王守相，王振宇，劉 琪，趙倩宇，張文煜，劉宏勇

（1. 天津大學(xué) 教育部智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 天津市電力系統(tǒng)仿真控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3. 國(guó)網(wǎng)冀北張家口風(fēng)光儲(chǔ)輸新能源有限公司，河北 張家口 075000）

0 引言

近年來(lái)，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的加快推進(jìn)及電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，柔性直流配電網(wǎng)逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)［1-2］。相較傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，柔性直流配電網(wǎng)具有供電容量大、線路損耗小、電能質(zhì)量好、無(wú)需無(wú)功補(bǔ)償、適用于各類電源和負(fù)載接入等優(yōu)點(diǎn)［3］，可以有效提高供電容量與電能質(zhì)量，快速獨(dú)立地控制有功、無(wú)功功率，降低電能損耗和運(yùn)行成本，協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源之間的矛盾，充分發(fā)揮分布式能源的價(jià)值和效益［4］。

直流電力電子變壓器是直流配電網(wǎng)的核心設(shè)備［5］，能夠?qū)崿F(xiàn)中高壓直流配電網(wǎng)和低壓直流微電網(wǎng)的電壓變換、能量交換、電氣隔離等［6］。雙有源橋DAB（Dual Active Bridge）型直流變換器具有電氣隔離、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)［7-8］，被廣泛應(yīng)用于直流配電系統(tǒng)變壓器。直流系統(tǒng)故障類型主要分為極間短路故障、單極接地故障和斷線故障［9］，其中直流極間短路故障是危害最為嚴(yán)重的故障類型，對(duì)直流配電系統(tǒng)將造成嚴(yán)重?fù)p害［10］。由于DAB高、低壓側(cè)均存在集中電容，當(dāng)發(fā)生外部故障時(shí)，電容迅速放電，電容電壓大幅下跌，故障清除后，電容須重新充電才能完成重啟［11］，研究DAB 短路后的故障穿越方法對(duì)維持直流配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行以及提高負(fù)荷供電可靠性具有重要意義。

文獻(xiàn)［12］提出了一種輸入側(cè)間接串聯(lián)、輸出側(cè)并聯(lián)的直流變換器拓?fù)?，可有效避免中壓?cè)電容的快速放電問(wèn)題，但增大了器件電壓應(yīng)力和控制復(fù)雜度，且故障后低壓側(cè)負(fù)荷電壓會(huì)有較大程度跌落。文獻(xiàn)［13］提出一種改進(jìn)型輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（ISOP）拓?fù)?，采用中、低? 側(cè)故障電流阻斷及限流控制配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障穿越，但中壓側(cè)故障穿越效果一般，負(fù)荷電壓仍有較大幅度跌落。文獻(xiàn)［14］提出通過(guò)在DAB 前級(jí)增加半橋開關(guān)管，可以在故障后完全切斷與直流母線的電氣連接，無(wú)需增加額外的直流斷路器，但是未涉及故障穿越過(guò)程中低壓側(cè)配合邏輯分析。文獻(xiàn)［15］提出了一種基于儲(chǔ)能的故障快速恢復(fù)策略，利用儲(chǔ)能與換流器之間的協(xié)調(diào)配合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)換流器閉鎖期間重要負(fù)荷的不間斷供電和故障快速恢復(fù)，但增加了投資運(yùn)行成本。文獻(xiàn)［16］提出了一種基于儲(chǔ)能單元改進(jìn)下垂控制的故障穿越控制策略，可以有效縮短電壓調(diào)節(jié)時(shí)間，但短時(shí)間內(nèi)仍會(huì)產(chǎn)生較大電壓波動(dòng)，且當(dāng)故障持續(xù)時(shí)間增加時(shí)，電壓調(diào)節(jié)效果將變差。文獻(xiàn)［17］提出了一種基于控制保護(hù)協(xié)同的直流配電系統(tǒng)線路保護(hù)方法，解決了變換器快速閉鎖后無(wú)法給保護(hù)提供有效故障信息的問(wèn)題，但僅分析了DAB 輸出側(cè)的故障。文獻(xiàn)［18］提出了一種直流配電線路故障測(cè)距方法，推導(dǎo)了故障距離與系統(tǒng)參數(shù)及諧波電流間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)對(duì)故障后RLC 諧振階段的電容放電電流進(jìn)行頻譜分析，從而實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距，但并未涉及中低壓的故障穿越。文獻(xiàn)［19］提出了一種新型模塊化多電平換流器（MMC）與DAB 相結(jié)合的直流變換器拓?fù)洌瑫r(shí)利用線路阻抗限制短路電流，可以在故障后進(jìn)行自動(dòng)限流，但其只能以三電平模式工作，且未給出故障后中低壓的配合方法。文獻(xiàn)［20］在DAB 輸入側(cè)增設(shè)了全橋模塊，通過(guò)對(duì)控制方式的優(yōu)化與選擇，合理減小重合閘時(shí)高壓側(cè)電壓實(shí)際值與參考值的差值來(lái)達(dá)到抑制沖擊電流的效果，但其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方式較為復(fù)雜。

