節(jié)增益和諧振環(huán)節(jié)增益；ω0為諧振頻率；ωc為截止頻率。PR控制器僅對(duì)頻率為ω0的輸入有較好的放大作用。

在配電網(wǎng)2發(fā)生單相接地故障的理想情況下，換流器2電壓參考波只需要疊加PCC2點(diǎn)的電壓零序分量V20。換流器2三相電壓參考波可表示為

由式（15）可知，投入零序電流控制器后，電壓參考波的幅值可能超過(guò)1，存在過(guò)調(diào)制的問(wèn)題。正常工作情況下，換流器的調(diào)制比M=/。單相接地故障下，非故障相的相電壓為故障前的倍，對(duì)于非故障相調(diào)制比可達(dá)。此時(shí)換流器交流側(cè)非故障相輸出電壓失真。若想保證輸出電壓故障時(shí)不失真，則需要提高直流電壓等級(jí)，即降低正常工作時(shí)的調(diào)制比，經(jīng)計(jì)算直流電壓取±10kV時(shí)，投入零序電流控制器不會(huì)引起過(guò)調(diào)制。

2.2 換流器調(diào)制策略及FBSM電容充放電策略

直流電壓等級(jí)序列是根據(jù)交流電壓等級(jí)序列和常見(jiàn)直流負(fù)荷電壓等級(jí)設(shè)計(jì)確定的。為了在不提高直流電壓等級(jí)的前提下避免過(guò)調(diào)制問(wèn)題，本文利用FBSM可以輸出正、負(fù)電平的特性，設(shè)計(jì)了基于混合子模塊MMC的調(diào)制策略及FBSM電容充放電策略。

10 kV交流配電網(wǎng)單相接地故障下，非故障相電壓幅值可達(dá)10kV，而直流電壓僅有±10 kV。正常工作情況下，MMC每相上、下橋臂各設(shè)置10個(gè)額定電壓為2 kV的HBSM；故障時(shí)，交流電壓高出直流電壓的電壓差由FBSM來(lái)提供，因此MMC每相上、下橋臂還需增設(shè)3個(gè)額定電壓為2 kV的FB?SM。上、下橋臂HBSM和FBSM的電壓參考波如圖7所示，其中實(shí)線表示HBSM的電壓參考波，虛線表示FBSM的電壓參考波。在0～0.02 s內(nèi)，未出現(xiàn)過(guò)調(diào)制，HBSM的電壓參考波就是輸出電壓參考波，F(xiàn)BSM電壓參考波為0；在0.02～0.04 s內(nèi)，出現(xiàn)過(guò)調(diào)制，HBSM電壓參考波不變，F(xiàn)BSM電壓參考波是輸出電壓過(guò)調(diào)制的部分，通過(guò)死區(qū)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)處理。以t=0.025 s時(shí)上橋臂電壓最小值情況為例，HBSM全部處于切除環(huán)節(jié)，F(xiàn)BSM根據(jù)載波移相正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）的結(jié)果處在負(fù)投入和切除的狀態(tài)。

圖7 上、下橋臂電壓參考波Fig.7 Reference waveforms of voltage on upper and lower bridge arms

在1個(gè)電壓周期內(nèi)，F(xiàn)BSM工作在正投入和負(fù)投入的時(shí)間是相同的。但換流器每相橋臂的電流是由1/3的直流電流和1/2的相電流組成，因此根據(jù)換流器工作在整流還是逆變的情況，橋臂電流存在直流偏置，在1個(gè)電流周期內(nèi)，F(xiàn)BSM電流為正和電流為負(fù)的時(shí)間不相等。因此，長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，整流工況下?lián)Q流器的FBSM中電容處于充電狀態(tài)，逆變工況下則處于放電狀態(tài)。

為了使FBSM中電容電壓穩(wěn)定在2 kV，本文提出了一種電容充放電策略。前文調(diào)制策略中，F(xiàn)B?SM在非過(guò)調(diào)制時(shí)處于切除狀態(tài)，因此可以利用非過(guò)調(diào)制期間，對(duì)FBSM進(jìn)行充放電，此時(shí)FBSM均處于正投入狀態(tài)替代HBSM。假設(shè)橋臂電流的正方向?yàn)樨?fù)極流向正極。對(duì)于正投入的FBSM，橋臂電流為正時(shí)子模塊放電，橋臂電流為負(fù)時(shí)子模塊充電。考慮投入了FBSM，HBSM的電壓參考波如圖8所示。

