融合光伏的直流配电网光伏线路极间故障暂态分析

袁臣虎，米璐晗，周佳文，董佳丽

（天津工业大学 电气工程学院，天津 300387）

0 引 言

随着大功率电力电子器件技术的发展，直流配电网相比交流配电网而言，直流配电网以灵活易控、传输耗损小、提升电能质量、可良好地接受各种新型直流能源以及减小成本等优点，得到了广泛应用；作为电压换流器，直流固态变压器以其电能隔离、体积小等优点成为直流配电网的重要器件。直流线路的故障暂态分析也尤为重要，并且要考虑换流器等对故障暂态的影响。目前，直流配电网的直流故障区多为接地故障和极间故障，接地故障是直流配电网系统常见的故障，其原因多为直流线路的破损，在保护策略启动及时的前提下配电网可恢复正常运行，但是极间故障对直流配电网的冲击较大，并且往往会对系统运行造成严重危害。

现在直流线路的故障分析多集中于直流配电网的VSC 换流器出口侧，文献[7-9]分析当VSC 换流器端口线路发生极间故障时，假定故障瞬间VSC 换流器IGBT 立即闭锁，将故障暂态分为三个阶段：直流侧电容放电、二极管自然换相和二极管全导通阶段，故障电流会在几毫秒内迅速上升到额定工作电流的几十倍以上，对二极管等直流器件造成了严重冲击。随着新能源的融入，文献[10]对直流配电网融入光伏电源后的光伏电源输出侧进行等效理论分析，并研究了该输出线路极间故障的故障暂态特性，但其没有考虑光伏电源的输出特性；文献[11-12]分析了当光伏电源经过Boost 电路融入直流配电网时，考虑光伏电源的输出特性，建立各故障阶段的等效电路和理论分析，得出光伏输出侧线路极间故障的故障特性。但是随着直流固态变压器的发展，如今直流配电网往往通过直流固态变压器接入各种直流负荷包括光伏电源，而直流固态变压器由双有源换流器组成，因此分析光伏电源发生极间故障时光伏电源和双有源换流器的暂态响应尤为重要。

针对以上故障分析的不足，本文对直流固态变压器和光伏电源模块的光伏输出侧线路发生极间故障时的暂态特性进行阶段理论分析，并在PSCAD/EMTDC 中搭建模型验证理论分析的正确性。

1 光伏电源模块输出线路结构分析

图1 为融合光伏的直流配电网双端供电模型，主要由电压源型换流器（VSC1 和VSC2）、固态直流变压器（DCSST）以及光伏电源模块（光伏电源和Boost 升压电路）组成。

图1 融合光伏的直流配电网结构

图2 为光伏电源模块输出侧的结构图，其中右侧区域为光伏电源模块，主要由Boost 电路和光伏电池构成；左侧区域为双有源换流器，选取单移相控制将20 kV 的直流电压转换为0.4 kV 直流电压连接光伏电源模块。Boost 升压电路由、D和D以及晶体管（IGBT）组成。、、和用于保持 和稳定电压。D为光伏电池的续流二极管。对于光伏电源本身，正常工作时，当外界环境条件不变时，其输出特性如图3 所示，和分别为光伏电源最大功率点对应的电压和电流，当输出电压减小时，输出电流会相应地增加。

图2 光伏电源模块输出线路结构图

图3 光伏电源的输出特性

2 光伏输出侧线路极间故障分析

光伏输出侧线路极间故障的等效电路图如图4所示。

图4 光伏电源输出侧线路极间故障等效图

图4 中R、R、L和L分别为双有源全桥换流器低压侧和光伏电源模块到故障点的线路等效电阻和电感。假设在故障发生时双有源全桥换流器和Boost 电路中的IGBT 因自我保护而关断；由于故障暂态过程较短，假定在故障持续阶段光伏电源的光照和温度不变，根据光伏电源的输出特性，在该直流配电网极间故障时，将光伏电源等效为电压控制型电流源。光伏电源模块仅有Boost 电路的控制，其故障过程分为四个阶段。

1）双模块直流侧电容放电阶段

故障发生的初始时刻，由于升压电路的工作模式，二极管D关断，故障电流主要由双向全桥变换器的电容和Boost 电路的电容的放电电流组成，图5 为直流侧电容等效电路。

设定故障发生时间为，即在时刻，电容和电容的初始电压值都为低压直流馈线稳态电压为，稳态电流为。由图5 可得到关于故障电流的方程为：

图5 双端直流侧电容放电等效电路图

此阶段双端电容放电回路都为欠阻尼振荡，根据式（1）、式（2）可知电容和电容的放电方程相似，只是参数不同，因此解得的电容和电容的放电电流也相似，以下以电容电流为例：

对于电容和电容，根据电容放电时间常数=可得，双有源全桥换流器电容的放电时间大于Boost电路电容的放电时间。同时，光伏电源模块的光伏电源和电容构成回路，处于电容充电状态。