本文針對(duì)含DAB 型直流變壓器的中低壓直流配電系統(tǒng)，首先研究了中壓側(cè)極間短路的故障特性和DAB 中壓側(cè)模塊電容放電機(jī)理，隨后針對(duì)短路后電容迅速放電，極間電壓大幅下降影響負(fù)荷穩(wěn)定供電這一問(wèn)題提出了一種新型故障穿越方法：通過(guò)增設(shè)故障電流阻斷模塊和補(bǔ)償電容支路對(duì)DAB 結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，所提方法能夠在故障后迅速識(shí)別并切斷故障電流通路，同時(shí)同步投入補(bǔ)償電容，故障持續(xù)期間，依靠中壓側(cè)模塊電容剩余電量以及補(bǔ)償電容電量向低壓側(cè)負(fù)荷進(jìn)行短期持續(xù)供電，緩解低壓側(cè)電壓跌落，最大限度地降低中壓側(cè)極間短路故障對(duì)于負(fù)荷的影響；另一方面，由于故障后電容短路放電回路被迅速切斷，電容電量損失較小，故障清除后能夠快速充電至正常運(yùn)行狀態(tài)，故障恢復(fù)特性較好。

1 極間短路故障機(jī)理

含DAB 型直流變壓器的典型中低壓直流配電系統(tǒng)如圖1 所示。圖中：CH、CL分別為DAB 中、低壓側(cè)模塊電容；LS為回路電感。中壓側(cè)電壓等級(jí)為±10 kV，采用雙端“手拉手”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)2 臺(tái)MMC與交流主網(wǎng)相連接，低壓側(cè)電壓等級(jí)為±375 V，通過(guò)DAB 型DC／DC 變換器與中壓直流母線連接，DAB低壓側(cè)供給負(fù)荷用電。

圖1 含DAB型直流變壓器的典型中低壓直流配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of typical medium- and low-voltage DC distribution system with DAB-type DC transformer

中壓側(cè)發(fā)生極間短路故障后，DAB 中壓側(cè)模塊電容將通過(guò)短路點(diǎn)迅速放電，當(dāng)端口電流、電壓超過(guò)一定范圍時(shí)，DAB內(nèi)部電力電子模塊會(huì)迅速閉鎖，由于DAB 模塊中高頻變壓器的電氣隔離作用，影響直流端口故障特性的主要來(lái)源是DAB 模塊中靠近故障點(diǎn)的一側(cè)，可將極間故障發(fā)展過(guò)程分為2個(gè)階段。

1）第一階段，電容放電階段。該過(guò)程如圖1 中回路1 所示，故障發(fā)生后，電容開始向外電路放電，當(dāng)電容電壓為正值時(shí)，向H 橋內(nèi)的反并聯(lián)二極管兩端施加負(fù)電壓，正向電流無(wú)法導(dǎo)通，此時(shí)模塊電容、回路電感以及過(guò)渡電阻構(gòu)成RLC 串聯(lián)諧振電路，電容中的能量將被電感所吸收。

