柔性直流配网直流变压器涌流机理分析与抑制*

李唯草 吴晓颖

（1.武汉船用电力推进装置研究所 武汉 430000）（2.武汉市江夏区藏龙大道709号 武汉 430205）

1 引言

随着电动汽车充电桩与日俱增、直流负荷在电力系统中的渗透率日益增加［1～2］，以及风电、光伏为代表的能源分布式机组大规模接入电网［3］，使得其越发呈现出直流特征［4］。从某种程度上说，柔性直流配电方式比交流配电网更有优点，首先柔性直流效率高、其次损耗小［5］。

直流配电网虽然有许多优点，但是并未全部解决依然存在的诸多重要技术难题，目前仍旧处于快速发展期。针对直流系统中故障电流无过零点问题［6］，当前主要有两种方案，第一种方法为使用直流断路器去隔离故障［7］，第二种方法为使用具备故障阻断能力的阻断型换流器去清除故障电流，隔离速度快，是未来直流配电网系统中清除故障电流的技术趋势［8］。

直流变压器通常为并网运行［9～10］，一般控制策略为电流、电压双闭环策略［11～12］。文献［13］为了保持非静态时的功率平衡，提出了一种控制策略，可适用于柔性直流电网，并可保持主动功率的平衡。文献［14］以四端口系统为研究对象，提出一种适用于多端直流系统的电抗器优化配置策略，电抗器配置经优化后，可使系统内故障电流幅值降低。文献［15］以交直流混合配电网为研究对象，分析了含有DAB变压器与系统的关系。单端扰动可能会造成变压器涌流，目前鲜有文献考虑单端扰动的影响，且其抑制方面的分析也不多，此外，未与工程实际相结合。

本文主要研究柔直配电网系统单端扰动突然退出运行工况场景，针对各端口功率瞬间产生大波动导致潮流再次分配，进而触发小容量端口过流保护动作影响系统稳定运行的问题，分析了交直流系统运行时换流站闭锁产生的影响，提出并建立一种故障电流自清除的直流变压器拓扑和稳态模型，揭示了直流变压器涌流机理，综合分析了直流变压器参数设计依据，并提出了一种直流变压器涌流抑制策略，通过实际大型工程运行结果验证了本文方法的有效性和实用性，具有工程实用化价值。

2 直流变压器涌流机理分析与参数设计

2.1 直流变压器涌流机理分析

以工程实际运行中直流变压器为对象，通过其发生的涌流现象，分析机理过程，得到柔直配电网系统涌流产生过程，如图1所示。

唐家换流站10kV线路B相发生故障时，将引起换流站闭锁，在故障发生后1ms时间内将改为鸡山Ⅱ号换流站对母线调控；在3.3ms时直流变压器高压侧发生涌流故障，在这种情况下变压器将立刻闭锁；在故障发生6ms时将发生A逻辑闭锁；在故障发生后7.8ms时系统中断路器采取分闸措施，至此整个系统将停止运行。

针对闭锁发生后功率瞬间大幅变化，造成潮流重新分配，进而触发小容量端口过流保护动作影响系统稳定运行的问题。为便于分析，仅考虑由单站产生的过流问题。通过图2可知，仅唐家换流站发生闭锁故障时，鸡山I、II站的潮流需要在短时间内重新分配，此时潮流在H桥与二极管并联回路中流通，使变压器出现涌流现象。

图2 直流变压器涌流流通路径

对系统采用建模分析，其中开关频率20kHz，控制器周期100μs。在发生故障后两周期内，承担潮流分配换流站维持故障前工作模式时，在某个瞬态考虑电流变化情况下，此支路可以简化成短路，本实例中电路近似如图3。

图3 单换流站闭锁后的暂态等效电路

其中LPET为直流变压器高压侧近似端口电抗，L1、L2分别为鸡山I和鸡山II号换流站三桥臂并联电抗。在换流站发生闭锁故障后对系统进行故障录波分析，发现换流站闭锁后电压波动不大，两端口电压基本相同，在两个周期内近似不变，则有如下关系：