圖8 HBSM電壓參考波Fig.8 Reference waveforms of HBSM voltage

圖8中，實(shí)線表示無(wú)充放電控制下HBSM電壓參考波，虛線表示充放電控制下HBSM電壓參考波。充放電控制不能工作在過(guò)調(diào)制期間，充放電控制期間上橋臂或下橋臂至少要保證3個(gè)FBSM處于正投入狀態(tài)。因此在虛線幅值為（-1.0 p.u.，0.4 p.u.），即實(shí)線幅值為（-0.4 p.u.，1.0 p.u.）之間時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)充放電控制。

充電控制判據(jù)包括：FBSM平均電壓低于1.95 kV；輸出電壓參考波在（-0.4 p.u.，1.0 p.u.）之間；橋臂電流為負(fù)。當(dāng)FBSM平均電壓高于2.00 kV時(shí)停止充電。

放電控制判據(jù)包括：FBSM平均電壓高于2.05 kV；輸出電壓參考波在（-0.4 p.u.，1.0 p.u.）之間；橋臂電流為正。當(dāng)FBSM平均電壓低于2.00 kV時(shí)停止放電。

由表1中規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，任何情況下HBSM的電壓參考波疊加FBSM的電壓參考波都等于輸出電壓參考波。

表1 子模塊電壓參考波規(guī)律Tab.1 Law for reference waveforms of submodule voltage

3 交直流混合配電網(wǎng)仿真建模

為了驗(yàn)證無(wú)換流變壓器交直流混合配電網(wǎng)的交流接地故障隔離能力，本文在Matlab/Simulink中搭建了圖1所示交流配電網(wǎng)和換流器的仿真模型。配電網(wǎng)1、換流器1、配電網(wǎng)2、換流器2的具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 交直流混合配電網(wǎng)參數(shù)Tab.2 Parameters of AC/DC hybrid distribution network

換流器1作為主站，工作模式為定直流電壓、定無(wú)功功率，從配電網(wǎng)1中吸收0.1 p.u.無(wú)功功率；換流器2作為從站，工作模式為定有功功率、定無(wú)功功率，從配電網(wǎng)2中吸收0.2 p.u.有功功率和0.1 p.u.無(wú)功功率。

單相接地故障設(shè)置在配電網(wǎng)2線路3的起點(diǎn)處，故障發(fā)生時(shí)間t=0.4 s，故障在t=0.8 s時(shí)清除。故障期間中t=0.6 s時(shí)，零序電流控制器投入。換流器1交流側(cè)電壓、電流波形如圖9（a）所示，換流器2交流側(cè)電壓、電流如圖9（b）所示。換流器2平均直流電壓和正極電流波形如圖10所示。

圖9 換流器1和2交流側(cè)電壓和電流（單相接地故障）Fig.9 AC voltage and current of converters 1 and 2(under single-phase ground fault)

圖10 換流器2直流電壓和正極電流Fig.10 DC voltage and positive pole current of converter 2

根據(jù)第2節(jié)分析，發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)2中故障相相電壓降到0，非故障相相電壓升高到故障前倍，故障電流遠(yuǎn)小于負(fù)荷電流，故障前后線路電流幾乎不變。

由于沒(méi)有換流變壓器隔離零序電流，未發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)1中換流器1的交流電壓出現(xiàn)了單相接地故障下的電壓不平衡特性，交流電流故障前后幾乎不變。t=0.6 s時(shí)換流器2投入零序電流控制器，換流器1的交流電壓不平衡現(xiàn)象消失。

單相接地故障期間，交直流混合配電網(wǎng)之間功率交換保持正常。直流正負(fù)極對(duì)地平均電壓穩(wěn)定在10 kV，直流電流由于疊加了零序電流，以50 Hz的頻率在100 A附近波動(dòng)。t=0.6 s時(shí)換流器2投入了零序電流控制器，直流電流的波動(dòng)頻率接近100 Hz，說(shuō)明工頻零序電流得到抑制。根據(jù)直流電壓和直流電流可以計(jì)算得到直流配電網(wǎng)中傳輸?shù)墓β蕿? MW，等于換流器2吸收的有功功率。

零序電流控制器的輸出疊加在換流器2的輸出電壓參考波中，如圖11所示。t=0.4 s時(shí)發(fā)生故障后零序電流控制器已經(jīng)在計(jì)算疊加的零序電壓，但為了對(duì)比有無(wú)零序電流控制器結(jié)果，t=0.6 s時(shí)才將零序電壓疊加進(jìn)參考波，t=0.8 s時(shí)故障清除，零序電流控制器的輸出也逐漸減少。