2）第二階段，電感續(xù)流階段。該過(guò)程如圖1 中回路2所示，電容電壓下降為0后，不再放電，當(dāng)電容電壓第一次經(jīng)過(guò)零點(diǎn)后，二極管將滿足導(dǎo)通條件，此時(shí)電感電流將經(jīng)過(guò)H 橋的反并聯(lián)二極管進(jìn)行續(xù)流，電容支路被旁路，短路電流進(jìn)入電感續(xù)流階段，該階段電感通過(guò)放電回路持續(xù)放電，直至短路電流消失。

假設(shè)電容CH的電壓為UC，回路故障電流為Idc，故障后回路1的基爾霍夫電壓定律（KVL）方程為：

式中：Rf為過(guò)渡電阻；t為時(shí)間。

通常，實(shí)際系統(tǒng)中，Rf?因此電容短路放電過(guò)程是一個(gè)已知電路初始條件的2 階欠阻尼振蕩衰減過(guò)程，電容電壓和回路電流初始條件可以表示為：

因此電容電壓以及回路電流可以分別表示為：

由式（3）可知，電容電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)間t1（即第一階段RLC串聯(lián)諧振結(jié)束時(shí)間）為：

可見，電容放電只經(jīng)歷了極短的時(shí)間，隨后電容電壓經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，二極管導(dǎo)通續(xù)流。

在電感續(xù)流階段，故障電流可以表示為：

式中：Idc_1為t1時(shí)刻回路電流；τ=LS/(Rf+RVD)，RVD為二極管正向?qū)娮琛?/p>

2 故障穿越方法

由前文分析可知，極間短路故障后電容迅速放電，電容電壓大幅跌落，對(duì)負(fù)荷穩(wěn)定供電造成影響，針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種基于中壓側(cè)故障快速識(shí)別與故障電流阻斷的極間短路故障穿越方法。

由于中壓側(cè)發(fā)生極間短路故障后，極間電壓迅速降為0，在DAB 中壓側(cè)設(shè)置故障快速檢測(cè)裝置，當(dāng)檢測(cè)到極間電壓下降到一定閾值后迅速投入故障電流阻斷裝置，阻斷電容向中壓側(cè)故障點(diǎn)放電，緩解電容電壓的跌落；同時(shí)將電容補(bǔ)償支路同步投入，故障期間DAB 內(nèi)部電力電子模塊無(wú)需閉鎖，由中壓側(cè)模塊電容剩余電量以及補(bǔ)償電容電量向低壓側(cè)提供能量，減小低壓負(fù)荷側(cè)電壓波動(dòng)幅度。由于中壓側(cè)模塊電容電量沒有通過(guò)故障點(diǎn)完全放電，故障恢復(fù)后，電容充電過(guò)程大幅縮短。故障電流阻斷模塊與電容補(bǔ)償支路如附錄A圖A1所示。

2.1 故障識(shí)別

由前文分析可知，中壓側(cè)極間短路故障發(fā)生后，極間電壓迅速跌落至0，故障清除后，電壓能夠重新恢復(fù)，在DAB 中壓輸入側(cè)設(shè)置直流電壓不平衡保護(hù)，判據(jù)為：

式中：Udc為直流線路極間電壓；Uset為直流電壓不平衡保護(hù)動(dòng)作的門檻值；UBase=20 kV，為直流線路極間額定電壓。考慮保護(hù)的可靠性等因素，取動(dòng)作門檻值為直流線路極間額定電壓的一半。單極接地短路故障發(fā)生后，極間電壓不會(huì)發(fā)生變化，故該保護(hù)只反映直流線路的對(duì)稱故障，正常運(yùn)行及不對(duì)稱故障時(shí)保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

2.2 故障電流阻斷

DAB 中壓側(cè)故障電流阻斷裝置見圖2。故障電流阻斷模塊采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）與二極管反并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并在IGBT支路設(shè)置限流電感LC和限流電阻RC，考慮到單個(gè)IGBT 的耐壓能力較低，可使用n個(gè)IGBT（QC1，QC2，…，QCn）串聯(lián)均壓的形式。選用目前較為成熟的4 500 V 電壓等級(jí)的IGBT，為滿足耐壓水平要求，IGBT串聯(lián)數(shù)量設(shè)置為5個(gè)。

