融合光伏的直流配電網(wǎng)光伏線路極間故障暫態(tài)分析

袁臣虎，米璐晗，周佳文，董佳麗

（天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300387）

0 引 言

隨著大功率電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，直流配電網(wǎng)相比交流配電網(wǎng)而言，直流配電網(wǎng)以靈活易控、傳輸耗損小、提升電能質(zhì)量、可良好地接受各種新型直流能源以及減小成本等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用；作為電壓換流器，直流固態(tài)變壓器以其電能隔離、體積小等優(yōu)點(diǎn)成為直流配電網(wǎng)的重要器件。直流線路的故障暫態(tài)分析也尤為重要，并且要考慮換流器等對故障暫態(tài)的影響。目前，直流配電網(wǎng)的直流故障區(qū)多為接地故障和極間故障，接地故障是直流配電網(wǎng)系統(tǒng)常見的故障，其原因多為直流線路的破損，在保護(hù)策略啟動(dòng)及時(shí)的前提下配電網(wǎng)可恢復(fù)正常運(yùn)行，但是極間故障對直流配電網(wǎng)的沖擊較大，并且往往會(huì)對系統(tǒng)運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。

現(xiàn)在直流線路的故障分析多集中于直流配電網(wǎng)的VSC 換流器出口側(cè)，文獻(xiàn)[7-9]分析當(dāng)VSC 換流器端口線路發(fā)生極間故障時(shí)，假定故障瞬間VSC 換流器IGBT 立即閉鎖，將故障暫態(tài)分為三個(gè)階段：直流側(cè)電容放電、二極管自然換相和二極管全導(dǎo)通階段，故障電流會(huì)在幾毫秒內(nèi)迅速上升到額定工作電流的幾十倍以上，對二極管等直流器件造成了嚴(yán)重沖擊。隨著新能源的融入，文獻(xiàn)[10]對直流配電網(wǎng)融入光伏電源后的光伏電源輸出側(cè)進(jìn)行等效理論分析，并研究了該輸出線路極間故障的故障暫態(tài)特性，但其沒有考慮光伏電源的輸出特性；文獻(xiàn)[11-12]分析了當(dāng)光伏電源經(jīng)過Boost 電路融入直流配電網(wǎng)時(shí)，考慮光伏電源的輸出特性，建立各故障階段的等效電路和理論分析，得出光伏輸出側(cè)線路極間故障的故障特性。但是隨著直流固態(tài)變壓器的發(fā)展，如今直流配電網(wǎng)往往通過直流固態(tài)變壓器接入各種直流負(fù)荷包括光伏電源，而直流固態(tài)變壓器由雙有源換流器組成，因此分析光伏電源發(fā)生極間故障時(shí)光伏電源和雙有源換流器的暫態(tài)響應(yīng)尤為重要。

針對以上故障分析的不足，本文對直流固態(tài)變壓器和光伏電源模塊的光伏輸出側(cè)線路發(fā)生極間故障時(shí)的暫態(tài)特性進(jìn)行階段理論分析，并在PSCAD/EMTDC 中搭建模型驗(yàn)證理論分析的正確性。

1 光伏電源模塊輸出線路結(jié)構(gòu)分析

圖1 為融合光伏的直流配電網(wǎng)雙端供電模型，主要由電壓源型換流器（VSC1 和VSC2）、固態(tài)直流變壓器（DCSST）以及光伏電源模塊（光伏電源和Boost 升壓電路）組成。

圖1 融合光伏的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖2 為光伏電源模塊輸出側(cè)的結(jié)構(gòu)圖，其中右側(cè)區(qū)域?yàn)楣夥娫茨K，主要由Boost 電路和光伏電池構(gòu)成；左側(cè)區(qū)域?yàn)殡p有源換流器，選取單移相控制將20 kV 的直流電壓轉(zhuǎn)換為0.4 kV 直流電壓連接光伏電源模塊。Boost 升壓電路由、D和D以及晶體管（IGBT）組成。、、和用于保持 和穩(wěn)定電壓。D為光伏電池的續(xù)流二極管。對于光伏電源本身，正常工作時(shí)，當(dāng)外界環(huán)境條件不變時(shí)，其輸出特性如圖3 所示，和分別為光伏電源最大功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓和電流，當(dāng)輸出電壓減小時(shí)，輸出電流會(huì)相應(yīng)地增加。

