支撐電容可分離的直流變壓器短路故障電流限流控制方法

卓超然 張笑天 張 雄 楊 旭

支撐電容可分離的直流變壓器短路故障電流限流控制方法

卓超然 張笑天 張 雄 楊 旭

（西安交通大學電氣工程學院 西安 710049）

直流配電系統因線路阻抗低，線路短路故障時電流上升率高，會造成電流限流困難及線路設備二次恢復運行速度慢等問題。該文針對直流配電網中目前存在問題進行分析，提出一種主動控制實現的電力電子變壓器短路電流限流新方法。通過對電力電子變壓器電路拓撲的改進，并輔以相應的輸出電流主動控制方法，實現在發生直流短路故障時切除變壓器內部的支撐電容，使該儲能元件中的能量不再對線路產生沖擊大電流。同時，該方法可對電流實現快速跟蹤控制，以滿足新能源發電設備實現低電壓穿越時的電流控制需要。最后通過仿真和硬件在環實驗驗證了該文所提方法的正確性。

電力電子變壓器 支撐電容 短路故障 限流

0 引言

直流輸配電系統因具有輸配電容量大、損耗小、供電品質高等優點引起了業界的廣泛關注[1]。在直流配電網系統中，用到大量各種電力電子設備進行電能變換，目前的技術現狀是這些設備多采用電壓源控制模式[2]，使整個直流電網呈現低阻尼特性[3-4]，造成了在短路故障條件下的電流沖擊大、切除難等問題。電壓源型電路拓撲的基本特征是在輸出側接有額定值較大的支撐電容[5]，當外界線路發生短路故障時，由于支撐電容上的電能未被控制，電能的釋放產生很大的沖擊電流，這就增大了短路電流初期階段的控制難度[6]。為解決此問題，工程中普遍采用在線路中加裝限流電抗器的方法來限制該短路沖擊故障電流，雖然能在一定程度上限制電流的上升率和最大電流，但也發現了新的問題[7-9]。另外，隨著新能源發電的發展，低電壓穿越功能在連接新能源發電與并網用直流變壓器中是一基本要求，即需要控制變壓器在短路故障條件下的輸出電流大 小[5]。顯然，依靠線路加裝電感的方法去實現電流控制，尤其是要能控制電流的大小還是非常困難的。因為變壓器在要求具備低電壓穿越特性功能時，仍需要直流變壓器保持一定的輸出電流，并且輸出電流的大小與短路電壓的大小有關[10-12]。

本文結合直流配電網中電力電子變壓器裝置的基本拓撲[13]，提出了一種電路拓撲變換及輸出電流控制的新方法。短路故障發生時，切除直流側的支撐電容，同時對變流裝置的輸出電流進行主動控制，從而完成對變流器輸出短路電流的快速跟蹤，實現變壓器處理低電壓穿越功能時的電流限流控制。由于電容的切除和投入是在每個模塊單元內完成的，電容切除開關的容量無需很大，用主電路同容量的IGBT即可實現。

本文基于雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）模塊電路模塊構成電力電子變壓器電路拓撲，提出了一種采用切除支撐電容的DAB電路，并對其控制原理進行了詳細論述，分析了支撐電容切除前后的DAB變換器工作過程；在此基礎上，對短路故障發生后的電流控制方法進行了研究和討論，給出了切除支撐電容后的等效電路模型，分析了電路的頻響特性及穩定性；并構建相應的半實物仿真實驗系統對所做的工作進行驗證，本文的結果為直流配電網的短路故障保護提供了一種新方法。

1 工作過程分析及電路拓撲改進

直流配電系統中，不同電壓等級的電網連接以及新能源發電系統接入電網可采用直流變壓器實 現[14]，圖1給出了含新能源發電系統在內的直流配電網結構示意圖。考慮到設備制造企業的技術現狀，目前國內直流變壓器的主電路拓撲結構主要是采用基于DAB的直流變換電路，通過輸入串聯、輸出并聯（Input Series- Output Parallel, ISOP）方式連接組成[15]，通過基本DAB模塊之間的級聯方式連接，即可擴大電壓等級和電流輸出容量[16]。這類電路結構模塊化強，組合靈活，可控制性強。采用該拓撲結構，業界制作的直流變壓器效率目前已達97%（硅基器件）或98%（碳化硅器件）以上[7]，并通過各種技術改進繼續提升效率指標。

