柔性直流配網直流變壓器涌流機理分析與抑制*

李唯草 吳曉穎

（1.武漢船用電力推進裝置研究所 武漢 430000）（2.武漢市江夏區藏龍大道709號 武漢 430205）

1 引言

隨著電動汽車充電樁與日俱增、直流負荷在電力系統中的滲透率日益增加［1～2］，以及風電、光伏為代表的能源分布式機組大規模接入電網［3］，使得其越發呈現出直流特征［4］。從某種程度上說，柔性直流配電方式比交流配電網更有優點，首先柔性直流效率高、其次損耗小［5］。

直流配電網雖然有許多優點，但是并未全部解決依然存在的諸多重要技術難題，目前仍舊處于快速發展期。針對直流系統中故障電流無過零點問題［6］，當前主要有兩種方案，第一種方法為使用直流斷路器去隔離故障［7］，第二種方法為使用具備故障阻斷能力的阻斷型換流器去清除故障電流，隔離速度快，是未來直流配電網系統中清除故障電流的技術趨勢［8］。

直流變壓器通常為并網運行［9～10］，一般控制策略為電流、電壓雙閉環策略［11～12］。文獻［13］為了保持非靜態時的功率平衡，提出了一種控制策略，可適用于柔性直流電網，并可保持主動功率的平衡。文獻［14］以四端口系統為研究對象，提出一種適用于多端直流系統的電抗器優化配置策略，電抗器配置經優化后，可使系統內故障電流幅值降低。文獻［15］以交直流混合配電網為研究對象，分析了含有DAB變壓器與系統的關系。單端擾動可能會造成變壓器涌流，目前鮮有文獻考慮單端擾動的影響，且其抑制方面的分析也不多，此外，未與工程實際相結合。

本文主要研究柔直配電網系統單端擾動突然退出運行工況場景，針對各端口功率瞬間產生大波動導致潮流再次分配，進而觸發小容量端口過流保護動作影響系統穩定運行的問題，分析了交直流系統運行時換流站閉鎖產生的影響，提出并建立一種故障電流自清除的直流變壓器拓撲和穩態模型，揭示了直流變壓器涌流機理，綜合分析了直流變壓器參數設計依據，并提出了一種直流變壓器涌流抑制策略，通過實際大型工程運行結果驗證了本文方法的有效性和實用性，具有工程實用化價值。

2 直流變壓器涌流機理分析與參數設計

2.1 直流變壓器涌流機理分析

以工程實際運行中直流變壓器為對象，通過其發生的涌流現象，分析機理過程，得到柔直配電網系統涌流產生過程，如圖1所示。

唐家換流站10kV線路B相發生故障時，將引起換流站閉鎖，在故障發生后1ms時間內將改為雞山Ⅱ號換流站對母線調控；在3.3ms時直流變壓器高壓側發生涌流故障，在這種情況下變壓器將立刻閉鎖；在故障發生6ms時將發生A邏輯閉鎖；在故障發生后7.8ms時系統中斷路器采取分閘措施，至此整個系統將停止運行。

針對閉鎖發生后功率瞬間大幅變化，造成潮流重新分配，進而觸發小容量端口過流保護動作影響系統穩定運行的問題。為便于分析，僅考慮由單站產生的過流問題。通過圖2可知，僅唐家換流站發生閉鎖故障時，雞山I、II站的潮流需要在短時間內重新分配，此時潮流在H橋與二極管并聯回路中流通，使變壓器出現涌流現象。

圖2 直流變壓器涌流流通路徑

對系統采用建模分析，其中開關頻率20kHz，控制器周期100μs。在發生故障后兩周期內，承擔潮流分配換流站維持故障前工作模式時，在某個瞬態考慮電流變化情況下，此支路可以簡化成短路，本實例中電路近似如圖3。

圖3 單換流站閉鎖后的暫態等效電路

其中LPET為直流變壓器高壓側近似端口電抗，L1、L2分別為雞山I和雞山II號換流站三橋臂并聯電抗。在換流站發生閉鎖故障后對系統進行故障錄波分析，發現換流站閉鎖后電壓波動不大，兩端口電壓基本相同，在兩個周期內近似不變，則有如下關系：

