張 翀 楊偉濤 高一波

（1.先進(jìn)輸電技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司） 2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院）

0 引言

采用直流配電技術(shù)能夠通過(guò)提高單位供電走廊的供電能力來(lái)緩解供電走廊緊張問(wèn)題。目前直流配電技術(shù)的研究還僅僅局限于工業(yè)園區(qū)和商業(yè)活動(dòng)中心的供電［1-2］、樓宇直流供電［3，4］、艦船的直流配電［5-7］和直流微網(wǎng)［8-9］等領(lǐng)域?，F(xiàn)有文獻(xiàn)研究的側(cè)重點(diǎn)主要集中于以下兩大類(lèi)［10-11］：直流配電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)研究、直流配電網(wǎng)控制和保護(hù)技術(shù)研究。直流側(cè)中性點(diǎn)接地方式、接地電阻的選擇又與直流正、負(fù)極電容電壓的變化相互影響，因此很有必要研究不對(duì)稱(chēng)故障等較為苛刻條件下直流正、負(fù)極電容電壓的變化情況，從而對(duì)直流側(cè)中性點(diǎn)接地方式和接地電阻等的選擇提供依據(jù)。

本文從數(shù)學(xué)關(guān)系角度分析故障過(guò)程中直流側(cè)正、負(fù)極電容電壓的變化情況。開(kāi)展直流配電網(wǎng)暫、穩(wěn)態(tài)仿真研究，理論與仿真結(jié)果都表明交流側(cè)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障后，AC/DC換流器直流側(cè)的正、負(fù)極電容電壓存在共模波動(dòng)過(guò)程，造成AC/DC換流器交流側(cè)三相交流電壓也包含直流偏置量，這不利于故障后系統(tǒng)的快速恢復(fù)。

1 交流不對(duì)稱(chēng)故障工況下直流側(cè)電容電壓理論分析

圖1 所示為典型的兩電平換流器在交流側(cè)單相接地故障過(guò)程的示意電路圖。

圖1 兩電平換流器的故障等效電路圖

圖1 中Cp、Cn分別為直流側(cè)正、負(fù)極電容，Rf為過(guò)渡電阻，RN為直中性點(diǎn)的接地電阻，va、vb、vc分別為A、B、C三點(diǎn)對(duì)地電位，ip、in分別為換流器正、負(fù)極電流，icp、icn分別為流入電容Cp、Cn的電流.

根據(jù)kVL可得a相電壓方程如下式所示：

其中，

則

又

所以

同理，可類(lèi)比得到b相和c相的電壓方程如下：

將式（5）和式（6）相加得

上式中

分別表示故障電壓和電流的零序分量。

uN為電阻RN兩端電壓：

將式（8）、式（9）代入（7）式，并且記

整理后可得：

且icp、icn可由下式求得：

將式（12）代入式（11），整理得

式（11）中ucp的最后一項(xiàng)包含的高頻分量可以通過(guò)濾波器方式去除，則有

上述微分方程對(duì)應(yīng)的特征方程為

令=A1sin(ω1t +φ0)，則可解得

其中

由關(guān)系式ucn=udc-ucp可知，故障工況下電容Cp、Cn兩端的電壓僅相差一個(gè)直流偏置量。因此，由（16）式可知交流側(cè)單相接地故障下，因零序分量的存在，造成直流電容Cp、Cn的電壓都會(huì)出現(xiàn)共模波動(dòng)暫態(tài)過(guò)程。

2 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)建模

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文搭建了如圖2 所示典型“手拉手”直流配電網(wǎng)仿真模型。

圖2 “手拉手”直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 AC/DC換流器

本文搭建如圖3所示兩電平AC/DC換流器仿真模型。該換流器的控制策略采用基于比例積分控制器的常規(guī)“外環(huán)電壓和內(nèi)環(huán)電流”的雙環(huán)解耦控制策略。

圖3 AC/DC換流器仿真模型

2.3 直流變壓器

本文采用如圖4 所示的移相全橋式直流變壓器，該拓?fù)渲饕ㄟ^(guò)控制其高壓側(cè)和低壓側(cè)各自調(diào)制方波的相位差實(shí)現(xiàn)功率大小的控制。

圖4 直流變壓器仿真模型

2.4 光伏發(fā)電-超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)

建立如圖5 所示用光伏陣列仿真模型。圖6 所示為通過(guò)DC-DC 變換器實(shí)現(xiàn)的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖5 光伏陣列仿真模型

圖6 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型

3 PSCAD仿真驗(yàn)證

3.1 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析

仿真系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。圖7 所示是直流配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)＃1、＃2 和＃5 直流母線電壓波形圖。＃1、＃2直流母線電壓都在14.9kV至15kV范圍內(nèi)，因高壓直流負(fù)荷較大，直流母線＃5 的電壓稍低為14.8kV。圖8 所示為AC/DC 換流站1 交流側(cè)電壓、電流波形，諧波含量較少。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

圖7 ＃1、＃2和＃5直流母線電壓

圖8 AC/DC換流站1交流電壓、電流

3.2 交流單相接地故障工況分析

0.8 s 時(shí)刻施加單相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.1s，故障點(diǎn)的接地電阻為0.01Ω。

從圖9中可以看出0.8s時(shí)刻故障發(fā)生后兩個(gè)電容電壓Cp、Cn都出現(xiàn)明顯的共模波動(dòng)情況。0.9s時(shí)刻故障清除后兩個(gè)電容電壓穩(wěn)態(tài)也存在明顯不均衡。圖10中＃1直流母線電壓雖然在故障過(guò)程也出現(xiàn)工頻波動(dòng)，但在故障清除后恢復(fù)到故障前狀態(tài)。圖11中閥側(cè)三相交流電壓在故障清除后包含直流偏置，是因?yàn)榍拔乃鲭娙蓦妷捍嬖诘闹绷髌脽o(wú)法恢復(fù)原始均衡狀態(tài)而導(dǎo)致AC/DC 換流器交流側(cè)三相交流電壓均疊加直流量。

圖9 正、負(fù)極電容電壓

圖10 ＃1直流母線電壓

圖11 閥側(cè)三相電壓

4 結(jié)束語(yǔ)

本文推導(dǎo)分析故障過(guò)程中直流側(cè)正、負(fù)極電容電壓的變化情況。不對(duì)稱(chēng)接地故障過(guò)程中會(huì)顯現(xiàn)直流側(cè)正、負(fù)極兩個(gè)電容電壓的共模波動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而引起正、負(fù)極兩個(gè)電容電壓的不均衡，不利于整個(gè)系統(tǒng)在故障后的快速恢復(fù)。本文研究成果對(duì)未來(lái)實(shí)際直流配電網(wǎng)工程應(yīng)用中直流側(cè)電容和聯(lián)結(jié)變壓器的設(shè)計(jì)有理論指導(dǎo)意義。