基于LCL型電壓源換流器的柔性直流配電網(wǎng)故障機理分析

郭倩雯，許中，周凱，欒樂，馬智遠

（廣州供電局有限公司電力試驗研究院，廣東 廣州 510420）

隨著當今電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，將電壓源換流器（voltage source converter，VSC）應(yīng)用于高電壓等級的直流輸電技術(shù)已經(jīng)日益成熟，現(xiàn)在各地學(xué)者已將研究焦點逐漸放在了中低電壓等級的直流配電網(wǎng)中[1-2]?；赩SC的直流配電網(wǎng)由于具有供電能力良好、線路損耗小以及無換相失敗等優(yōu)點而擁有廣闊的發(fā)展?jié)摿?，成為當今電力領(lǐng)域的熱門研究方向[3-4]。但是直流配電網(wǎng)中的VSC大多采用L型濾波器[5]，相比于LCL濾波器，L型濾波器擁有更大的濾波器體積以及較低的高頻濾波功能，因此LCL型VSC在直流配電網(wǎng)中將具有更大的應(yīng)用價值[6]。

故障機理分析是柔性直流配電網(wǎng)設(shè)計保護方案的核心基礎(chǔ)，具有非常重要的理論價值和工程意義，但是當前基于LCL型VSC的柔性直流配電網(wǎng)故障機理分析還較為缺乏，較多文獻僅對基于L型VSC的柔性直流配電網(wǎng)進行了故障機理分析。文獻[7-8]指出一旦VSC的直流側(cè)電壓下降至0，將導(dǎo)致VSC中所有的二極管導(dǎo)通，柔性直流配電網(wǎng)將發(fā)生三相短路故障；文獻[9]將配電網(wǎng)的極間短路故障過程細分為電容放電、二極管導(dǎo)通和系統(tǒng)穩(wěn)定三個階段，但未給出詳細的公式證明；文獻[10-11]分別詳細對比了VSC在故障情況下閉鎖IGBT和不閉鎖IGBT的工作特性，但未考慮中性點聯(lián)結(jié)方式對故障特性的影響；文獻[12]發(fā)現(xiàn)在不考慮系統(tǒng)接地方式的情況下，IGBT閉鎖后的交流側(cè)電壓比IGBT閉鎖前的交流側(cè)電壓高，但未給出明確原因。綜上所述，目前基于LCL型VSC的柔性直流配電網(wǎng)故障機理分析還很缺乏，同時現(xiàn)有文獻還存在理論分析不夠透徹、考慮因素不夠全面的問題，因此有必要在考慮多種因素的影響下對LCL型VSC的柔性直流配電網(wǎng)進行故障機理分析。

鑒于此，本文將著重研究基于LCL型VSC的“手拉手”式柔性直流配電網(wǎng)的故障機理。首先給出了LCL型VSC應(yīng)用在柔性直流配電網(wǎng)中的控制模型，之后在考慮接地方式、IGBT閉鎖與否以及線路阻抗大小等因素的影響下，詳細分析了柔性直流配電網(wǎng)發(fā)生極間短路故障和單極接地故障時的暫態(tài)特性，最后仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性，為實際工程應(yīng)用提供了良好的參考。

1 基于LCL型VSC的柔性直流配電網(wǎng)

1.1 柔性直流配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)

柔性直流配電網(wǎng)中普遍的“手拉手”式拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，110 kV的交流電網(wǎng)經(jīng)過變壓器連接兩個LCL型電壓源換流器VSC1，VSC2對柔性直流配電網(wǎng)進行供電。變壓器為Y/△聯(lián)結(jié)方式，并且低壓側(cè)采用中性點經(jīng)大電阻的接地方式，VSC1采用定功率控制，VSC2采用定電壓控制[13]，配電網(wǎng)電壓等級為±10 kV，line1，line2，line3，line4，line5分別為配電網(wǎng)中的5條直流母線，每條母線兩端皆配置直流斷路器，一方面，配電網(wǎng)通過逆變器VSI1，VSI2給交流負荷和交流微網(wǎng)供電，另一方面，通過直流變換器DCSST1，DCSST2給直流負荷和直流微網(wǎng)供電，同時為了防止負荷側(cè)的電壓受到直流故障的影響，VSI1，VSI2，DCSST1，DCSST2均采用定負荷側(cè)電壓控制[14-15]。