圖2 DAB中壓側(cè)故障電流阻斷裝置Fig.2 Fault current blocking device at medium-voltage side of DAB

阻斷過(guò)程主要分為3個(gè)階段。

1）故障前階段。正常運(yùn)行時(shí)，QC始終保持導(dǎo)通狀態(tài)，中壓側(cè)電流可通過(guò)二極管正向?qū)ㄖ芬约癐GBT支路對(duì)DAB模塊電容充電和對(duì)負(fù)荷輸送功率。

2）故障后初始階段。當(dāng)電壓不平衡保護(hù)識(shí)別中壓側(cè)極間短路故障時(shí)，迅速給QC施加關(guān)斷信號(hào)，由于二極管反向阻斷的作用，電容放電電流只能通過(guò)IGBT 支路饋入中壓側(cè)短路點(diǎn)，通過(guò)對(duì)IGBT 開斷的控制即可迅速切斷電容放電電流。由前文分析及式（4）、（5）可知：在IGBT 支路設(shè)置限流電感和限流電阻，能夠有效降低閉鎖前電容放電速率與峰值，從而給阻斷裝置的投入留有一定時(shí)間裕度；另一方面，由于系統(tǒng)啟動(dòng)初期受電容充放電電流的影響，阻斷模塊內(nèi)部容易形成電感續(xù)流環(huán)流，加入限流電阻能夠加速續(xù)流衰減，減小電感續(xù)流環(huán)流對(duì)回路的影響。

3）故障清除后恢復(fù)階段。中壓側(cè)故障清除后，當(dāng)極間電壓高于保護(hù)動(dòng)作門檻值時(shí)，QC重新導(dǎo)通，電容開始充電，系統(tǒng)逐漸恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 電容補(bǔ)償支路

電容補(bǔ)償支路如附錄A 圖A1 框2 中支路所示，同樣采用IGBT 與二極管反并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。正常運(yùn)行時(shí)，電容補(bǔ)償支路IGBT（QS）導(dǎo)通，補(bǔ)償電容充電，待充電完成后將QS斷開；故障發(fā)生后，電流阻斷模塊在投入的同時(shí)給QS施加導(dǎo)通信號(hào)，投入補(bǔ)償電容，其與中壓側(cè)模塊電容共同向低壓側(cè)負(fù)荷供電，減小電壓下降幅度，維持負(fù)荷供電穩(wěn)定性，故障恢復(fù)后補(bǔ)償支路自動(dòng)斷開。

2.4 DAB輸出側(cè)分析

正常運(yùn)行期間，直流中壓側(cè)通過(guò)DAB 向低壓負(fù)荷側(cè)輸送功率。中壓側(cè)極間短路故障發(fā)生后，在阻斷模塊投入前，中壓側(cè)模塊電容通過(guò)短路點(diǎn)放電，電容電壓迅速下降，由于阻斷模塊中反向二極管的存在，電容放電僅能通過(guò)具有限流電感的IGBT 支路進(jìn)行，電容放電速度大幅減緩。在故障發(fā)生后至阻斷前這一階段，中壓側(cè)不再向低壓側(cè)輸送能量，回路中存在電感續(xù)流，呈衰減趨勢(shì)。由于整個(gè)故障期間DAB內(nèi)部電力電子模塊均不閉鎖，正常導(dǎo)通運(yùn)行，低壓側(cè)電壓也有所下降。

隨后，當(dāng)阻斷模塊以及補(bǔ)償支路被投入后，電容放電回路被切斷，中壓側(cè)電壓不再跌落，由于限流電感的存在，模塊電容僅損失了少量電量，DAB依靠模塊電容剩余電量以及補(bǔ)償電容所儲(chǔ)存的電量轉(zhuǎn)而向低壓側(cè)進(jìn)行供電，隨后，在DAB 對(duì)電壓的控制下，低壓側(cè)電壓趨于穩(wěn)定。

故障切除后，中壓側(cè)對(duì)電容重新充電，當(dāng)極間電壓上升至保護(hù)動(dòng)作門檻值以上時(shí)，阻斷模塊導(dǎo)通，補(bǔ)償支路被切除，中壓側(cè)對(duì)電容充電的同時(shí)重新對(duì)低壓側(cè)提供能量，低壓側(cè)電壓逐漸恢復(fù)至正常運(yùn)行水平。