因此对于直流变压器，其电流有：

由此可见除唐家换流站外，电抗较小支路将分配较多潮流。实际工程中可知端口电抗器电抗值小于两个换流站直流侧桥臂等效电抗：

综上，当柔直配电系统中单端口直流母线电流短时间内大幅变化时，通过增加直流变压器端口等效电抗可以有效降低端口过电流。

上述对单端换流站故障直流变压器涌流机理的分析可推广至大规模多端互联系统中。当单站发生故障从而造成潮流短时间波动时，潮流更容易通过等效阻抗小的路径流动，存在体二极管的拓扑如半桥、全桥、开关电容式等为变压器涌流提供了天然回路，涌流的形成造成了变压器保护停止运行，影响系统正常运行。显然，涌流幅值与系统瞬间分配的功率、接入回路中等效电抗、直流变压器DAB输入电容投入时刻相关。下面将简要分析涌流与直流变压器相关参数之间的关系。

当单站发生故障从而造成潮流短时间改变时，潮流更容易通过等效阻抗较低部分形成流通路径，存在体二极管的变压器拓扑如半桥、全桥、开关电容式等为变压器涌流提供了天然回路，涌流的形成造成变压器保护，影响系统正常运行。显然，涌流幅值与系统瞬间分配的功率、接入回路中等效电抗、直流变压器DAB输入电容投入时刻相关。下面将简要分析涌流与直流变压器相关参数之间的关系。

2.2 参数分析设计

在直流变换器输入电容的设计中，需要考虑两个方面：1）稳态运行情况下的电压纹波满足系统要求；2）发生涌流现象时，输入电容过冲电压应在安全范围内。直流变压器中前级全桥电路采用PWM控制，对角开关管驱动信号相同，S1/S4开关管占空比为D=（NVHV1+VHV）/（2NVHV1），为了减小子模块个数，占空比D通常较大。输入电容前后端电流如图4所示，当S1与S4开通时，前端电流i1等于直流变压器输入电流IHV，当S2与S4开通，i1=-IHV。

图4 直流变压器输入电容前后端电流

忽略输入电流iHV的纹波且假设DAB变换器输入输出电压匹配即V1=NV2，可第i个模块的输入电容电流表达式iCi1=i1-iDAB，如式（4）所示。

当t从t0时刻到DTs时刻，电容电压由最小值变化至最大值，设电容电压纹波峰峰值最大为ΔVCpp，可得稳态运行情况下输入电容值Ci1的设计公式，如式（5）所示。

在系统中单换流站闭锁后，直流变压器受到涌流影响，其电容电压可能上升至超过最大值，该阶段内输入电容电压变化值可由能量关系式求取。假设故障时间为tsurge，电容电压最大变化值为ΔVCi1，可得故障情况下，电容设计公式如式（6）所示，实际电容设计值应取式（5）与式（6）中的较大者。

同样地，在输入电抗器的设计中，也需要考虑稳态与故障情况。在稳态情况下，假设输入电流纹波峰峰值为ΔIHVpp，那么稳态情况下的输入电感Ls设计公式如式（7）所示。

另一方面，在故障阶段内，输入电抗与输入电容谐振，认为在该阶段内唐家换流站电压保持不变，直流变压器后级DAB闭锁，按谐振电流峰值设计故障情况下所需电感值Ld如式（8）所示，其中P为直流变压器额定传输功率，Imax为最大电感电流，由开关管电流应力与电感饱和电流值共同决定。根据式（7）与式（8），实际输入电抗器感值应为Ls与Ld中的较大者。

3 一种直流变压器暂时性闭锁抑制策略

若故障情况下采用不闭锁以达到故障解除，变压器在此情况下涌流短时间增大。同时会产生一定的风险。当系统处在直流故障情况下，电抗瞬时饱和，在此情况下去除阈值会对设备造成严重影响。根据上一节分析，通过增大电抗值可以抑制涌流，只不过采用这种方法需要一定的成本，并且电抗增大会占用更多体积。另一种办法是通过优化变压器的控制策略来抑制涌流。