圖1 柔性直流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of flexible DC distribution network

1.2 LCL型VSC的拓撲結(jié)構(gòu)

以VSC2為例，圖2為LCL型VSC在柔性直流配電網(wǎng)當中的拓撲結(jié)構(gòu)。圖 2 中，uga，ugb，ugc為110 kV交流電網(wǎng)經(jīng)變壓器降壓后的10 kV交流電壓；iga，igb，igc為網(wǎng)側(cè)電流；iLa，iLb，iLc為整流器側(cè)電流；RT為變壓器接地電阻；L2，L1以及 Cf分別為LCL濾波器的網(wǎng)側(cè)電感、整流器側(cè)電感和濾波電容；ua，ub，uc為 VSC 的交流側(cè)相電壓；S1～S6為VSC的六個IGBT開關(guān)管；Cp，Cn為直流側(cè)的濾波電容，且兩電容容值相等；Udc為VSC的直流側(cè)電壓；idc為VSC的直流側(cè)電流；ip和in為直流母線上的正負極電流；Rline和Lline為線路電阻和線路電感。

圖2 LCL型VSC的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology structure of LCL-type VSC

2 柔性直流配電網(wǎng)的故障機理分析

2.1 單極接地故障

以VSC2為例，柔性直流配電網(wǎng)發(fā)生單極接地故障時的電路圖如圖3所示。圖3中，Up、Un為直流側(cè)正負極電容的電壓，Rf為接地故障的過渡電阻，if為故障支路電流，iD為VSC2向配電網(wǎng)負載注入的電流。

圖3 單極接地故障時柔性直流配電網(wǎng)的電路圖Fig.3 Circuit diagram of flexible DC distribution network under single-pole grounded fault

配電網(wǎng)在接地故障下的特性可分為故障電流特性和故障電壓特性。

2.1.1 故障電流特性

由于配電網(wǎng)的直流側(cè)正極或負極可能會突發(fā)接地故障，從而導(dǎo)致正極或負極電容向故障支路放電，交流電網(wǎng)同時也會向故障支路放電，從而導(dǎo)致故障支路的電流if大幅上升。本文中假設(shè)正極發(fā)生接地故障，圖4為正極電容和電網(wǎng)對故障支路的放電回路，由于電網(wǎng)每相對故障支路的放電電路是相同的，所以分析時只給出a相的放電電路。圖4中，icp為正極電容對故障支路的放電電流，idc_a為a相對故障支路的放電電流，Udc_a為a相向直流側(cè)提供的等效直流電壓源。

圖4 單極接地故障下的放電回路Fig.4 Discharge circuit under single-pole grounded fault

對于圖4a所示的電容放電回路，該放電回路為一個二階電路，假設(shè)Up為正極電容Cp的初始電壓，若以故障發(fā)生時刻為初始時刻，可列出icp的表達式，如下式所示：

式中：ωcp為放電電流的角頻率；τ為時間常數(shù)。參數(shù)表達式如下：

在icp達到峰值icp_m時，有 e-τt≈1 成立，故可給出icp_m的表達式：

由二階電路零輸入響應(yīng)理論可知，該放電回路的電流會在極短時間內(nèi)上升到極大值，之后下降趨近于0，若該回路為欠阻尼系統(tǒng)，則下降過程表現(xiàn)為振蕩過0。

