周廷冬，徐永海

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206)

0 引 言

近年來(lái)，隨著智能電網(wǎng)、可再生能源以及特高壓技術(shù)的發(fā)展逐步引出了能源互聯(lián)網(wǎng)的概念，為實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中多源、多負(fù)荷之間的傳輸及變換則需要使用能量路由器。電力電子變壓器(Power Electronic Transformer, PET)擁有較多的可接入端口，可以方便的實(shí)現(xiàn)電能在交直流、高低壓之間的傳輸及變換，便于可再生能源與電動(dòng)汽車(chē)等接入，因此可作為能量路由器的核心設(shè)備，應(yīng)用前景廣闊。

PET發(fā)展至今已有多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1-3]，但為了滿(mǎn)足能量路由器的需要，擁有多端口接入的三級(jí)型PET拓?fù)涑蔀榱搜芯繜狳c(diǎn)。目前，三級(jí)型PET主要有級(jí)聯(lián)H橋(Cascaded H Bridge，CHB)型和模塊化多電平(Modular Multilevel Converter，MMC)型兩種拓?fù)?。MMC已在高壓直流輸電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有模塊數(shù)及電壓等級(jí)靈活可調(diào)、輸入諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用到PET中還可顯著減少高頻變壓器以及功率器件的數(shù)量[4]，因此，MMC型PET在未來(lái)應(yīng)用中擁有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

除了研究適用于能量路由器的PET拓?fù)湟约跋鄳?yīng)的控制策略之外，PET在實(shí)際應(yīng)用中其保護(hù)系統(tǒng)也是必不可少的環(huán)節(jié)，對(duì)于提高PET的可靠性以及其所在系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行均具有重要意義，但目前鮮有文獻(xiàn)研究PET的保護(hù)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]將PET應(yīng)用到未來(lái)可再生能源傳輸與管理系統(tǒng)(Future Renewable Electric Energy Delivery and Management, FREEDM)中，提出了適用于微型電網(wǎng)的分層式保護(hù)方法，但卻沒(méi)有研究PET本身的保護(hù)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]對(duì)CHB型PET在外部電網(wǎng)故障、雷擊過(guò)電壓及非理想負(fù)荷等對(duì)電力電子變壓器的影響及相應(yīng)的保護(hù)配置要求進(jìn)行了研究，但與MMC型PET的故障特征以及保護(hù)系統(tǒng)有較大的區(qū)別。

針對(duì)MMC型PET的保護(hù)系統(tǒng)開(kāi)展研究，配置其保護(hù)系統(tǒng)，針對(duì)不同類(lèi)型的故障提出相應(yīng)的保護(hù)策略，最后基于PSCAD仿真平臺(tái)對(duì)所提PET保護(hù)策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明了其正確性與可行性。

1 PET原理及保護(hù)配置

所研究的MMC型PET為三級(jí)型拓?fù)?，分為輸入?jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)。輸入級(jí)MMC采用定直流電壓雙閉環(huán)解耦控制策略，子模塊采用工程中應(yīng)用較多的最近電平逼近以及排序均壓控制[7]，將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓；隔離級(jí)采用雙有源橋(Dual Active Bridge, DAB)結(jié)構(gòu)，兩端為H全橋結(jié)構(gòu)，中間為高頻變壓器，DAB采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的連接方式，兩側(cè)H橋采用開(kāi)環(huán)控制，觸發(fā)脈沖同相位，將MMC輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻方波，經(jīng)高頻變壓器降壓之后再經(jīng)過(guò)DAB中的H橋整流為低壓直流輸出；PET的輸出級(jí)為VSC逆變器，同樣采用雙閉環(huán)解耦控制方法，將DAB輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流輸出電壓，為交流負(fù)荷供電。

圖1 基于MMC的PET主電路拓?fù)洹y(cè)點(diǎn)及保護(hù)配置Fig.1 Main circuit topology, measuring point and protection configuration of MMC based PET