圖1 含新能源發電系統在內的直流配電網結構示意圖

DAB模塊中輸出電流、支撐電容電流及總輸出電流如圖2所示，可以看出，DAB模塊電路兩端接有額定值較大的支撐電容。由于采用串、并組合連接（ISOP），其輸出和輸入端口均呈現大電容特性，一方面起電壓紋波濾波作用；另一方面保障變流器自身的電壓源特征。

圖2中，在直流變壓器對負荷正常供電時，由于是電壓源型輸出，變壓器的輸出電流將會根據負荷所需功率大小進行調整。在負荷相對穩定時，變壓器輸出電流也將維持基本不變；但是，當變壓器外接線路發生短路故障時，由于線路阻抗很小，變壓器中支撐電容能量的釋放，將會產生巨大的沖擊電流。為抑制該電流，可在變壓器出口處串接限流電抗器和直流斷路器。限流電抗器用來限制短路故障發生時短路電流的上升率，給斷路器動作提供緩沖時間；斷路器則用來切斷供電電路，實現線路保護。這種限流保護方案可滿足系統保護，但對于新能源發電用變壓器，在實現低電壓穿越功能時，這種限流保護方案是無法滿足要求的。

圖2 DAB模塊中輸出電流、支撐電容電流及總輸出電流

可以看出，DAB模塊中合理處理支撐電容的能量對保障設備安全及電流控制至關重要。目前，DAB模塊中電容上的能量在短路故障發生時是不可控的，也就造成輸出電流波形的不可控。但如果能在短路發生時將支撐電容從電路拓撲中切除，則這部分能量將不會被釋放進而產生沖擊電流，變壓器的輸出電流大小將由變換器自身輸出決定，這將加快變壓器輸出電流的可控性，并且借助于變壓器內在的電流環控制，實現直流變壓器設備的低電壓穿越功能。同時，由于支撐電容中的能量沒有被釋放，當變壓器恢復正常運行時，則無需重新充電，將加快變壓器的恢復過程。基于該設想，提出了一種采用IGBT電力電子開關實現的支撐電容可分離DAB電路如圖3所示。

圖3中，QSCAP為實現支撐電容可分離所加裝的IGBT電力電子開關，注意IGBT方向，它是反向接入電容支路的。DAB電路正常工作時，QSCAP置為導通狀態，支撐電容out充電時，電流由正母線經過QSCAP內置二極管流進電容out；out需要放電時，

電流由QSCAP內置IGBT流向正母線。當線路發生短路故障時，迅速給IGBT發出截止控制指令，將IGBT制為截止狀態。IGBT截止后，支撐電容out將無法把電容上的電能釋放到外接短路線路上去。這個過程需要的時間非常短，IGBT關斷時間約1～2ms，直流電流霍爾傳感器響應時間也在1ms，這樣電容切除的時間可在3～5ms內實現，短路電流初期階段的峰值及其不可控時間降低到3ms以內。IGBT閉鎖后，就可借助DAB電路，其輸出的電流大小可以完全被控制。

圖3 電力電子開關控制支撐電容可分離的DAB電路

需要注意的是，電容切除前后DAB電路的輸出性質將發生變化，由原來的電壓源型變換器變成了電流源型變換器。

2 支撐電容切除后輸出電流控制方法

2.1 線路短路故障發生后DAB電路結構的變化

在圖3中，DAB電路中加裝投切開關QSCAP后，輸電線路發生短路故障時，控制系統發出指令閉鎖QSCAP開關，DAB電路中的支撐電容out被剝離出，DAB電路變成一阻抗性負載供電的全控整流橋電路形式。