對于圖4b所示的直流放電回路，不難得出等式：

從式（4）可以發(fā)現(xiàn)，a相交流電網(wǎng)經(jīng)整流器向故障支路提供的故障電流idc_a的大小取決于回路上電阻的大小?？紤]最嚴重的情況，接地故障類型為金屬性接地，即過渡電阻Rf=0 Ω，且接地故障發(fā)生在VSC2的端口處，即線路電阻Rline=0 Ω，若此時變壓器低壓側(cè)采用中性點接地，即RT=0 Ω，那么idc_a將趨于無窮大，嚴重燒毀VSC中的IGBT開關(guān)管，雖然VSC可采用過流保護來防止IGBT燒毀，即橋臂電流超過IGBT額定電流的2倍則斷開開關(guān)管，但是這樣就降低了柔性直流配電網(wǎng)的供電可靠性。

另外，通過式（4）還可發(fā)現(xiàn)，若變壓器低壓側(cè)采用中性點經(jīng)大電阻的接地方式，可顯著增大該回路上的電阻值，從而減小了交流電網(wǎng)注入的故障電流，故可以得出結(jié)論：中性點經(jīng)大電阻的接地方式能在配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時有效保護電力電子器件。

2.1.2 故障電壓特性

首先對于直流側(cè)，由于VSC在發(fā)生接地故障后icp會急劇增大，一旦icp大于交流電網(wǎng)提供給負極電容的充電電流，將導(dǎo)致直流極間電壓Udc下降，直到正極電容的放電電流小于交流電網(wǎng)提供的充電電流時，Udc才會上升，因此最終正極電容的電壓Up將降至接近0 V，而負極電容的電壓Un由于LCL型VSC中電壓控制器Gu（s）的作用將被抬高至母線電壓額定值的2倍，母線不平衡電壓大小如下式所示：

式中：Uunb為直流側(cè)正負母線的不平衡電壓。

在接地故障下，雖然正負母線的對地電壓受到了影響，但極間電壓Udc仍然不變，因此該故障并不影響交流電網(wǎng)對負載供電，此時配電網(wǎng)可帶故障短時間運行，但是要求直流母線的絕緣性能良好，否則單極接地故障可能進一步惡化為極間短路故障。

而對于交流側(cè)，正常情況下少量的電流會流過變壓器的接地電阻，因此變壓器的接地方式并不影響交流電網(wǎng)的對地相電壓。但是在接地故障情況下，如圖4b所示，該接地方式會導(dǎo)致大量的直流故障電流流過接地電阻，使得交流電網(wǎng)的對地相電壓uga，ugb，ugc含有較多的直流電壓，影響了VSC的系統(tǒng)控制。但是在故障清除后，交流電網(wǎng)可通過LCL濾波器、整流橋、正極電容以及接地電阻形成回路，重新對正極電容進行充電，而負極電容可通過整流橋、LCL濾波器、交流電網(wǎng)以及接地電阻形成放電回路，實現(xiàn)直流側(cè)極間電壓的重新平衡。

2.2 極間短路故障

圖5為柔性直流配電網(wǎng)發(fā)生極間短路故障時的電路圖。

圖5 極間短路故障時柔性直流配電網(wǎng)的電路圖Fig.5 Circuit diagram of flexible DC distribution network under inter-pole short circuit fault

極間短路故障對VSC內(nèi)部器件的危害是極大的，發(fā)生極間短路故障時的配電網(wǎng)特性從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)可分為三個階段。

2.2.1 電容放電階段

圖6為直流電容的放電回路圖。如圖6所示，與單極接地故障類似，在發(fā)生故障后直流側(cè)電容Cp，Cn會向故障支路快速放電，形成二階電路，導(dǎo)致故障電流if急劇上升，且電容的放電電流遠大于交流電網(wǎng)提供的直流電流idc，可把此時的故障電流if看作是電容的放電電流，即if≈icpn，而直流側(cè)電壓Udc表現(xiàn)為在短時間內(nèi)急劇上升和振蕩下降的特性。