因此對于直流變壓器，其電流有：

由此可見除唐家換流站外，電抗較小支路將分配較多潮流。實際工程中可知端口電抗器電抗值小于兩個換流站直流側橋臂等效電抗：

綜上，當柔直配電系統中單端口直流母線電流短時間內大幅變化時，通過增加直流變壓器端口等效電抗可以有效降低端口過電流。

上述對單端換流站故障直流變壓器涌流機理的分析可推廣至大規模多端互聯系統中。當單站發生故障從而造成潮流短時間波動時，潮流更容易通過等效阻抗小的路徑流動，存在體二極管的拓撲如半橋、全橋、開關電容式等為變壓器涌流提供了天然回路，涌流的形成造成了變壓器保護停止運行，影響系統正常運行。顯然，涌流幅值與系統瞬間分配的功率、接入回路中等效電抗、直流變壓器DAB輸入電容投入時刻相關。下面將簡要分析涌流與直流變壓器相關參數之間的關系。

當單站發生故障從而造成潮流短時間改變時，潮流更容易通過等效阻抗較低部分形成流通路徑，存在體二極管的變壓器拓撲如半橋、全橋、開關電容式等為變壓器涌流提供了天然回路，涌流的形成造成變壓器保護，影響系統正常運行。顯然，涌流幅值與系統瞬間分配的功率、接入回路中等效電抗、直流變壓器DAB輸入電容投入時刻相關。下面將簡要分析涌流與直流變壓器相關參數之間的關系。

2.2 參數分析設計

在直流變換器輸入電容的設計中，需要考慮兩個方面：1）穩態運行情況下的電壓紋波滿足系統要求；2）發生涌流現象時，輸入電容過沖電壓應在安全范圍內。直流變壓器中前級全橋電路采用PWM控制，對角開關管驅動信號相同，S1/S4開關管占空比為D=（NVHV1+VHV）/（2NVHV1），為了減小子模塊個數，占空比D通常較大。輸入電容前后端電流如圖4所示，當S1與S4開通時，前端電流i1等于直流變壓器輸入電流IHV，當S2與S4開通，i1=-IHV。

圖4 直流變壓器輸入電容前后端電流

忽略輸入電流iHV的紋波且假設DAB變換器輸入輸出電壓匹配即V1=NV2，可第i個模塊的輸入電容電流表達式iCi1=i1-iDAB，如式（4）所示。

當t從t0時刻到DTs時刻，電容電壓由最小值變化至最大值，設電容電壓紋波峰峰值最大為ΔVCpp，可得穩態運行情況下輸入電容值Ci1的設計公式，如式（5）所示。

在系統中單換流站閉鎖后，直流變壓器受到涌流影響，其電容電壓可能上升至超過最大值，該階段內輸入電容電壓變化值可由能量關系式求取。假設故障時間為tsurge，電容電壓最大變化值為ΔVCi1，可得故障情況下，電容設計公式如式（6）所示，實際電容設計值應取式（5）與式（6）中的較大者。

同樣地，在輸入電抗器的設計中，也需要考慮穩態與故障情況。在穩態情況下，假設輸入電流紋波峰峰值為ΔIHVpp，那么穩態情況下的輸入電感Ls設計公式如式（7）所示。

另一方面，在故障階段內，輸入電抗與輸入電容諧振，認為在該階段內唐家換流站電壓保持不變，直流變壓器后級DAB閉鎖，按諧振電流峰值設計故障情況下所需電感值Ld如式（8）所示，其中P為直流變壓器額定傳輸功率，Imax為最大電感電流，由開關管電流應力與電感飽和電流值共同決定。根據式（7）與式（8），實際輸入電抗器感值應為Ls與Ld中的較大者。

3 一種直流變壓器暫時性閉鎖抑制策略

若故障情況下采用不閉鎖以達到故障解除，變壓器在此情況下涌流短時間增大。同時會產生一定的風險。當系統處在直流故障情況下，電抗瞬時飽和，在此情況下去除閾值會對設備造成嚴重影響。根據上一節分析，通過增大電抗值可以抑制涌流，只不過采用這種方法需要一定的成本，并且電抗增大會占用更多體積。另一種辦法是通過優化變壓器的控制策略來抑制涌流。