2.5 故障穿越過(guò)程

中壓側(cè)極間短路故障發(fā)生后，正、負(fù)極線路直接相連，極間電壓急劇下降為0，中壓側(cè)模塊電容通過(guò)短路點(diǎn)形成放電回路。設(shè)故障穿越電壓為20 kV，故障持續(xù)時(shí)間為0.4 s，故障穿越流程見附錄A圖A2。

當(dāng)電壓不平衡監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到中壓側(cè)極間電壓下降至保護(hù)動(dòng)作門檻值以下時(shí)，給故障電流阻斷裝置施加閉鎖信號(hào)，將其投入，切斷電容的放電回路。阻斷模塊投入的同時(shí)對(duì)電容補(bǔ)償支路施加導(dǎo)通信號(hào)，將補(bǔ)償電容投入。在故障持續(xù)期間，DAB內(nèi)部電力電子模塊無(wú)需閉鎖，始終保持正常運(yùn)行導(dǎo)通狀態(tài)，由模塊電容剩余電量以及補(bǔ)償電容共同向低壓側(cè)提供電能，維持低壓負(fù)荷用電需求，減小電壓波動(dòng)。

故障清除后，中壓側(cè)電壓逐漸恢復(fù)，當(dāng)電壓不平衡監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到中壓側(cè)極間電壓上升至保護(hù)動(dòng)作門檻值以上時(shí)，給故障電流阻斷裝置施加導(dǎo)通信號(hào)，中壓側(cè)對(duì)電容重新充電，同時(shí)斷開電容補(bǔ)償支路。由于中壓側(cè)電容并沒有完全放電，故障恢復(fù)后充電速度較快，同時(shí)，由于電容補(bǔ)償支路的斷開，充電過(guò)程進(jìn)一步加快，有利于中壓側(cè)對(duì)電容快速重新充電。

所提方法能夠在中壓側(cè)發(fā)生極間短路故障后DAB 輸入側(cè)電壓跌落至0 的情況下，通過(guò)快速切斷放電電流并投入補(bǔ)償支路，依靠中壓側(cè)電容所攜帶電量，實(shí)現(xiàn)故障持續(xù)期間低壓負(fù)荷側(cè)不間斷供電。

2.6 器件取值與供能分析

2.6.1 限流電感與限流電阻的取值

考慮到保護(hù)識(shí)別與動(dòng)作時(shí)間，大約可在故障發(fā)生后4 ms 時(shí)，將信號(hào)傳遞至阻斷模塊及補(bǔ)償支路，同時(shí)，為減小低壓負(fù)荷側(cè)電壓波動(dòng)，在故障阻斷前，要求將中壓側(cè)模塊電容的電壓跌落控制在5%以內(nèi)，即ΔUC<0.05UC，因此，將回路基本數(shù)據(jù)代入式（3）可計(jì)算得到回路總電感應(yīng)滿足：

由于線路電感LS約為1 mH，阻斷模塊中限流電感應(yīng)滿足：

考慮阻斷模塊內(nèi)部微弱環(huán)流以及通信時(shí)間的影響，并留有一定裕度，本文中阻斷模塊限流電感取值為12.8 mH。限流電阻主要作用為消除內(nèi)部環(huán)流，為減小其功率損耗以及對(duì)正常工作時(shí)電容充放電影響，取值較小即可，本文選取為0.12 Ω。

2.6.2 補(bǔ)償電容的取值

本文提出的極間短路故障穿越策略中，利用中壓側(cè)模塊電容以及補(bǔ)償電容在故障持續(xù)期間對(duì)低壓負(fù)荷側(cè)進(jìn)行持續(xù)供能。本文中負(fù)荷額定功率為56 kW，假定負(fù)荷在故障期間始終維持在額定功率不變，故障持續(xù)時(shí)間為0.4 s，為保證低壓側(cè)電壓穩(wěn)定性并提高故障恢復(fù)后電容充電速度，本文在故障持續(xù)期間控制中壓側(cè)電容電壓跌落不超過(guò)10%。因此，當(dāng)忽略能量在DAB 內(nèi)部電力電子模塊以及線路上的損耗時(shí)，補(bǔ)償電容應(yīng)滿足：