實(shí)際工程應(yīng)用中需要為PET配置接地方式，考慮到交流配電網(wǎng)電力變壓器低壓繞組一般為Δ型接線(xiàn)方式，即與PET輸入側(cè)相連的交流電網(wǎng)沒(méi)有中性點(diǎn)，因此選取交流配電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛的接地變壓器[8]構(gòu)造接地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)PET系統(tǒng)的接地?；贛MC的PET主電路拓?fù)鋄4]以及其配置的測(cè)點(diǎn)與保護(hù)類(lèi)型如圖1所示，主要對(duì)交流輸入側(cè)輸電線(xiàn)、MMC橋臂電抗器、MMC直流線(xiàn)路、DAB中的高頻變壓器、DAB輸出直流線(xiàn)路以及交流輸出側(cè)輸電線(xiàn)配置保護(hù)，此外，對(duì)于PET裝置本體以模塊為單位(包括MMC子模塊、隔離級(jí)H橋和輸出VSC逆變器)，為其配置相應(yīng)的冗余保護(hù)。上述保護(hù)配置基本涵蓋了PET所有故障點(diǎn)，能夠較好的應(yīng)對(duì)PET可能出現(xiàn)的各種故障類(lèi)型。

由于故障類(lèi)型及保護(hù)較多，選取幾種MMC型PET中特殊存在的故障以及保護(hù)配置進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并對(duì)其正確性和有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，包括交流輸入側(cè)接地電阻對(duì)保護(hù)配置的影響，MMC直流雙極短路故障的應(yīng)對(duì)策略。

2 故障特性分析及保護(hù)策略

2.1 接地電阻的選擇

2.1.1 故障分析

PET系統(tǒng)交流輸入側(cè)采用接地變壓器接地，接地變壓器為Z型接線(xiàn)方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地變壓器對(duì)正序和負(fù)序電流呈現(xiàn)高阻抗，而對(duì)零序電流呈現(xiàn)低阻抗，該零序電流可通過(guò)接地變壓器接入的電阻進(jìn)行抑制，從而減小接地故障電流。因此，接地電阻的取值決定了接地故障發(fā)生后的接地電流大小，此外，當(dāng)PET輸入級(jí)MMC發(fā)生單極接地故障后，故障點(diǎn)與接地變壓器接地點(diǎn)會(huì)形成放電回路，接地電阻的取值同樣會(huì)影響該放電回路的故障電流。交流輸入側(cè)發(fā)生單相接地故障后的輸電線(xiàn)路零序放電回路和MMC直流線(xiàn)路發(fā)生單極接地故障下的等效放電回路如圖2所示。圖中，Z0表示交流線(xiàn)路故障點(diǎn)與接地變壓器之間的零序阻抗，XG、RG分別表示接地變壓器的等效電抗和接地電阻，Iup表示MMC單極接地瞬間橋臂電流，L0表示MMC橋臂電感，C0表示MMC子模塊電容，N表示MMC每橋臂子模塊個(gè)數(shù)，2C0/N表示放電回路的等效電容，Rf表示故障點(diǎn)過(guò)渡電阻。

圖2 故障等效電路Fig.2 Fault equivalent circuit

由圖2可以看出，接地變壓器接入電阻的取值對(duì)交流單相接地故障以及直流單極接地故障的故障電流均有影響，阻值過(guò)小則直流單極接地故障的放電電流過(guò)大，阻值過(guò)大則交流零序回路阻抗變大，不利于交流系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

交流系統(tǒng)單相接地故障后的零序回路較為簡(jiǎn)單，不做詳細(xì)討論，重點(diǎn)介紹直流單極接地故障后的故障電流特性。由圖2(b)所示等效電路可知，該故障回路的放電過(guò)程為RLC二階電路零輸入響應(yīng)，其初始條件為：

式中Udc表示直流側(cè)電壓，求解二階動(dòng)態(tài)電路的微分方程可得故障回路電流為：

(2)

式中：

根據(jù)式(2)，故障后的電流隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 故障電流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.3 Curve of fault current changes with time

故障發(fā)生后，直流電壓參考電位將發(fā)生變化，MMC的單相數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中ua、ub、uc分別表示交流系統(tǒng)三相電壓；U表示其有效值；UPO、UNO分別表示直流正負(fù)極電壓；uap、uan分別表示MMC上、下橋臂電壓。因此單極接地故障發(fā)生后(以正極為例)，正極電壓變?yōu)榱恪?/p>

UPO=uap+ua=0

(9)

結(jié)合式(7)可得交流側(cè)電壓：

再由式(8)得到負(fù)極直流母線(xiàn)電壓：

因此，根據(jù)式(9)和式(11)可知，單極接地故障后接地極電壓降為零，非故障極電壓升高為故障前兩倍，但保持直流極間電壓不變，因此對(duì)PET隔離級(jí)不會(huì)產(chǎn)生影響。

