摘要：电力电子变压器（PET）作为一种新型的变换器在直流配电网中逐渐得到应用，它可以实现电压变换、电气隔离、功率调节和控制、新能源接入等多种功能，也是目前直流配电网研究的热点。本文以苏州同里直流配电网工程为背景，建立了一台多端口电力电子变压器（AC10kV/DC±750V/DC±375V），探讨分析低压直流端口的故障特征。
关键词：直流配电网；电力电子变压器；故障分析
前言：近年来，快速增长的分布式能源开始接入电网系统，与传统的交流电网相比，直流电网具有线路成本低、电能质量高、环境保护和污染小等优点，更适合分布式能源接入。因此，在协调现有交流配电网和直流配电网的基础上，发展交直流混合配电网具有重要意义。
电力电子变压器作为交直流混合配电网的中间设备，具有隔离、能量流、多级变压器等功能，大大减少了交直流混合配电网的变换环节。电力电子变压器包括输入级、隔离级和输出级，其基本原理是将原边和多边的电力电子转换装置与高频变压器的铁心连接，完成各种电压等级的连接。
为了保证交直流电网的安全可靠运行，近年来，PET 的故障分析和保护隔离一直是研究的重点。本文首先介绍了 PET 的基本结构和控制方式，然后分别分析低压直流±375V 端口的故障特征。最后，通过PSCAD 仿真结果验证得到的故障特征。
1电力电子变压器结构
在多类型分布式能源广泛接入配电网运行的情况下，由于具有转化效率、可控性和可靠性高等优点，直流配电网的概念被提出并受到了广泛关注和研究。
苏州同里直流配电网工程中应用的多端口电力电子变压器，它有三个对应于三个电压等级的端口，分别为 10kV AC，±750V DC，±375V DC。PET 的结构由六个臂、六个子模块(五个为正常运行，另一个为备用)和一个臂电感(Larm)组成，与模块化多电平变换器(MMC)的结构相同。每个子模块由 H 桥整流器和双有源桥(DAB)组成。每个 H 桥模块由四个带反并联二极管的 IGBT 和一个直流环节电容器组成。每个 DAB 模块由两侧的 H桥和高频变压器组成。通过调节两侧 H 桥的控制脉冲，可以实现双向的功率流，用高频变压器代替传统的 50Hz 变压器，既减小了体积，又减轻了重量。
2电力电子变压器控制方式
2.1 DAB 谐振控制策略
对于 DAB，其拓扑结构如图1所示，目前常用的控制策略有两种，一种是谐振控制，另一种是移相全桥控制。本文采用谐振控制。谐振控制为开环控制，即 V1、V4、V5、V8 的控制信号由 50%占空比的同一脉冲给出，而 V2、V3、V6、V7 的控制信号相反。
图2所示的 DAB 等效电路可以通过将高频变压器的漏感和低压侧的谐振电容等效为高压侧得到。谐振频率可根据等效电容电感计算。当 IGBT的开关频率与谐振频率一致时，可以传输谐振 DAB功率。
图1 DAB 拓扑
2.2 H 桥和 DAB 的 ISOP 级联控制方式
对于 ISOP 结构系统，每个模块的输入电流和输出电压分别相等，假设每个模块的效率相同，则每个模块的输入电压相等，因此子模块输入电压平衡控制和输出电流平衡控制是等效性的。采用外直流电压回路和内交流电流回路的典型双回路控制策略，在外电压回路中加入 PI 控制器，通过调节直流输出电压，在电流内环中加入了 PI 控制器，以减小交流电流的谐波畸变，通过控制策略，电路自然达到输入电压和输出电流的平衡。同时，各模块的输入电流相等，使各模块输出功率平衡。
图2 DAB 等效电路图
3 电力电子变压器低压端口故障分析
3.1 故障类型和性质
故障类型主要有正负极对地故障、极对极故障，故障位置分别位于直流± 750V 口和直流±375V 口，由于两个端口的接线配置均采用双极型结构，因此极对极故障的故障特征与极对地故障相似。由于 PET 由多个子模块串联，为了简化故障分析过程，以 ISOP 结构的两个子模块(一个子模块来自上臂，另一个子模块来自下臂)为例进行分析，下面的分析以具有独特特性的正极接地故障为例，说明故障机理。本文仅对±375V 端口进行故障分析,±750V端口同理。
3.2 直流±375V 端口故障分析
图3(a)显示了发生在直流±375V 端口出口电缆上的极对地故障，其中直流链路电容器通过回路从接地点到接地极的路径放电，如所示路径(1)。假设 IGBT(T1 和 T2)被阻断以进行自我保护，故障发生时打开。
图3（a）DC/DC 变换器中电容器故障电流路径（b）单级接地故障等效电路
3.2.1 欠阻尼状态下
此时二阶电路的解显示出振荡响应，电容器在没有足够阻尼的情况下与电感交换能量。假设故障发生在时间 t1，电容器 u375的电压在故障初始时刻是正的，反并联二极管 D1两端都施加负电压，因此 D2不能导通。电容器仅通过路径(1)放电。当电容电压在时间 t2第一次通过零点时，二极管将满足导通条件。此时，感应电流将通过反并联二极管继续，使电容器支路旁路，并且感应电流作为图3(a)中的指示路径(2)转换到二极管。在此阶段，电流符合一阶电路的零输入响应特性，短路电流衰减率主要取决于等效电感和电阻值（Leq / Req），感应电流在四到五个周期后衰减到接近零的值。
图4给出了欠阻尼情况下的故障性能概述。在t1发生故障时，电容器电压 u375开始下降，电容器放电电流ic开始增大。此时，D2两端之间的电压为负，二极管不能导通，因此流过二极管 i375的电流为 0。在 t2时刻，电容器电压降到零，放电电流仍然很高，但二极管开始导通，因为电感上的电压是反向的，电感的电流转换到二极管上。同时，电感给电容器充电。在达到 t3的一段时间后，二极管续流结束，环路电流降至 0。
图4欠阻尼状态下故障情况(a)直流端口电容电压(b)电流 i1, ic, i375 波形图
3.2.2 过阻尼状态下
此时二阶电路的解显示出非放电过程。在这种过阻尼条件下，电容器总是无振荡放电，发生短路后电容器电压不再出现过零现象。二极管 D2 不能满足传导条件，因此没有电感连续级。
图 5 显示了过阻尼情况下的故障性能。同样，故障发生在 t1，即 1.0s，故障开始后，电容器电压u375 开始下降，电容器放电电流ic开始增大，与阻尼情况相同。但是，电容器电压 u375 将衰减到零而不是过零。由于二极管不能导通，故障后二极管电流 i375 始终为零。
图5过阻尼状态下故障情况(a)直流端口电容电压(b)电流i1, ic, i375 波形图
4结论
基于苏州同里直流配电网工程中应用的 PET的基本结构，详细分析了两个 PET 低压直流端口的故障特征，给出了故障后端口电压和短路电流的表达式，进一步研究了 375V 端口故障的特点。根据PSCAD 仿真结果，理论分析得到的故障特征与故障过程相匹配，验证了故障分析的正确性。
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论文作者:姜山
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/16
标签：故障论文; 电压论文; 电容器论文; 电流论文; 端口论文; 阻尼论文; 模块论文; 《基层建设》2019年第26期论文;