式中：ΔU為中壓側(cè)電容電壓跌落值；Pload為負(fù)荷功率；Δt為時(shí)間變化量。計(jì)算得到補(bǔ)償電容應(yīng)大于0，即僅依靠中壓側(cè)原始模塊電容即可滿足要求。進(jìn)一步，為保證極端情形下所提方法仍具有可行性，要求在負(fù)載提高50%、故障持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)50%的情形下，仍能滿足要求。計(jì)算得到補(bǔ)償電容CS>13 200 μF，考慮一定裕度，選取補(bǔ)償電容數(shù)值為14 000 μF。在實(shí)際工程中可根據(jù)負(fù)載具體情形和要求以及中壓側(cè)模塊電容數(shù)值對(duì)補(bǔ)償電容值進(jìn)行優(yōu)選。

3 仿真分析

本文針對(duì)圖1 所示的典型雙端柔性中壓直流配電網(wǎng)，基于PSCAD／EMTDC 平臺(tái)進(jìn)行仿真分析。直流中壓側(cè)額定電壓為±10 kV，低壓側(cè)額定電壓為±375 V，負(fù)荷額定功率為56 kW，DAB 中壓側(cè)模塊電容為12 000 μF。在DAB 中壓側(cè)入口處設(shè)置極間短路故障，設(shè)置故障在第2 s 時(shí)發(fā)生，故障發(fā)生2 ms后換流閥閉鎖，第2.4 s 時(shí)故障切除，系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。分3 種情形展開仿真分析，驗(yàn)證所提方法有效性。

3.1 情形1：基于傳統(tǒng)DAB型直流變換器的仿真分析

基于傳統(tǒng)DAB 型直流變換器的雙端直流配電系統(tǒng)中低壓側(cè)故障電壓波形如圖3 所示。圖中，UP、UN分別為正極對(duì)地電壓、負(fù)極對(duì)地電壓?？梢钥闯觯收习l(fā)生后直流中壓側(cè)正、負(fù)極對(duì)地電壓以及極間電壓迅速降為0。故障恢復(fù)后，經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間電容充電過(guò)程，電壓恢復(fù)正常。故障發(fā)生后DAB 內(nèi)部電力電子模塊迅速閉鎖，低壓側(cè)正、負(fù)極對(duì)地電壓以及極間電壓經(jīng)一定時(shí)間的放電過(guò)程降為0，故障恢復(fù)后同樣需較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)至正常運(yùn)行電壓水平。

圖3 直流中、低壓側(cè)電壓波形Fig.3 Waveforms of DC voltage at medium- and low-voltage side

直流低壓側(cè)電流如圖4 所示。由圖可見，低壓側(cè)電流波形與極間電壓波形基本一致，故障后逐漸降為0，故障恢復(fù)時(shí)緩慢上升至正常運(yùn)行水平。

圖4 直流低壓側(cè)電流波形Fig.4 Waveform of DC current at low-voltage side

DAB 中高頻變壓器輸入、輸出側(cè)電壓波形和電流波形分別如圖5、6 所示。由圖可知：由于DAB 頻率為2 500 Hz，高頻變壓器的輸入、輸出側(cè)電壓波形基本一致，故障后迅速變?yōu)?，故障恢復(fù)時(shí)波幅緩慢恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)；輸入、輸出側(cè)電流波形也基本一致，故障后迅速變?yōu)?，故障恢復(fù)時(shí)波幅大小緩慢恢復(fù)至正常運(yùn)行水平，但整體波形向下平移。

圖5 高頻變壓器輸入、輸出側(cè)電壓波形Fig.5 Voltage waveforms of high frequency transformer at input and output sides

圖6 高頻變壓器輸入、輸出側(cè)電流波形Fig.6 Current waveforms of high frequency transformer at input and output sides