圖6 直流電容的放電回路Fig.6 Discharge circuit of DC capacitance

2.2.2 二極管導(dǎo)通階段

根據(jù)二極管的導(dǎo)通性質(zhì)，當直流側(cè)電壓Udc下降過0時，VSC中所有的二極管將會發(fā)生單向?qū)?，此時流過二極管的電流為兩部分，一部分為交流電網(wǎng)注入的故障電流iaf，ibf，icf；另一部分為直流側(cè)線路電感的放電電流iLf，如圖7所示，圖中虛線表示電流路徑。

圖7 極間短路故障下的放電回路Fig.7 Discharge circuit under the fault of inter-pole short circuit

對于圖7a的交流電網(wǎng)來說，相當于發(fā)生了三相交流短路故障，iaf，ibf，icf分別為三相交流電網(wǎng)向故障支路注入的電流，其表達式如下式所示：

式中：uga，ugb，ugc分別為交流電網(wǎng)對地相電壓的有效值；Rtg，Ltg分別為單相回路上的總電阻和總電感；Ψf為故障情況下交流電網(wǎng)單相的相角；Ψa，Ψb，Ψc為正常情況下交流電網(wǎng)單相的相角；ωo為交流電網(wǎng)的基波角頻率。

關(guān)閉IGBT開關(guān)管也無法斷開交流電網(wǎng)注入的故障電流，交流電網(wǎng)仍可通過二極管向故障支路注入電流。

而對于圖7b的直流側(cè)線路電感來說，在二極管導(dǎo)通時刻，線路電感已儲存了大量能量，二極管一旦導(dǎo)通，線路電感將通過二極管釋放大量電流，iLf為線路電感的放電電流，其放電回路為一階電路，其表達式如下式所示：

式中，iLf_0為故障時刻線路電感的初始電流。

此時二極管中的電流可達到橋臂額定電流的幾倍，嚴重威脅VSC器件的安全。

另外，由式（12）和式（13）可發(fā)現(xiàn)，若增加回路上的總電感值Ltg和總電阻值Rtg，不僅可以有效減小橋臂上故障電流的峰值，而且還可延長故障電流達到峰值的時間，但是增加回路電阻會削弱VSC輸出電壓的傳輸效率，因此可選擇增加回路電感的方法來減小橋臂上故障電流的峰值。

2.2.3 穩(wěn)定階段

隨著VSC二極管中故障電流的衰減，將出現(xiàn)故障電流過零的現(xiàn)象，導(dǎo)致交流電網(wǎng)對直流側(cè)電容重新充電，此時Udc將逐漸上升，但是Udc的最大值Udc_m因極間短路故障而受到限制，其最大值的表達式如下：

式中：ip為穩(wěn)定階段直流正極母線上的電流。

3 仿真驗證

為了驗證上述理論部分的正確性，搭建了如圖1所示的柔性直流配電網(wǎng)仿真模型。由于本文主要研究的是直流故障對整流器端口處的影響，所以在仿真部分中僅給出了VSC2和故障支路的電氣參數(shù)的暫態(tài)特性，并且考慮最嚴重的情況，即直流故障發(fā)生在VSC2的端口處，故障點與直流側(cè)電容之間的線路阻抗較小，同時故障過渡電阻Rf=0 Ω，柔性直流配電網(wǎng)各換流器仿真參數(shù)如表1所示，VSC2的各元件仿真參數(shù)為：濾波器電感L1=7 mH，濾波器電容Cf=2 μF，濾波器電感L2=3.5 mH，直流側(cè)正極電容Cp=0.06 F，直流側(cè)負極電容Cn=0.06 F。

表1 柔性直流配電網(wǎng)各換流器仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of converter in flexible DC distribution network

3.1 單極接地故障

設(shè)定VSC的IGBT開關(guān)管額定電流為8 kA，線路電阻Rline和線路電感Lline分別為0.05 Ω和1 mH，直流正極母線在1.5 s時發(fā)生接地故障，給出了RT=0 Ω和RT=200 Ω時兩種情況下配電網(wǎng)的故障特性。

