直流配電網交流側不對稱故障對直流側電容電壓影響研究

張 翀 楊偉濤 高一波

（1.先進輸電技術全國重點實驗室（國網智能電網研究院有限公司） 2.浙江大學電氣工程學院）

0 引言

采用直流配電技術能夠通過提高單位供電走廊的供電能力來緩解供電走廊緊張問題。目前直流配電技術的研究還僅僅局限于工業(yè)園區(qū)和商業(yè)活動中心的供電［1-2］、樓宇直流供電［3，4］、艦船的直流配電［5-7］和直流微網［8-9］等領域。現有文獻研究的側重點主要集中于以下兩大類［10-11］：直流配電網架構設計研究、直流配電網控制和保護技術研究。直流側中性點接地方式、接地電阻的選擇又與直流正、負極電容電壓的變化相互影響，因此很有必要研究不對稱故障等較為苛刻條件下直流正、負極電容電壓的變化情況，從而對直流側中性點接地方式和接地電阻等的選擇提供依據。

本文從數學關系角度分析故障過程中直流側正、負極電容電壓的變化情況。開展直流配電網暫、穩(wěn)態(tài)仿真研究，理論與仿真結果都表明交流側發(fā)生不對稱故障后，AC/DC換流器直流側的正、負極電容電壓存在共模波動過程，造成AC/DC換流器交流側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。

1 交流不對稱故障工況下直流側電容電壓理論分析

圖1 所示為典型的兩電平換流器在交流側單相接地故障過程的示意電路圖。

圖1 兩電平換流器的故障等效電路圖

圖1 中Cp、Cn分別為直流側正、負極電容，Rf為過渡電阻，RN為直中性點的接地電阻，va、vb、vc分別為A、B、C三點對地電位，ip、in分別為換流器正、負極電流，icp、icn分別為流入電容Cp、Cn的電流.

根據kVL可得a相電壓方程如下式所示：

其中，

則

又

所以

同理，可類比得到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的最后一項包含的高頻分量可以通過濾波器方式去除，則有

上述微分方程對應的特征方程為

令=A1sin(ω1t +φ0)，則可解得

其中

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

2 直流配電網系統(tǒng)建模

2.1 系統(tǒng)架構

本文搭建了如圖2 所示典型“手拉手”直流配電網仿真模型。

圖2 “手拉手”直流配電系統(tǒng)結構圖

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，該拓撲主要通過控制其高壓側和低壓側各自調制方波的相位差實現功率大小的控制。

圖4 直流變壓器仿真模型

2.4 光伏發(fā)電-超級電容儲能系統(tǒng)

建立如圖5 所示用光伏陣列仿真模型。圖6 所示為通過DC-DC 變換器實現的超級電容儲能系統(tǒng)。

圖5 光伏陣列仿真模型

圖6 超級電容儲能系統(tǒng)仿真模型

3 PSCAD仿真驗證

3.1 直流配電網系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行分析

仿真系統(tǒng)參數如表1 所示。圖7 所示是直流配電網仿真系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時＃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，因高壓直流負荷較大，直流母線＃5 的電壓稍低為14.8kV。圖8 所示為AC/DC 換流站1 交流側電壓、電流波形，諧波含量較少。

表1 系統(tǒng)參數

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 時刻施加單相接地故障，故障持續(xù)時間為0.1s，故障點的接地電阻為0.01Ω。

從圖9中可以看出0.8s時刻故障發(fā)生后兩個電容電壓Cp、Cn都出現明顯的共模波動情況。0.9s時刻故障清除后兩個電容電壓穩(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程也出現工頻波動，但在故障清除后恢復到故障前狀態(tài)。圖11中閥側三相交流電壓在故障清除后包含直流偏置，是因為前文所述電容電壓存在的直流偏置無法恢復原始均衡狀態(tài)而導致AC/DC 換流器交流側三相交流電壓均疊加直流量。

圖9 正、負極電容電壓

圖10 ＃1直流母線電壓

圖11 閥側三相電壓

4 結束語

本文推導分析故障過程中直流側正、負極電容電壓的變化情況。不對稱接地故障過程中會顯現直流側正、負極兩個電容電壓的共模波動現象，進而引起正、負極兩個電容電壓的不均衡，不利于整個系統(tǒng)在故障后的快速恢復。本文研究成果對未來實際直流配電網工程應用中直流側電容和聯(lián)結變壓器的設計有理論指導意義。