根據(jù)以上故障分析，提出以下保護(hù)策略以提高PET的供電可靠性：

(1)由于直流單極接地故障后極間電壓保持不變，仍可對(duì)PET隔離級(jí)及輸出級(jí)供電，因此可考慮故障后仍持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間(如2 h)，需要注意的是應(yīng)加強(qiáng)直流線(xiàn)路的短時(shí)絕緣強(qiáng)度；

(2)由于接地變壓器接地電阻對(duì)交流接地故障和直流單極接地故障都有影響，因此提出正常運(yùn)行時(shí)接入較小阻值，當(dāng)檢測(cè)到直流單極接地故障后投入大電阻對(duì)故障電流進(jìn)行限制，投入大電阻的故障判據(jù)可表示為：

式中假設(shè)故障極為正極，故障極為負(fù)極時(shí)的判據(jù)類(lèi)似，Δ1表示低電壓判據(jù)；Δ2表示過(guò)電壓判據(jù)，理想情況下Δ1值接近于0，Δ2值接近于1，考慮過(guò)渡電阻的影響，可將其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整(例如取Δ1=0.1，Δ2=0.9)；

(3)根據(jù)(2)中保護(hù)策略，直流單極接地故障發(fā)生后系統(tǒng)仍可持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，在此期間直流不平衡保護(hù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，便于運(yùn)維人員檢修排除故障，超過(guò)一定時(shí)間之后，若故障仍然存在則直流電壓不平衡保護(hù)動(dòng)作切除故障。

2.1.2 仿真驗(yàn)證

為對(duì)上述故障分析結(jié)果以及所提保護(hù)策略進(jìn)行驗(yàn)證，基于PSCAD仿真平臺(tái)搭建了仿真模型，參數(shù)如表1所示，仿真中設(shè)定0.3 s發(fā)生故障。

表1 PET仿真模型參數(shù)Tab.1 Simulation model parameters of PET

圖4所示為交流系統(tǒng)A相發(fā)生單相接地故障后，接地變壓器取不同接入電阻情況下的PET交流出口處A相電流有效值仿真結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果可知，接地變壓器接入電阻越大，則A相電流越接近正常值，從而不利于故障的發(fā)現(xiàn)與排除。

圖4 不同電阻時(shí)輸電線(xiàn)路A相電流有效值Fig.4 RMS of phase A current in transmission line with different resistances

圖5所示為PET輸入級(jí)MMC發(fā)生直流正極接地故障后的仿真結(jié)果。由圖5(a)可知，故障發(fā)生后MMC子模塊會(huì)形成放電回路，由于未采取保護(hù)措施因而子模塊電壓呈現(xiàn)工頻振蕩現(xiàn)象；圖5(b)中直流接地極電壓變?yōu)?，非接地極電壓升高為故障前2倍并伴隨3倍頻振蕩，這是由于MMC三相子模塊電壓振蕩所致；圖5(c)所示為接地變壓器接入不同電阻之后的故障電流有效值變化關(guān)系，增大接入電阻之后可以顯著減小故障電流，并且抑制了非故障極的電壓振蕩，如圖5(d)所示。因此，所提保護(hù)策略可提高直流單極接地故障下的系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

圖5 直流正極接地故障仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of DC positive grounding fault

2.2 MMC直流雙極短路故障

2.2.1 故障分析

MMC直流雙極短路故障是直流側(cè)最嚴(yán)重的故障類(lèi)型，對(duì)于MMC型PET而言，MMC與DAB之間的連接母線(xiàn)非常短，且位于裝置內(nèi)部，因此發(fā)生雙極短路故障的概率非常低，暫不做考慮。PET的中壓直流母線(xiàn)需要接入直流電網(wǎng)時(shí)，如圖1所示，則直流線(xiàn)路發(fā)生雙極短路的可能性變大，因此主要分析直流線(xiàn)路雙極短路故障對(duì)PET的影響。