對于DAB電路而言，可以控制的變量有：變壓器一次側逆變橋中的4個IGBT，二次側整流橋的4個IGBT以及中頻變壓器一次、二次側之間電壓相位差。結合線路短路工作狀態進行分析可知，當線路發生短路故障后，由于線路的阻抗值很小，要想實現低電壓穿越時的電流控制，DAB變壓器二次側整流橋輸出電流將被控制在較小的數值。對于整流橋電路，其輸出電壓最小值是其自然整流狀態時對應的整流電壓。為簡化控制，當DAB電路進入短路故障狀態下工作時，將變壓器二次側整流橋的4個IGBT驅動全部封鎖，使其成為二極管自然整流電路，整個DAB電路的輸出電流將由變壓器一次側逆變橋控制，可采用移相法對逆變橋的輸出電壓進行調節。對于二次側整流橋而言，有兩種工作狀態：①高頻變壓器同名端為正向或負向輸出時，電路呈現為單相二極管外接LR整流電路；②變壓器無輸出時表現為一LR續流電路。電路表現為一帶LR負荷性質的整流橋電流控制模式，與正常工作時的電壓源形式不同，圖4給出短路故障發生后拓撲的變化及不同時刻電流回路。

圖4 短路故障發生后拓撲的變化及不同時刻電流回路

圖4中，實線箭頭表示變壓器一次側逆變橋S1、S4導通時電流的流向通道，以及對應的變壓器二次側橋經過S5、S8體內二極管進行整流的電流通道；虛線箭頭表示變壓器一次側逆變橋S2、S3導通時電流的流向通道，以及對應變壓器二次側橋經過S6、S7體內二極管進行整流的電流通道；點線箭頭表示當變壓器一次側逆變橋4個主管均不導通時，對應變壓器二次側橋經過S5、S6、S7、S8體內二極管續流時的電流流向工作情況。

綜上所述，DAB電路在支撐電容切除后，輸出電流的控制通過DAB變壓器一次側整流橋的錯相移位控制來完成，通過DAB的變壓器一次側逆變橋控制，調節中頻變壓器輸出電壓，進而控制整個DAB電路的輸出電流。

2.2 支撐電容切除后電路等效模型

通過前面分析可以看出，以支撐電容投切開關QSCAP動作時刻為界，DAB電路的輸出外特性由電壓源變成了電流源，不難發現有兩點：

（1）DAB電路結構變化后，因為沒有了支撐電容電壓的作用，出于實現低電壓穿越特性的需要，此時DAB電路的任務是控制其輸出電流。將變壓器二次側整流橋中的IGBT驅動置0關斷，全控整流橋等效為單相二極管整流電路，輸出電流的控制通過變壓器一次側整流橋的錯位移相控制完成。

（2）移除支撐電容后，如果考慮電流斷續、連續等各種非線性情況，則DAB輸出電流的控制將有多種控制方法可以實現。為簡化分析過程，本文只選取DAB輸出電流完全連續的情況，不考慮電流斷續或臨界狀態。

設short為短路發生點與DAB輸出側輸電線等效總電感，short為不同類型短路故障的等效總阻抗，由于DAB電路內部的等效電感和阻抗很小，short和short將由短路點到變壓器之間的距離及短路阻抗決定。考慮線路負荷，切除支撐電容后的DAB控制等效電路如圖5所示。

圖5 切除支撐電容后的DAB控制等效電路

圖6 L-C-T型DAB等效電路模型

考慮到文中所述DAB控制方式及短路后的線路參數，此時DAB的控制可以看成是一可變參數的阻感負荷單相高頻逆變電路。由于短路點事前未知，電流控制時，負載參數Line和short也是未知參數，不同短路距離的和短路故障類型可使short和short發生數倍的變化，輸出同樣數值的限流電流，變壓器一次側逆變橋的移相占空比在不同短路距離時也會有很大差異。實現電流控制時會面臨負載參數不確定問題，電流控制器的設計在其類型和參數上將會變得更加復雜。