多端網絡在系統故障后短時間內潮流變化會造成變壓器涌流。基于此，本文提出一種變壓器涌流時暫時性閉鎖抑制策略，母線電流在系統換流站發生故障后將被快速抑制并達到故障前水平，在這種情況下系統斷路器不會動作。因為系統保護閾值在系統故障時具備足夠裕度，在功率變化較大時電流也會短時間上升，所以在系統原基礎上增加暫時性閉鎖抑制策略。該方法讓DAB正常工作而變壓器H橋短時間不工作。

控制模塊在系統發生過流故障時發送H橋短時間不工作+DAB正常工作的指令。系統開始運行在H橋短時間不工作+DAB正常工作模式下。一般過流情況維持時間不長，系統按照短時閉鎖策略工作，若在兩個周期沒有新的故障出現，使系統按照故障前運行模式運行。若在恢復時又產生±10kV母線故障，變壓器將停止運行，從而以免產生系統不停并網現象。如圖5和圖6所示本文涌流抑制策略與原來閉鎖保護措施的比較。

圖5 傳統直接閉鎖控制策略的等效電路圖

圖6 本文提出暫時性閉鎖控制策略的等效電路圖

采用原來的閉鎖方法時，當母線電流增加超過閾值時變壓器開關都斷開，母線電流全部經體二極管形成回路，此情況下僅對電容進行充電。簡化后電路可化成等效電容CH1：

當閉鎖保護開始作用時，外部可等價成一個電壓源，變壓器可看作一個LC串聯結構，其方程為

當換流站閉鎖后想要得到電壓準確值很困難，而系統電壓在換流站閉鎖后波動很小，因此電流消失前變化率近似不變，輸入電流iHV根據初始條件求出。由于體二極管的原因，iHV始終大于0，當其降為0后將不會變化，因此輸入電流：

在得到變壓器電流起始值時，式（11）、式（12）能夠計算電流最大值。本文所提策略和原來策略相比，在等效電路里多出一個回路，此回路相當于增大DAB電抗及漏抗，以此抑制故障后電流短時間變化，應用這種方法時電流最大將不超過計算值。本文提出的一種暫時性閉鎖抑制策略可實現變壓器短時過流故障的穿越，當系統故障解除時變壓器按照故障前方式工作。整個環節的工作模式不變，從而提高了系統運行可靠性。

4 實際工程運行試驗分析

為驗證多端互聯柔直配電網系統直流變壓器得涌流機理和本文提出的一種暫時性閉鎖的控制策略有效性和可行性，采用PSCAD平臺搭建了多端柔性直流配電網的電磁暫態仿真模型。模型中三個交流電源經過換流閥變換后形成互聯網絡，在連接處延伸采用直流變壓器供直流微電網和直流負荷接入，整個系統拓撲結構如圖2所示。仿真的系統參數與實際工程保持一致，唐家換流站設計容量為20MW，雞山I和雞山II換流站設計容量均為10MW，唐家換流站受控為直流變壓模式，雞山I/II控制為功率模式。如表1所示為多端柔性直流配電網系統建模仿真參數。

本文依托國家能源局首批“互聯網+”智慧能源項目。基于實際工程運行情況，本文所提控制策略正確性和實用性得到檢驗。實際工程拓撲結構如圖2所示，實際工程參數如表1所示。唐家換流站設計容量為20MW，雞山I和雞山II換流站設計容量均為10MW。唐家換流站工作在直流電壓控制模式，直流側接收15MW功率，雞山I/II換流站工作在功率控制模式，直流側分別送出7.5MW；直流變壓器功率接近零，運行于空載狀態。

表1 系統建模仿真參數

多端配電網在實際工作時，唐家換流站發生交流側10kV線路B相發生故障，由于故障導致了換流站閉鎖，因此故障后一個周期內內雞山Ⅱ站接過±10kV母線管理，這種情況下變壓器將閉鎖并跳閘，從而導致三端系統解列。