圖8為RT=200 Ω和0 Ω時VSC橋臂電流的暫態(tài)特性，很明顯可以看出RT=200 Ω時，暫態(tài)過程中的VSC橋臂電流較小，僅為額定值50%，不會危及開關(guān)管的安全，且在1.9 s后系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，VSC橋臂電流恢復(fù)為額定值。而RT=0 Ω時，暫態(tài)過程中的VSC橋臂電流達到額定值的2倍以上，嚴重損壞了開關(guān)管，驗證了2.1節(jié)中故障電流特性分析的正確性。

圖8 橋臂電流的暫態(tài)特性Fig.8 Transient characteristics of bridge arm current

圖9為RT=200 Ω和0 Ω時故障支路電流的暫態(tài)特性。

圖9 故障支路電流的暫態(tài)特性Fig.9 Transient characteristics of fault branch current

圖9a與圖9b均表明，故障支路電流在故障發(fā)生后的20 ms均達到峰值60 kA左右，且都表現(xiàn)為振蕩過0的特性，但由于圖9a中的回路電阻較大，此時系統(tǒng)處于過阻尼狀態(tài)，其電流峰值僅在故障發(fā)生40 ms后得到了大幅衰減。而由于圖9b中的回路電阻較小，系統(tǒng)為欠阻尼狀態(tài)，故障支路長時間存在著較大的電流，且振蕩幅度遠大于圖9a所示的系統(tǒng)，驗證了2.1節(jié)中故障電流特性分析的正確性。

圖10為RT=200 Ω和0 Ω時，交流側(cè)單相對地電壓的暫態(tài)特性，由于故障電流在接地電阻上產(chǎn)生了直流電壓，導(dǎo)致單相對地電壓不再為標準的正弦波，且只要接地故障存在，直流電壓分量就始終存在，而RT=0 Ω時，單相對地電壓不存在直流電壓分量，驗證了2.1節(jié)中故障電壓特性分析的正確性。

圖10 交流側(cè)單相對地電壓的暫態(tài)特性Fig.10 Transient characteristics of singlephase voltage to ground on AC side

圖11為RT=200 Ω和0 Ω時，直流母線電壓的暫態(tài)特性，由圖11a看出RT=200 Ω時，正極母線電壓由于發(fā)生接地下降至0 V，而負極母線電壓由于電壓控制器的作用變?yōu)?20 kV，正負母線不平衡電壓大小為10 kV，但極間電壓保持不變。當RT=0 Ω時，如圖11b所示，極間電壓下降過0導(dǎo)致二極管導(dǎo)通，使得極間電壓無法恢復(fù)至正常情況，驗證了2.1節(jié)中故障電壓特性分析的正確性。

圖11 直流母線電壓的暫態(tài)特性Fig.11 Transient characteristics of DC bus voltage

綜上所述，在單極接地故障下，變壓器低壓側(cè)采用中性點經(jīng)大電阻的接地方式可顯著減小橋臂故障電流，很好地保護了IGBT開關(guān)管，并且防止了極間電壓過0現(xiàn)象的發(fā)生，使得柔性直流配電網(wǎng)在短時間內(nèi)仍然可以帶故障運行，提高了配電網(wǎng)的供電可靠性。

3.2 極間短路故障

同樣設(shè)定VSC的IGBT開關(guān)管額定電流為8 kA，線路電阻Rline和線路電感Lline分別為0.05 Ω和1 mH，直流正極母線在1.5 s時發(fā)生極間短路故障，變壓器低壓側(cè)采用中性點經(jīng)大電阻的接地方式。