3.2 情形2：僅加入阻斷模塊后的仿真分析

故障發(fā)生后，當(dāng)電壓不平衡監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到中壓側(cè)極間電壓下降至保護(hù)動(dòng)作門檻值以下時(shí)，給故障電流阻斷裝置施加閉鎖信號(hào)。

直流中、低壓側(cè)故障電壓以及電容電壓如附錄A 圖A3 所示。由圖可知，故障發(fā)生后中壓側(cè)正、負(fù)極對(duì)地電壓及極間電壓迅速降為0，故障恢復(fù)后電壓很快恢復(fù)正常，電容電壓充電過(guò)程較情形1 下明顯縮短。由于故障發(fā)生后阻斷模塊的迅速投入，DAB 中壓側(cè)模塊電容電壓僅存在小幅下降（約3%），DAB內(nèi)部電力電子模塊無(wú)需閉鎖，繼續(xù)由中壓側(cè)模塊電容向低壓側(cè)持續(xù)供電，由于模塊電容為完全放電，故障恢復(fù)過(guò)程中電容充電時(shí)間大幅減小；故障期間低壓側(cè)極間電壓僅有小幅下降，但沒有下降至0，這一結(jié)果較傳統(tǒng)DAB 型直流變換器故障穿越效果有了極大的提升。

直流低壓側(cè)電流如附錄A 圖A4 所示?？梢钥闯?，低壓側(cè)電流波形與極間電壓波形基本一致，故障期間僅有較小波動(dòng)，故障恢復(fù)時(shí)很快恢復(fù)至正常運(yùn)行水平。DAB中，高頻變壓器輸入、輸出側(cè)電壓波形和電流波形分別如附錄A 圖A5、A6 所示。由圖可知：高頻變壓器的輸入、輸出側(cè)電壓波形基本一致，故障期間波幅均有小幅縮減；輸入、輸出側(cè)電流波形也基本一致，故障期間有高頻方波整體波形有一定向上平移。

3.3 情形3：同步投入補(bǔ)償電容后的仿真分析

在情形2 的基礎(chǔ)上，在故障發(fā)生后，故障電流阻斷模塊迅速投入的同時(shí)，將補(bǔ)償電容投入。

直流中、低壓側(cè)故障電壓以及電容電壓如附錄A 圖A7 所示。由圖可知，中壓側(cè)極間電壓故障恢復(fù)建壓速度較情形2 有了進(jìn)一步提升。故障發(fā)生后，阻斷模塊以及補(bǔ)償電容迅速同步投入，DAB 中壓側(cè)模塊電容電壓降幅較情形2 中仿真結(jié)果進(jìn)一步減小，故障期間，在DAB 電壓控制下，低壓側(cè)電壓幾乎無(wú)明顯變化，僅在故障恢復(fù)時(shí)有較小波動(dòng)，故障恢復(fù)速度也進(jìn)一步提高。

直流低壓側(cè)電流如附錄A 圖A8 所示。由圖可知，低壓側(cè)電流波形與極間電壓波形基本一致，故障期間無(wú)明顯變化，故障恢復(fù)時(shí)有較小波動(dòng)。DAB 中高頻變壓器輸入、輸出側(cè)電壓波形和電流波形分別如附錄A圖A9、A10所示。由圖可知：高頻變壓器的輸入、輸出側(cè)電壓波形基本一致，故障期間無(wú)明顯變化；輸入、輸出側(cè)電流波形也基本一致，故障期間高頻方波波形整體向上平移。

對(duì)比3 種情形下高頻變壓器電壓、電流，可以看出加入阻斷模塊與補(bǔ)償電容后故障時(shí)對(duì)DAB側(cè)高頻量無(wú)明顯影響。故障發(fā)生后3 種情形下低壓側(cè)極間電壓波形如附錄A圖A11所示。由圖可知，3種情形下故障期間低壓側(cè)極間電壓降幅逐漸減小，故障恢復(fù)速度逐漸提升。這一結(jié)果表明本文所提故障穿越方法對(duì)減小低壓側(cè)電壓下降幅度、維持故障持續(xù)期間低壓側(cè)負(fù)荷供電、加速故障恢復(fù)過(guò)程有著較為明顯的效果。