如圖7和圖8所示為唐家換流站和直流變壓器故障錄波。唐家換流站閉鎖時，由于電容電勢作用直流側電流在200μs內快速下降370A，變化率di/dt達到約1850kA/s，直流變壓器高壓側電流在且在200μs內快速上升至160A。閉鎖后極短時間內整個系統無其他開關動作，因此可等效唐家灣換流站為可變電流源，忽略其他元件參數的影響。瞬間巨大的電流變化體現在各個端口，不同的故障電流分布受制于各個端口的阻抗，直流變的阻抗相對于柔直換流閥的阻抗更小，因此故障電流更多灌入了直流變壓器導致閉鎖。此實際運行工程驗證了直流變壓器的涌流機理，以及采用傳統緊急閉鎖控制策略方法下的直流變壓器出現停機情況，影響系統運行可靠性。

圖7 唐家換流站直流側故障波形

圖8 直流變壓器中壓側故障波形

如圖9所示為直流變壓器的高壓側直流電壓電流波形。直流變壓器電流在換流站故障閉鎖后短時間內上升，從而觸發過流保護判定直流變系統故障。采用本文所提出的直流變壓器H橋暫時性閉鎖+DAB模塊不閉鎖抑制策略時，變壓器H橋暫時性閉鎖并請求低壓側跳閘，直流微網由并網運行轉離網運行。此時涌流最大值約為135A，過電流值未達到2pu保護定值，由于DAB模塊提供了電抗和漏抗回路，增加了涌流的抑制作用，相對傳統控制策略涌流幅值降低15.6%。如圖8所示經過11s后直流變壓器自啟動，直流電壓重新建立穩定在10kV，低壓側直流微電網離網轉并網運行。此實際工程運行試驗驗證了本文提出的一種直流變壓器涌流暫時性閉鎖抑制策略方法的有效性和可行性。

圖9 涌流工況下的直流變壓器響應波形

如圖10為直流變壓器的故障時高壓側直流電壓電流波形。通過主站設置制造超過2pu的短時過流故障條件，由圖可知直流變壓器不再執行自復位重啟過程，收到控保禁止啟動命令，15min后解除限制允許再啟動。因此，此實際工程試驗證明，單個換流站閉鎖造成的直流變壓器過電流不會再觸發三站全閉鎖停機的連鎖故障，且在2pu范圍內直流變壓器能夠實現過電流穿越，快速重啟恢復低壓側并網運行狀態，且不影響正常傳統原保護邏輯策略。

圖10 直流側故障下的直流變壓器響應波形

通過上述實際工程試驗證明，多端口柔性直流配電系統由于某種原因（如交流側故障引起換流站閉鎖）造成直流線路瞬間潮流功率出現階躍式波動時，在極短時間內，同一直流母線上的各級換流站端口根據等效電感比例重新分配階躍變化的電流。故障閉鎖后電流均經直流變壓器H橋形成回路并向電容充電，此種情況下直流變壓器出現涌流現象。在無法增加電抗器的情形下，采用直流變暫時性閉鎖，在不改變原系統電流抑制能力及門限設置情況下，同時具備一定的過流能力。本文總結的控制策略在現實案例里得到應用，具備實際應用價值。

5 結語

多端互聯柔直配電網系統端口特性復雜、節點多，具有源網荷儲特征。交流故障閉鎖短時間內造成各端口潮流波動，各級換流站、直流變壓器端口根據等效電感比例分配階躍變化的電流，與控制方法和是否閉鎖無關。

本文基于工程實際應用以及運行中出現的技術難題，提出并建立一種故障電流自清除的直流變壓器拓撲和穩態模型，分析揭示了直流變壓器存在潛在流通回路的涌流機理，綜合分析了直流變壓器輸入電抗和DAB模塊輸入電容參數設計依據，提出了一種H橋結構暫時性閉鎖+DAB不閉鎖的抑制策略，建立了基于暫時性閉鎖的數學模型，通過DAB模塊的電抗串入增強了涌流抑制能力，暫時性閉鎖恢復提升系統設備的運行可靠性。通過仿真和實際大型工程運行結果表明本文得到的策略的正確性，具備實際應用價值。