2）光伏电源多回路供电阶段

由于电容的迅速放电，电压逐渐降低，当降低到小于光伏电源电压时，二极管D开始导通，光伏电源和电容开始向故障点供电，光伏电源模块的电容、光伏电源和电容同时向故障点供电；双有源全桥换流器侧依旧为电容向故障点供电，同时线路电感L存储能量，与第一阶段相同，这里不做详细阐述。图6 为该阶段的等效电路图。

由图6 可得到此阶段的电路方程为：

图6 光伏电源多回路供电阶段等效电路图

由式（4）可知：二极管D电流的上升速率由电容和之间的差值决定，由光伏电源的输出特性可知，当电容放电电压逐渐下降时，光伏电流随着逐渐变大且经二极管D和D流向故障点；二极管D流过的电流为光伏电源电流和电容放电电流之和，严重威胁了二极管D和D的安全。

3）光伏电源续流阶段

光伏电源侧，电容结束放电后，电容经二极管D放电完成后，线路电感L、Boost 电路电感以及光伏电源经二极管D和D流向故障点并最终达到稳态阶段，故障电流仅由光伏电源提供。双有源全桥换流器侧电容放电时间较长，依旧为电容向故障点供电。图7 为该阶段的等效电路图。

图7 光伏电源续流阶段等效电路图

此阶段的故障电流（故障时间为）：

此阶段的故障电流以电容的放电电流为主，持续时间为电容和电容放电时间之差，维持时间较短，并且光伏电源模块在此阶段达到稳态。

4）双有源全桥换流器电感续流阶段

随着双有源全桥换流器电容的放电电压过零，双有源全桥换流器到故障点的线路电感L储存的能量达到饱和，经H 桥的二极管构成回路开始放出能量，向故障点提供电流。光伏电源模块达到稳态，光伏电源端电压不变，输出稳定不变电流（其值较小），即可等效为电流源。图8 为该阶段的等效电路图。

图8 双有源全桥换流器电感续流阶段等效电路图

此时，线路电感L存储的能量遵循能量守恒关系，可得：

双有源全桥换流器的电容放电时间由ω决定，而电感续流阶段时间主要取决于线路电感L，续流时长要大于电容放电时长，两个阶段的分界线为电容放电电压的过零点，即在此时出现极间故障双有源全桥换流器侧的故障电流峰峰值，可得进入线路电感续流时刻为：

式中=-。

由式（8）可知：当双有源全桥换流器的电容放电电流与低压直流馈线稳态电压、稳态电流同向时，减小；当双有源全桥换流器的电容放电电流与低压直流馈线稳态电压、稳态电流反向时，会相应地增加。

由式（3）和式（8）可得到线路电感L存储能量达到最大值时，对应的短路电流值为：

由图8 可得双有源全桥换流器电感续流阶段即为RL 一阶放电电路，此阶段的故障电流为：

3 光伏输出侧线路极间故障仿真

为了验证以上所呈现的光伏电源无控制策略时光伏输出侧线路极间故障的等效分析方法，搭建了±10 kV融合光伏的直流配电网的光伏模块输出侧的PSCAD/EMTDC仿真模型。双有源全桥换流器和光伏电源主要仿真参数见表1。在=1.0 s时设置光伏负荷线路极间故障。

表1 系统仿真参数

图9 所示为在离双有源全桥换流器1 000 m、光伏电源模块500 m 处发生直流电缆极间故障时的仿真结果。发生直流电缆极间故障，双有源全桥换流器和Boost 电路的电容电压迅速下降，双有源全桥换流器的电容电压在第四阶段初即故障发生后约2.6 ms 达到零点，Boost 电路的电容电压在第三阶段初即故障发生后约1.3 ms 达到零点；故障电流在故障发生后第二阶段约0.4 ms 达到峰值2 kA。由图9 可知，第二阶段和第四阶段的标志分别为二极管D和双有源全桥换流器并联二极管的导通，其中流过反并联二极管的故障电流最高可达0.8 kA，并且在故障达到稳态后双有源全桥换流器并联二极管依然向故障点提供电流，对二极管的冲击较大，严重威胁二极管的安全，破坏了直流配电网的稳定运行。

图9 光伏输出侧线路极间故障仿真图

图10 为在Matlab 中利用以上理论分析得到的故障电流、双有源全桥换流器和Boost 电路电容电流的计算图，与在PSCAD 中的仿真结果基本相同。

图10 光伏输出侧线路极间故障理论仿真图

4 结 论

本文以光伏电源经直流固态变压器接入直流配电网为研究对象，当直流配电网中的光伏输出侧线路发生极间故障时，以等效电路和理论分析的方法将故障暂态响应分为四个阶段：第一阶段以故障两侧电容放电为主，故障电流在1 ms 内上升到稳定电流的十几倍；第二阶段，光伏电源和光伏电源模块的稳压电容开始加入故障回路中，故障电流组成增加；第三阶段，Boost 电路电容放电结束，故障电流变缓和；第四阶段，故障两侧电容放电结束，双有源换流器的线路电感以及光伏电源提供故障电流，电路达到稳态。每个阶段以对应的二极管为分界点，这就造成了对二极管器件的大冲击性，严重威胁二极管的安全。经过以上分析和仿真验证，为以后光伏电源和直流固态变压器直流线路的保护策略制定提供了理论依据。