多端网络在系统故障后短时间内潮流变化会造成变压器涌流。基于此，本文提出一种变压器涌流时暂时性闭锁抑制策略，母线电流在系统换流站发生故障后将被快速抑制并达到故障前水平，在这种情况下系统断路器不会动作。因为系统保护阈值在系统故障时具备足够裕度，在功率变化较大时电流也会短时间上升，所以在系统原基础上增加暂时性闭锁抑制策略。该方法让DAB正常工作而变压器H桥短时间不工作。

控制模块在系统发生过流故障时发送H桥短时间不工作+DAB正常工作的指令。系统开始运行在H桥短时间不工作+DAB正常工作模式下。一般过流情况维持时间不长，系统按照短时闭锁策略工作，若在两个周期没有新的故障出现，使系统按照故障前运行模式运行。若在恢复时又产生±10kV母线故障，变压器将停止运行，从而以免产生系统不停并网现象。如图5和图6所示本文涌流抑制策略与原来闭锁保护措施的比较。

图5 传统直接闭锁控制策略的等效电路图

图6 本文提出暂时性闭锁控制策略的等效电路图

采用原来的闭锁方法时，当母线电流增加超过阈值时变压器开关都断开，母线电流全部经体二极管形成回路，此情况下仅对电容进行充电。简化后电路可化成等效电容CH1：

当闭锁保护开始作用时，外部可等价成一个电压源，变压器可看作一个LC串联结构，其方程为

当换流站闭锁后想要得到电压准确值很困难，而系统电压在换流站闭锁后波动很小，因此电流消失前变化率近似不变，输入电流iHV根据初始条件求出。由于体二极管的原因，iHV始终大于0，当其降为0后将不会变化，因此输入电流：

在得到变压器电流起始值时，式（11）、式（12）能够计算电流最大值。本文所提策略和原来策略相比，在等效电路里多出一个回路，此回路相当于增大DAB电抗及漏抗，以此抑制故障后电流短时间变化，应用这种方法时电流最大将不超过计算值。本文提出的一种暂时性闭锁抑制策略可实现变压器短时过流故障的穿越，当系统故障解除时变压器按照故障前方式工作。整个环节的工作模式不变，从而提高了系统运行可靠性。

4 实际工程运行试验分析

为验证多端互联柔直配电网系统直流变压器得涌流机理和本文提出的一种暂时性闭锁的控制策略有效性和可行性，采用PSCAD平台搭建了多端柔性直流配电网的电磁暂态仿真模型。模型中三个交流电源经过换流阀变换后形成互联网络，在连接处延伸采用直流变压器供直流微电网和直流负荷接入，整个系统拓扑结构如图2所示。仿真的系统参数与实际工程保持一致，唐家换流站设计容量为20MW，鸡山I和鸡山II换流站设计容量均为10MW，唐家换流站受控为直流变压模式，鸡山I/II控制为功率模式。如表1所示为多端柔性直流配电网系统建模仿真参数。

本文依托国家能源局首批“互联网+”智慧能源项目。基于实际工程运行情况，本文所提控制策略正确性和实用性得到检验。实际工程拓扑结构如图2所示，实际工程参数如表1所示。唐家换流站设计容量为20MW，鸡山I和鸡山II换流站设计容量均为10MW。唐家换流站工作在直流电压控制模式，直流侧接收15MW功率，鸡山I/II换流站工作在功率控制模式，直流侧分别送出7.5MW；直流变压器功率接近零，运行于空载状态。

表1 系统建模仿真参数

多端配电网在实际工作时，唐家换流站发生交流侧10kV线路B相发生故障，由于故障导致了换流站闭锁，因此故障后一个周期内内鸡山Ⅱ站接过±10kV母线管理，这种情况下变压器将闭锁并跳闸，从而导致三端系统解列。