根據(jù)圖1所示PET拓?fù)?，直流線(xiàn)路發(fā)生雙極短路故障之后，輸入級(jí)MMC和隔離級(jí)DAB均會(huì)存在放電回路。故障發(fā)生后，PET保護(hù)動(dòng)作前交流系統(tǒng)會(huì)通過(guò)MMC向直流側(cè)饋入電流，同時(shí)MMC子模塊也會(huì)通過(guò)故障點(diǎn)迅速放電[7]，此外，由于隔離級(jí)DAB采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的連接方式，輸入側(cè)串聯(lián)電容也會(huì)通過(guò)直流故障點(diǎn)迅速放電，產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊電流。

MMC采用半橋子模塊后發(fā)生雙極短路故障后，由于半橋子模塊不具備故障電流抑制能力，因此在子模塊閉鎖之后，交流系統(tǒng)仍然可以通過(guò)反并聯(lián)二極管向直流側(cè)饋入電流，該部分內(nèi)容已有較多文獻(xiàn)進(jìn)行分析，不再詳述，詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[7]。為了克服半橋子模塊的上述不足，采用具有直流故障電流抑制能力的箝位雙子模塊(Clamp Double Sub-Module，CDSM)拓?fù)涮鎿Q半橋子模塊，用于閉鎖后限制故障電流。

文獻(xiàn)[9]分析了CDSM的原理以及直流故障電流抑制機(jī)制，但并未分析引入CDSM所帶來(lái)的問(wèn)題。由于MMC的直流保護(hù)判據(jù)需要用到橋臂電流值[10]，因此故障發(fā)生后直流保護(hù)動(dòng)作時(shí)橋臂電流已經(jīng)增大到較大的值，而由于橋臂電感電流不能突變，當(dāng)橋臂電流超過(guò)保護(hù)定值閉鎖MMC之后，橋臂電流中所存儲(chǔ)的能量將會(huì)回饋到CDSM的電容中，由于該部分能量較大，將不可避免的導(dǎo)致電容出現(xiàn)過(guò)電壓[11]。CDSM閉鎖之后的故障電流通路如圖6所示，圖中C1、C2表示子模塊電容。

圖6 CDSM閉鎖后故障電流通路Fig. 6 CDSM fault current path after blocking

根據(jù)文獻(xiàn)[9]所述CDSM工作原理，正常運(yùn)行情況下電流不流經(jīng)箝位二極管，即圖6中的D6、D7，因此為解決上述CDSM閉鎖之后引起的電容過(guò)電壓?jiǎn)栴}，采用箝位二極管串聯(lián)阻尼電阻的方法[11]耗散橋臂電流能量，降低子模塊電容電壓，加入阻尼電阻之后的CDSM拓?fù)淙鐖D7所示，圖中Rd表示阻尼電阻。正常運(yùn)行時(shí)由于箝位二極管的作用阻尼電阻不會(huì)投入，故障閉鎖后故障電流流經(jīng)子模塊電容、阻尼電阻和箝位二極管，因此阻尼電阻可以分擔(dān)橋臂電流中的一部分能量。

圖7 加入阻尼電阻的CDSM拓?fù)銯ig.7 CDSM topology with damping resistors

閉鎖后阻尼電阻耗散的能量以及所承受的電壓可以表示為：

式中W表示阻尼電阻中消耗的能量；t0和ts分別表示起始和終止時(shí)刻；if表示故障電流；URd表示阻尼電阻所承受的電壓。W和URd是圖7中阻尼電阻選取的重要指標(biāo)，如果阻尼電阻上消耗的能量過(guò)大，則不利于子模塊散熱，Rd承受的電壓過(guò)大則需要增加其電壓等級(jí)，增加成本。因此，阻尼電阻需要滿(mǎn)足上述指標(biāo)的要求。

對(duì)于隔離級(jí)DAB而言，串聯(lián)電容在直流側(cè)發(fā)生雙極短路之后也會(huì)通過(guò)故障點(diǎn)形成放電回路，其等效電路如圖8(a)所示，其實(shí)質(zhì)為RC放電回路，圖中C/M表示DAB串聯(lián)側(cè)等效電容，M表示DAB個(gè)數(shù)，Rf表示過(guò)渡電阻。由于電容串聯(lián)之后其值減小為之前的1/M，故障點(diǎn)的過(guò)渡電阻也不會(huì)很大，因此導(dǎo)致放電回路的時(shí)間常數(shù)很小，同時(shí)由于直流電壓較大，因此會(huì)在故障瞬間產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊電流。為了減小沖擊電流對(duì)電容可能造成的損害，采用在直流輸電線(xiàn)路出口處添加平波電抗器的方法，由于電感電流不能突變，因此可以限制故障電流上升率，改造之后的等效電路如圖8(b)所示，其實(shí)質(zhì)變?yōu)镽LC放電回路，圖中LX表示平波電抗器中的等效電感。