圖11 換流器2輸出電壓參考波Fig.11 Reference waveforms of output voltage from converter 2

從圖11可以看出，只有非故障相才會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制的問(wèn)題。因此想要研究附加的FBSM的工作情況，需要研究非故障相的橋臂電壓，如圖12所示。

圖12 非故障相橋臂電壓Fig.12 Bridge arm voltage in non-fault phase

圖12中，橋臂電壓和輸出電壓參考波滿足式（10）的關(guān)系。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制時(shí)，F(xiàn)BSM的投入擴(kuò)大了橋臂電壓的上限和下限，保證了換流器在過(guò)調(diào)制情況下依舊能輸出不失真的電壓波形。

為了證明所提FBSM電容充放電策略的有效性，圖13展示了非故障相上橋臂的3個(gè)FBSM的輸出電壓和平均電容電壓。很明顯，通過(guò)FBSM的投入，輸出電壓補(bǔ)足了電壓過(guò)調(diào)制部分，但在過(guò)調(diào)制期間，F(xiàn)BSM大部分時(shí)間處于充電狀態(tài)，因此在未過(guò)調(diào)制期間，根據(jù)電容充放電策略投入FBSM，實(shí)現(xiàn)FBSM的放電，保證了電容電壓的平衡。

圖13 FBSM輸出電壓和平均電容電壓Fig.13 Output voltage and average capacitor voltage of FBSM

本文所作分析均建立在單相接地故障的基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證所提策略在兩相接地短路故障下的適用性，在配電網(wǎng)2中線路3的起點(diǎn)處設(shè)置AB兩相接地短路故障，故障發(fā)生在t=0.4 s，故障在t=0.8 s時(shí)清除。故障期間中t=0.6 s時(shí)，零序電流控制器投入。換流器1交流側(cè)電壓電流波形如圖14（a）所示，換流器2交流側(cè)電壓電流如圖14（b）所示。

從圖14可以看出，第3節(jié)所提出的控制策略同樣適用于兩相接地短路故障的情況。配電網(wǎng)2中線路上的負(fù)序電流通過(guò)負(fù)序電流矢量控制得到了抑制，零序電流經(jīng)過(guò)直流配電網(wǎng)流入配電網(wǎng)1造成三相電壓不平衡，在零序電流控制器投入后，配電網(wǎng)1的三相電壓恢復(fù)平衡。

圖14 換流器1和2交流側(cè)電壓和電流（兩相接地短路）Fig.14 AC voltage and current of converters 1 and 2(under two-phase ground short-circuit fault)

除了單相接地故障和兩相接地短路故障，交直流混合配電網(wǎng)還存在兩相相間短路故障和三相短路故障的隱患，但這兩種故障均不會(huì)產(chǎn)生零序電壓和零序電流。因此在這兩種故障發(fā)生期間，零序電流控制器輸入信號(hào)為0，不會(huì)受到故障的影響，保證了零序電流控制器對(duì)交流不對(duì)稱接地故障的選擇性。

4 結(jié)論

無(wú)換流變壓器交直流混合配電網(wǎng)中，交流接地故障會(huì)經(jīng)由直流配電網(wǎng)傳播到其他非故障交流配電網(wǎng)中。為使換流器具備交流接地故障的隔離能力，本文開(kāi)展了如下研究：

（1）提出了以零序電壓和零序電流為輸入信號(hào)的零序電流抑制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流接地故障的選擇性，PR控制器和電壓前饋保證了控制策略能快速有效的抑制零序電流；

（2）提出了混合子模塊MMC調(diào)制策略，提高了換流器能承受的調(diào)制比，解決了零序電流控制帶來(lái)的參考波過(guò)調(diào)制的問(wèn)題，避免了換流器輸出電壓失真；

（3）提出了FBSM電容充放電策略，解決了FB?SM由于換流器功率流向?qū)е碌某掷m(xù)充電或放電問(wèn)題，保證了FBSM的正常工作。

經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，本文所提出的零序電流抑制策略、混合子模塊MMC調(diào)制策略和FBSM電容充放電策略能隔離交流接地故障，阻止故障經(jīng)直流配電網(wǎng)傳播。然而，本文所提零序電流抑制策略必須在故障交流配電網(wǎng)的換流器中投入，非故障交流配電網(wǎng)的換流器不能使用所提零序電流抑制策略，因此交流接地故障隔離能力依賴于對(duì)故障的定位。具有更高適應(yīng)性的零序電流抑制策略值得進(jìn)一步的研究。