如图7和图8所示为唐家换流站和直流变压器故障录波。唐家换流站闭锁时，由于电容电势作用直流侧电流在200μs内快速下降370A，变化率di/dt达到约1850kA/s，直流变压器高压侧电流在且在200μs内快速上升至160A。闭锁后极短时间内整个系统无其他开关动作，因此可等效唐家湾换流站为可变电流源，忽略其他元件参数的影响。瞬间巨大的电流变化体现在各个端口，不同的故障电流分布受制于各个端口的阻抗，直流变的阻抗相对于柔直换流阀的阻抗更小，因此故障电流更多灌入了直流变压器导致闭锁。此实际运行工程验证了直流变压器的涌流机理，以及采用传统紧急闭锁控制策略方法下的直流变压器出现停机情况，影响系统运行可靠性。

图7 唐家换流站直流侧故障波形

图8 直流变压器中压侧故障波形

如图9所示为直流变压器的高压侧直流电压电流波形。直流变压器电流在换流站故障闭锁后短时间内上升，从而触发过流保护判定直流变系统故障。采用本文所提出的直流变压器H桥暂时性闭锁+DAB模块不闭锁抑制策略时，变压器H桥暂时性闭锁并请求低压侧跳闸，直流微网由并网运行转离网运行。此时涌流最大值约为135A，过电流值未达到2pu保护定值，由于DAB模块提供了电抗和漏抗回路，增加了涌流的抑制作用，相对传统控制策略涌流幅值降低15.6%。如图8所示经过11s后直流变压器自启动，直流电压重新建立稳定在10kV，低压侧直流微电网离网转并网运行。此实际工程运行试验验证了本文提出的一种直流变压器涌流暂时性闭锁抑制策略方法的有效性和可行性。

图9 涌流工况下的直流变压器响应波形

如图10为直流变压器的故障时高压侧直流电压电流波形。通过主站设置制造超过2pu的短时过流故障条件，由图可知直流变压器不再执行自复位重启过程，收到控保禁止启动命令，15min后解除限制允许再启动。因此，此实际工程试验证明，单个换流站闭锁造成的直流变压器过电流不会再触发三站全闭锁停机的连锁故障，且在2pu范围内直流变压器能够实现过电流穿越，快速重启恢复低压侧并网运行状态，且不影响正常传统原保护逻辑策略。

图10 直流侧故障下的直流变压器响应波形

通过上述实际工程试验证明，多端口柔性直流配电系统由于某种原因（如交流侧故障引起换流站闭锁）造成直流线路瞬间潮流功率出现阶跃式波动时，在极短时间内，同一直流母线上的各级换流站端口根据等效电感比例重新分配阶跃变化的电流。故障闭锁后电流均经直流变压器H桥形成回路并向电容充电，此种情况下直流变压器出现涌流现象。在无法增加电抗器的情形下，采用直流变暂时性闭锁，在不改变原系统电流抑制能力及门限设置情况下，同时具备一定的过流能力。本文总结的控制策略在现实案例里得到应用，具备实际应用价值。

5 结语

多端互联柔直配电网系统端口特性复杂、节点多，具有源网荷储特征。交流故障闭锁短时间内造成各端口潮流波动，各级换流站、直流变压器端口根据等效电感比例分配阶跃变化的电流，与控制方法和是否闭锁无关。

本文基于工程实际应用以及运行中出现的技术难题，提出并建立一种故障电流自清除的直流变压器拓扑和稳态模型，分析揭示了直流变压器存在潜在流通回路的涌流机理，综合分析了直流变压器输入电抗和DAB模块输入电容参数设计依据，提出了一种H桥结构暂时性闭锁+DAB不闭锁的抑制策略，建立了基于暂时性闭锁的数学模型，通过DAB模块的电抗串入增强了涌流抑制能力，暂时性闭锁恢复提升系统设备的运行可靠性。通过仿真和实际大型工程运行结果表明本文得到的策略的正确性，具备实际应用价值。