附錄A圖A12為阻斷模塊中單個(gè)QC在動(dòng)作前后承壓情況，可以看出，正常運(yùn)行期間QC不承受電壓，故障投入期間單個(gè)QC所承受電壓約為3.8 kV，在其正常允許的電壓承受范圍內(nèi)。

3.4 故障穿越方法可靠性分析

在實(shí)際工程中，故障檢測(cè)時(shí)間、故障切除時(shí)間以及負(fù)載情況均有可能出現(xiàn)變化，因此對(duì)不同情形下本文所提方法的可靠性進(jìn)行分析。

3.4.1 故障檢測(cè)時(shí)間延遲2 ms

附錄A 圖A13 為故障檢測(cè)時(shí)間延遲2 ms 時(shí)直流低壓側(cè)電壓波形。由圖可知，故障檢測(cè)時(shí)間延遲2 ms時(shí)，低壓側(cè)電壓波動(dòng)較未延遲情形下變大，這主要是由于阻斷模塊投入延遲，中壓側(cè)電容電壓降幅變大，低壓側(cè)電壓波動(dòng)也有所增大，可根據(jù)2.6 節(jié)中對(duì)限流電感的取值方法，增大限流電感至30 mH，即可使電壓降幅滿足要求，如附錄A 圖A14 所示。由圖可知，通過(guò)增大限流電感，能有效控制電壓跌落水平，所提方法仍具有較好的可靠性，同時(shí)也證明了所提方法具有較好的靈活性和適應(yīng)性。

3.4.2 故障切除時(shí)間延遲0.2 s

附錄A圖A15為故障切除時(shí)間延遲0.2 s時(shí)直流低壓側(cè)電壓波形。由圖可知，故障切除時(shí)間延遲0.2 s 對(duì)低壓側(cè)電壓無(wú)較大影響，該情形下所提方法仍具有較好的可靠性。

3.4.3 負(fù)載提高50%

附錄A圖A16為負(fù)載提高50%時(shí)直流低壓側(cè)電壓波形。由圖可知，負(fù)載提高50%后對(duì)低壓側(cè)電壓無(wú)較大影響，該情形下所提方法仍具有較好的可靠性。

綜上，本文所提方法在故障檢測(cè)時(shí)間延遲、故障切除時(shí)間延遲以及負(fù)載增大的情形下均具有較好的可靠性和適應(yīng)性。

3.5 故障穿越方法性能對(duì)比

針對(duì)文獻(xiàn)［17，19］所采用的方法與本文所提方法在中壓側(cè)極間短路故障時(shí)的故障穿越效果、故障恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)以及方法經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)比如表1 所示。由表可知，本文所提方法能夠有效減小中壓側(cè)極間短路故障對(duì)于低壓側(cè)負(fù)荷的影響，并且具有良好的故障恢復(fù)特性和經(jīng)濟(jì)性。

表1 故障穿越方法性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of fault ride through methods

4 結(jié)論

本文針對(duì)含DAB 型直流變壓器的中低壓直流配電系統(tǒng)，研究了中壓側(cè)極間短路故障機(jī)理，提出了一種新型故障穿越方法，并在PSCAD／EMTDC 平臺(tái)進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了本文所提方法的有效性，得到結(jié)論如下。

1）通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)DAB 型直流變換器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增設(shè)故障電流阻斷模塊和補(bǔ)償電容支路，能在故障發(fā)生后迅速識(shí)別，切斷故障電流通路并投入補(bǔ)償電容。故障持續(xù)期間依靠中壓側(cè)模塊電容剩余電量以及補(bǔ)償電容電量向低壓側(cè)負(fù)荷進(jìn)行短期持續(xù)供電，能有效降低低壓側(cè)電壓跌落，減小中壓側(cè)極間短路故障對(duì)于負(fù)荷的影響。

2）由于故障后中壓側(cè)模塊電容短路放電回路被迅速切斷，電容電量損失較小，故障清除后能夠快速充電至正常運(yùn)行狀態(tài)，所提方法較傳統(tǒng)故障后DAB閉鎖，恢復(fù)后電容重新充電的方法有更好的故障恢復(fù)特性。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。