圖8 DAB串聯(lián)側(cè)放電等效電路Fig.8 DAB series side discharge equivalent circuit

2.2.2 仿真驗(yàn)證

MMC采用半橋子模塊時(shí)，直流輸電線(xiàn)路發(fā)生雙極短路故障后的仿真結(jié)果如圖9所示，仿真中設(shè)定0.3 s發(fā)生故障，檢測(cè)橋臂過(guò)電流650 A(可根據(jù)IGBT所能承受的過(guò)電流選取)，之后延時(shí)2 ms閉鎖PET，0.5 s斷開(kāi)交流輸入側(cè)斷路器。根據(jù)仿真結(jié)果可知，故障后雖然及時(shí)閉鎖了PET，但是直流故障電流仍然存在，這是由于半橋子模塊不能抑制故障電流，交流系統(tǒng)仍可以向直流側(cè)繼續(xù)饋入電流所致，這種情況一直持續(xù)到交流側(cè)斷路器斷開(kāi)；DAB電容迅速放電，出現(xiàn)非常大的沖擊電流。

圖9 半橋子模塊仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of half bridge sub module

為解決上述問(wèn)題，采用CDSM替換半橋子模塊，并在直流線(xiàn)路出口加入10 mH平波電抗器，仿真中設(shè)定0.3 s發(fā)生雙極短路故障，檢測(cè)橋臂過(guò)電流650 A，之后延時(shí)2 ms PET閉鎖，改進(jìn)之后的仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，采用CDSM的PET在故障閉鎖之后直流側(cè)電流得到抑制，經(jīng)一段時(shí)間的衰減之后降為零；由于直流線(xiàn)路出口平波電抗器的作用，DAB串聯(lián)側(cè)電容電流得到了明顯的抑制。

圖10 改進(jìn)拓?fù)浞抡娼Y(jié)果Fig.10 Simulation results of improved topology

圖10中直流側(cè)電流在PET閉鎖之后電流出現(xiàn)一定的衰減期，這是由于橋臂電感中的電流不能突變，而此部分閉鎖之后的電流會(huì)流經(jīng)CDSM中的電容，對(duì)其進(jìn)行充電，從而導(dǎo)致電容過(guò)電壓，因此可通過(guò)在CDSM箝位二極管串聯(lián)阻尼電阻的方法消耗部分能量以減小電容過(guò)電壓。阻尼電阻選取0 Ω、1 Ω、3 Ω、5 Ω時(shí)的仿真結(jié)果如圖11所示。與加入阻尼電阻之前相比，電容過(guò)電壓得到了有效的抑制，阻尼電阻越大，過(guò)電壓抑制效果越明顯，同時(shí)阻尼電阻中消耗的能量也會(huì)相應(yīng)的增加，其所承受的最大電壓相應(yīng)升高，應(yīng)合理選擇阻值以降低對(duì)子模塊散熱造成的影響并降低成本。

圖11 加入阻尼電阻后的仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results after adding damping resistors

3 結(jié)束語(yǔ)

PET的保護(hù)系統(tǒng)配置是其實(shí)際應(yīng)用中必不可少的環(huán)節(jié)，針對(duì)基于MMC的PET中可能出現(xiàn)的故障類(lèi)型配置了相應(yīng)的保護(hù)方法。詳細(xì)分析了接地電阻對(duì)交流接地故障和PET輸入級(jí)MMC直流單極接地故障下故障特性的影響，并提出正常運(yùn)行時(shí)接入小電阻，檢測(cè)到直流單極接地故障后投入大電阻的運(yùn)行保護(hù)策略；對(duì)MMC直流雙極短路中PET閉鎖后引起的CDSM電容過(guò)電壓?jiǎn)栴}以及DAB串聯(lián)電容產(chǎn)生沖擊過(guò)電流現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析，并采用在CDSM箝位二極管串聯(lián)阻尼電阻以及直流線(xiàn)路出口加入平波電抗器的改進(jìn)方法。最后通過(guò)PSACD仿真對(duì)以上故障及保護(hù)策略進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了其正確性與有效性。