2.3 限流電流控制方法設計

對于圖6所示的電路，中頻變壓器部分可采用T型阻抗等效電路等效，如圖7所示。

圖7 T型阻抗等效電路

考慮到DAB電路的工作頻率是在幾kHz到幾十kHz，變壓器繞組內的等效電阻影響要遠小于等

效電感的影響，并且由于工作頻率的提高，高頻變壓器內的層間電容和寄生電容效應的影響不容忽視，圖7等效電路中的各參量表達式為

式中，in為變壓器一次側逆變器等效電感；1為中頻變壓器一次側等效電感；m為中頻變壓器勵磁電

短路故障發生時，變壓器二次繞組電壓只有短路點到變壓器之間的線路阻抗和短路發生時短路點的短路阻抗引起的壓降，可表示為

代入式（3）可得

這樣，整個直流變壓器輸出電流2為

將式（1）代入式（6）中，即可得到變壓器一次側逆變側輸出控制電壓與直流變壓器在發生短路時的輸出電流之間的關系。

可以看出，被控對象的幅頻特性在穿越零dB線時，其相頻特性在-90°附近，并且發生短路故障的距離越遠、短路阻抗越大，表現出的系統穩定性就越好。但是，系統在高頻段存在3個以上的諧振點，意味著當受高頻擾動時可能會不穩定。距離故障發生點越近，則系統越容易進入這些諧振點，對控制器的精準設計提出了更高要求。由于事前對發生短路的地點和短路形式未知，雖然整個電流控制系統呈現二階閉環控制特性，但Line、short兩個參數的不確定性則會對輸出電流的動態過程及穩態穩流精度有著較大的影響。

圖8 不同短路點和故障發生時的系統伯德圖

在極限情況下，近距離時的閉環系統由于阻抗參數小，直流電網中出現短路故障后電流上升速度快，若變壓器的限流控制依舊采用普通方法進行，則很難保證電流跟蹤的精度及系統穩定性，難以滿足限流與低電壓穿越的穩流要求。此時要限制輸出電流2，即控制輸出逆變橋的移相占空比。為解決此問題，本文采用了一種電流最小值爬山自適應控制方法對故障時期電流進行限流和準確控制。原理如下：當控制系統發現系統出現短路電流故障時，將DAB變壓器一次側逆變橋轉入移相控制模式，同時將移相占空比取最小值。隨即測取輸出電流2，并等待電流2下降至設定的最小電流值。當檢測到電流不再減小時，則將此時的電流值作為爬山控制算法的起始點，利用積分效應，逐步將電流設定值放大到低電壓穿越時要求的電流限流值。設計的電流最小值爬山自適應控制方法示意圖如圖9所示。同時采用自適應控制實現電流控制，相比于一般經典控制方法而言，自適應控制方法更適合短路后的被控對象參數的變化，控制質量對被控對象參數的已知依賴性小，可保障直流變壓器的限流及輸出電流控制。

圖9 電流最小值爬山自適應控制方法示意圖

3 實驗結果及分析

為驗證文中提出的電路拓撲和控制方法的正確性，本文構建基于dSPACE和Plecs RT-box平臺的硬件在環實驗系統，實驗平臺如圖10所示，dSPACE用于實現控制算法和PWM控制脈沖形成，Plecs RT-box用于實現電力電子變壓器主電路，直流輸出線路采用R-L線路模擬器實現。直流變壓器輸入電壓為1 000V，輸出電壓350V，短路限流控制實驗主要分三部分進行。

圖10 基于dSPACE+Plecs RT box硬件在環實驗平臺

3.1 支撐電容切除效果分析

首先對目前采用的電抗器法及其存在的問題進行驗證。在支撐電容不采用快速開關切除方式時，電容器上的能量在短路發生時會通過短路回路釋放出來。圖11給出了短路發生時通過電抗器限流的方法實現的限流過程。電抗器數值小，則輸出電流爬升速度快，電流在短時間內達到一個非常大的數值，如圖11所示，圖中，out為輸出電壓，cap為支撐電容器電壓，out為輸出電流。可以看出，圖中輸出電流顯示已經限幅。外接大限流電抗時變壓器輸出電壓、電流波形如圖12所示。圖12中加裝了一個數值較大的電抗器，可以看出，電流上升速率被限制，但輸出電流完全不可控，并且出現線路電抗與支撐電容之間產生諧振現象。可見，支撐電容上的電能釋放對線路的短路電流影響甚大，要想實現低電壓穿越時的電流控制，必須采取措施。