圖2 光伏電源模塊輸出線路結(jié)構(gòu)圖

圖3 光伏電源的輸出特性

2 光伏輸出側(cè)線路極間故障分析

光伏輸出側(cè)線路極間故障的等效電路圖如圖4所示。

圖4 光伏電源輸出側(cè)線路極間故障等效圖

圖4 中R、R、L和L分別為雙有源全橋換流器低壓側(cè)和光伏電源模塊到故障點(diǎn)的線路等效電阻和電感。假設(shè)在故障發(fā)生時(shí)雙有源全橋換流器和Boost 電路中的IGBT 因自我保護(hù)而關(guān)斷；由于故障暫態(tài)過程較短，假定在故障持續(xù)階段光伏電源的光照和溫度不變，根據(jù)光伏電源的輸出特性，在該直流配電網(wǎng)極間故障時(shí)，將光伏電源等效為電壓控制型電流源。光伏電源模塊僅有Boost 電路的控制，其故障過程分為四個(gè)階段。

1）雙模塊直流側(cè)電容放電階段

故障發(fā)生的初始時(shí)刻，由于升壓電路的工作模式，二極管D關(guān)斷，故障電流主要由雙向全橋變換器的電容和Boost 電路的電容的放電電流組成，圖5 為直流側(cè)電容等效電路。

設(shè)定故障發(fā)生時(shí)間為，即在時(shí)刻，電容和電容的初始電壓值都為低壓直流饋線穩(wěn)態(tài)電壓為，穩(wěn)態(tài)電流為。由圖5 可得到關(guān)于故障電流的方程為：

圖5 雙端直流側(cè)電容放電等效電路圖

此階段雙端電容放電回路都為欠阻尼振蕩，根據(jù)式（1）、式（2）可知電容和電容的放電方程相似，只是參數(shù)不同，因此解得的電容和電容的放電電流也相似，以下以電容電流為例：

對于電容和電容，根據(jù)電容放電時(shí)間常數(shù)=可得，雙有源全橋換流器電容的放電時(shí)間大于Boost電路電容的放電時(shí)間。同時(shí)，光伏電源模塊的光伏電源和電容構(gòu)成回路，處于電容充電狀態(tài)。

2）光伏電源多回路供電階段

由于電容的迅速放電，電壓逐漸降低，當(dāng)降低到小于光伏電源電壓時(shí)，二極管D開始導(dǎo)通，光伏電源和電容開始向故障點(diǎn)供電，光伏電源模塊的電容、光伏電源和電容同時(shí)向故障點(diǎn)供電；雙有源全橋換流器側(cè)依舊為電容向故障點(diǎn)供電，同時(shí)線路電感L存儲(chǔ)能量，與第一階段相同，這里不做詳細(xì)闡述。圖6 為該階段的等效電路圖。

由圖6 可得到此階段的電路方程為：

圖6 光伏電源多回路供電階段等效電路圖

由式（4）可知：二極管D電流的上升速率由電容和之間的差值決定，由光伏電源的輸出特性可知，當(dāng)電容放電電壓逐漸下降時(shí)，光伏電流隨著逐漸變大且經(jīng)二極管D和D流向故障點(diǎn)；二極管D流過的電流為光伏電源電流和電容放電電流之和，嚴(yán)重威脅了二極管D和D的安全。

3）光伏電源續(xù)流階段

光伏電源側(cè)，電容結(jié)束放電后，電容經(jīng)二極管D放電完成后，線路電感L、Boost 電路電感以及光伏電源經(jīng)二極管D和D流向故障點(diǎn)并最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)階段，故障電流僅由光伏電源提供。雙有源全橋換流器側(cè)電容放電時(shí)間較長，依舊為電容向故障點(diǎn)供電。圖7 為該階段的等效電路圖。

圖7 光伏電源續(xù)流階段等效電路圖

此階段的故障電流（故障時(shí)間為）：

此階段的故障電流以電容的放電電流為主，持續(xù)時(shí)間為電容和電容放電時(shí)間之差，維持時(shí)間較短，并且光伏電源模塊在此階段達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

4）雙有源全橋換流器電感續(xù)流階段

隨著雙有源全橋換流器電容的放電電壓過零，雙有源全橋換流器到故障點(diǎn)的線路電感L儲(chǔ)存的能量達(dá)到飽和，經(jīng)H 橋的二極管構(gòu)成回路開始放出能量，向故障點(diǎn)提供電流。光伏電源模塊達(dá)到穩(wěn)態(tài)，光伏電源端電壓不變，輸出穩(wěn)定不變電流（其值較?。?，即可等效為電流源。圖8 為該階段的等效電路圖。