圖12為柔性直流配電網(wǎng)發(fā)生極間短路故障時，VSC橋臂電流、極間電壓以及故障支路電流的暫態(tài)過程?？梢园l(fā)現(xiàn)，在故障發(fā)生后的10 ms時刻，極間電壓發(fā)生下降過0的現(xiàn)象，且下降過程存在一定的振蕩特性，之后所有二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，進而使得VSC橋臂電流和故障支路電流也在故障發(fā)生后的10 ms時刻上升至最大值，且最大值為額定值的2倍左右，這將嚴重損壞二極管，之后交流電網(wǎng)給直流電容充電，極間電壓上升至最大限定值，VSC橋臂電流和故障支路電流下降，驗證了2.2節(jié)理論分析的正確性。

圖12 極間短路故障下配電網(wǎng)的暫態(tài)特性Fig.12 Transient characteristics of distribution network under inter-short circuit fault

為了驗證增加線路電感可有效的減小故障電流峰值，延遲故障電流達到峰值的時間，圖13給出了線路電感Lline增大至10 mH時配電網(wǎng)的故障電流特性。將圖13與圖12進行對比后發(fā)現(xiàn)，圖13中的橋臂電流和故障支路電流得到了大幅下降，表明增大線路電感可以有效避免二極管被損壞，并且故障電流達到峰值的時間也被延長至40 ms，為直流斷路器的動作爭取了足夠的響應(yīng)時間，更利于故障的清除和定位，但是增加線路電感明顯延長了故障暫態(tài)時間，削弱了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力，故線路電感的增加量需選擇合適的值，驗證了2.2節(jié)理論分析的正確性。

圖13 線路電感增大時配電網(wǎng)的暫態(tài)特性Fig.13 Transient characteristics of distribution network when circuit inductance increases

為了驗證極間故障發(fā)生后，IGBT閉鎖對配電網(wǎng)故障特性的影響，設(shè)定IGBT在故障發(fā)生后的5 ms時刻閉鎖，圖14給出IGBT閉鎖時配電網(wǎng)的暫態(tài)特性。

將圖12a與圖14a進行比較后發(fā)現(xiàn)，IGBT閉鎖與否并不影響故障電流的峰值大小，而且VSC橋臂仍然存在故障電流，表明交流電網(wǎng)和直流電感可通過導(dǎo)通的二極管形成回路，進而對二極管的安全構(gòu)成威脅，驗證了2.2節(jié)理論分析的正確性。

綜上所述，在極間短路故障下，變壓器低壓側(cè)采用中性點經(jīng)大電阻的接地方式與故障后閉鎖IGBT的方法均不能減小或切斷VSC橋臂上的故障電流，故障電流將通過導(dǎo)通的二極管構(gòu)成回路，從而對二極管的安全造成威脅。而采用增大線路電感的方法不僅可有效減小VSC橋臂電流和故障支路電流的大小，同時還可延長電流達到峰值的時間，但削弱了配電網(wǎng)的動態(tài)響應(yīng)能力，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間將被延長，且延長時間與線路電感大小呈正比。

圖14 IGBT閉鎖時配電網(wǎng)的暫態(tài)特性Fig.14 Transient characteristics of distribution network when IGBT is locked

4 結(jié)論

本文著重研究了基于LCL型VSC的柔性直流配電網(wǎng)在直流故障下的暫態(tài)特性，且最終仿真結(jié)果與理論分析一致，為實際工程的應(yīng)用提供了良好的參考，其理論結(jié)論主要為以下幾點：

1）變壓器低壓側(cè)采用中性點經(jīng)大電阻的接地方式可顯著減小單極接地故障對配電網(wǎng)的危害，配電網(wǎng)可短時間內(nèi)帶故障運行，但該接地方式對極間短路故障沒有保護作用。

2）在極間短路故障下，增加線路電感可大幅減小橋臂電流和故障支路電流的峰值，延長故障電流達到峰值的時間，但是線路電感的增大影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

3）極間短路故障發(fā)生后閉鎖IGBT對故障電流的峰值沒有影響，交流電網(wǎng)和直流電感仍然可通過導(dǎo)通的二極管構(gòu)成回路，對二極管的安全造成了嚴重威脅。