圖11 外接小限流電抗時變壓器輸出電壓、電流波形

圖12 外接大限流電抗時變壓器輸出電壓、電流波形

3.2 電流限流跟蹤控制方法

為驗證文中所述電流跟蹤控制方法的正確性，基于圖10實驗平臺，對上述控制方法和電路拓撲進行了實驗驗證。實驗時，基于Matlab仿真結果，在dSPACE中實現文中所述的控制算法，轉換成PWM波后輸出到Plecs RT-box模擬的DAB變流模塊及線路中。

切除支撐電容+主動電流控制后變壓器輸出的電壓、電流波形如圖13所示。通過圖13可以看出，當發生短路故障后，通過快速開關切除了支撐電容，所以故障發生前、后支撐電容上的電壓不變。由于短路故障，輸出電壓接近為0，輸出電流out在DAB被控條件下按照所設定的電流穩流，沒有出現圖11、圖12中的電流失控現象，為低電壓穿越的實現打下了堅實基礎。改變設定電流后的切除支撐電 容+主動電流控制后變壓器輸出電壓、電流波形如圖14所示。圖14是將限流電流進一步減小后的限流控制情況，同樣可看出，線路電流被控制在事前設定的數值上。

圖13 切除支撐電容+主動電流控制后變壓器輸出的電壓、電流波形

圖14 改變設定電流后的切除支撐電容+主動電流控制后變壓器輸出電壓、電流波形

4 結論

新能源與直流配電技術的發展，對電力電子裝備提出了新的性能要求，系統中的故障保護及故障快速恢復技術越來越被人們所重視。本文通過對電力電子變壓器基本模塊拓撲及控制方法進行改進，為相關設備的工程應用提供了有效方法，通過本文的研究得出以下結論：

1）直流系統短路故障時，抑制DAB模塊中支撐電容中能量的釋放可有效減小短路沖擊電流及其不可控時間，設立分布式電力電子開關，可對支撐電容的電能釋放進行有效控制。

2）出于低電壓穿越控制的需要，直流系統短路故障過程中的電流控制可通過控制DAB模塊單元實現。實現的過程中：①要注意輸出特性由電壓源到電流源形式的轉換，對應的電流控制方法也要對應轉變；②要注意解決電流環被控對象參數不定所帶來的動態特性控制問題，包括系統的穩定性問題。

通過本文研究可以發現，對于短路故障發生時，采用支撐電容可分離方法：一方面有效減少了短路故障開始發生時的沖擊電流；另一方面，由于支撐電容分離后，其能量可以得到保持。理想條件下電容器上的電壓在切除前后幾乎不變，這樣整個變壓器電路的恢復時間將變得非常短，可大大加快整個直流配電系統的故障再恢復過程。但由于實際現場元器件參數和特性的復雜性，電容器上的能量保持和泄放將是一個非常復雜的過程，電容器殘存電能與再恢復時電路所允許的沖擊電流大小之間的關系等問題有待進一步研究。

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Short-Circuit Fault Current Limiting Control Method of DC Transformer with Separable Supporting Capacitor

（School of Electrical Engineering Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

Due to the low line impedance of the DC power distribution system, the current rise rate is high when the line is short-circuited, which causes problems such as difficulty in current limiting and slow recovery of line equipment. This paper analyzes the current problems in the current-limiting reactance method used in DC distribution networks, and proposes a new method for active current-limiting control of short-circuit current using power electronic transformer equipment in the distribution network. The improvement of the circuit topology and the active current control method can realize that the energy in the internal support capacitor of the converter no longer produces a large impact on the line when a short-circuit fault occurs, and can quickly track and control the current in the distribution network line. Renewable energy power generation equipment achieves current control requirements during low voltage ride-through. Hardware-in-the-loop experiments verify the correctness of the method in this paper.

Power electronic transformer, supporting capacitor, short circuit fault, current limiting

TM46

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90539

國家重點研發計劃資助項目：柔性直流電網故障電流抑制的基礎理論（2018YFB0904600）。

2020-07-17

2020-11-12

卓超然 男，1990年生，博士研究生，研究方向為直流變壓器電路拓撲及控制技術。

E-mail: chaoranzhuo0208@163.com（通信作者）

張笑天 男，1983年生，副教授，博士生導師，研究方向為直流變壓器及潮流控制器電路拓撲及其控制技術。

E-mail: xiaotian@xjtu.edu.cn

（編輯 陳 誠）