圖8 雙有源全橋換流器電感續(xù)流階段等效電路圖

此時(shí)，線路電感L存儲(chǔ)的能量遵循能量守恒關(guān)系，可得：

雙有源全橋換流器的電容放電時(shí)間由ω決定，而電感續(xù)流階段時(shí)間主要取決于線路電感L，續(xù)流時(shí)長要大于電容放電時(shí)長，兩個(gè)階段的分界線為電容放電電壓的過零點(diǎn)，即在此時(shí)出現(xiàn)極間故障雙有源全橋換流器側(cè)的故障電流峰峰值，可得進(jìn)入線路電感續(xù)流時(shí)刻為：

式中=-。

由式（8）可知：當(dāng)雙有源全橋換流器的電容放電電流與低壓直流饋線穩(wěn)態(tài)電壓、穩(wěn)態(tài)電流同向時(shí)，減??；當(dāng)雙有源全橋換流器的電容放電電流與低壓直流饋線穩(wěn)態(tài)電壓、穩(wěn)態(tài)電流反向時(shí)，會(huì)相應(yīng)地增加。

由式（3）和式（8）可得到線路電感L存儲(chǔ)能量達(dá)到最大值時(shí)，對應(yīng)的短路電流值為：

由圖8 可得雙有源全橋換流器電感續(xù)流階段即為RL 一階放電電路，此階段的故障電流為：

3 光伏輸出側(cè)線路極間故障仿真

為了驗(yàn)證以上所呈現(xiàn)的光伏電源無控制策略時(shí)光伏輸出側(cè)線路極間故障的等效分析方法，搭建了±10 kV融合光伏的直流配電網(wǎng)的光伏模塊輸出側(cè)的PSCAD/EMTDC仿真模型。雙有源全橋換流器和光伏電源主要仿真參數(shù)見表1。在=1.0 s時(shí)設(shè)置光伏負(fù)荷線路極間故障。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖9 所示為在離雙有源全橋換流器1 000 m、光伏電源模塊500 m 處發(fā)生直流電纜極間故障時(shí)的仿真結(jié)果。發(fā)生直流電纜極間故障，雙有源全橋換流器和Boost 電路的電容電壓迅速下降，雙有源全橋換流器的電容電壓在第四階段初即故障發(fā)生后約2.6 ms 達(dá)到零點(diǎn)，Boost 電路的電容電壓在第三階段初即故障發(fā)生后約1.3 ms 達(dá)到零點(diǎn)；故障電流在故障發(fā)生后第二階段約0.4 ms 達(dá)到峰值2 kA。由圖9 可知，第二階段和第四階段的標(biāo)志分別為二極管D和雙有源全橋換流器并聯(lián)二極管的導(dǎo)通，其中流過反并聯(lián)二極管的故障電流最高可達(dá)0.8 kA，并且在故障達(dá)到穩(wěn)態(tài)后雙有源全橋換流器并聯(lián)二極管依然向故障點(diǎn)提供電流，對二極管的沖擊較大，嚴(yán)重威脅二極管的安全，破壞了直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 光伏輸出側(cè)線路極間故障仿真圖

圖10 為在Matlab 中利用以上理論分析得到的故障電流、雙有源全橋換流器和Boost 電路電容電流的計(jì)算圖，與在PSCAD 中的仿真結(jié)果基本相同。

圖10 光伏輸出側(cè)線路極間故障理論仿真圖

4 結(jié) 論

本文以光伏電源經(jīng)直流固態(tài)變壓器接入直流配電網(wǎng)為研究對象，當(dāng)直流配電網(wǎng)中的光伏輸出側(cè)線路發(fā)生極間故障時(shí)，以等效電路和理論分析的方法將故障暫態(tài)響應(yīng)分為四個(gè)階段：第一階段以故障兩側(cè)電容放電為主，故障電流在1 ms 內(nèi)上升到穩(wěn)定電流的十幾倍；第二階段，光伏電源和光伏電源模塊的穩(wěn)壓電容開始加入故障回路中，故障電流組成增加；第三階段，Boost 電路電容放電結(jié)束，故障電流變緩和；第四階段，故障兩側(cè)電容放電結(jié)束，雙有源換流器的線路電感以及光伏電源提供故障電流，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)。每個(gè)階段以對應(yīng)的二極管為分界點(diǎn)，這就造成了對二極管器件的大沖擊性，嚴(yán)重威脅二極管的安全。經(jīng)過以上分析和仿真驗(yàn)證，為以后光伏電源和直流固態(tài)變壓器直流線路的保護(hù)策略制定提供了理論依據(jù)。