直流配电网交流侧不对称故障对直流侧电容电压影响研究

张 翀 杨伟涛 高一波

（1.先进输电技术全国重点实验室（国网智能电网研究院有限公司） 2.浙江大学电气工程学院）

0 引言

采用直流配电技术能够通过提高单位供电走廊的供电能力来缓解供电走廊紧张问题。目前直流配电技术的研究还仅仅局限于工业园区和商业活动中心的供电［1-2］、楼宇直流供电［3，4］、舰船的直流配电［5-7］和直流微网［8-9］等领域。现有文献研究的侧重点主要集中于以下两大类［10-11］：直流配电网架构设计研究、直流配电网控制和保护技术研究。直流侧中性点接地方式、接地电阻的选择又与直流正、负极电容电压的变化相互影响，因此很有必要研究不对称故障等较为苛刻条件下直流正、负极电容电压的变化情况，从而对直流侧中性点接地方式和接地电阻等的选择提供依据。

本文从数学关系角度分析故障过程中直流侧正、负极电容电压的变化情况。开展直流配电网暂、稳态仿真研究，理论与仿真结果都表明交流侧发生不对称故障后，AC/DC换流器直流侧的正、负极电容电压存在共模波动过程，造成AC/DC换流器交流侧三相交流电压也包含直流偏置量，这不利于故障后系统的快速恢复。

1 交流不对称故障工况下直流侧电容电压理论分析

图1 所示为典型的两电平换流器在交流侧单相接地故障过程的示意电路图。

图1 两电平换流器的故障等效电路图

图1 中Cp、Cn分别为直流侧正、负极电容，Rf为过渡电阻，RN为直中性点的接地电阻，va、vb、vc分别为A、B、C三点对地电位，ip、in分别为换流器正、负极电流，icp、icn分别为流入电容Cp、Cn的电流.

根据kVL可得a相电压方程如下式所示：

其中，

则

又

所以

同理，可类比得到b相和c相的电压方程如下：

将式（5）和式（6）相加得

上式中

分别表示故障电压和电流的零序分量。

uN为电阻RN两端电压：

将式（8）、式（9）代入（7）式，并且记

整理后可得：

且icp、icn可由下式求得：

将式（12）代入式（11），整理得

式（11）中ucp的最后一项包含的高频分量可以通过滤波器方式去除，则有

上述微分方程对应的特征方程为

令=A1sin(ω1t +φ0)，则可解得

其中

由关系式ucn=udc-ucp可知，故障工况下电容Cp、Cn两端的电压仅相差一个直流偏置量。因此，由（16）式可知交流侧单相接地故障下，因零序分量的存在，造成直流电容Cp、Cn的电压都会出现共模波动暂态过程。

2 直流配电网系统建模

2.1 系统架构

本文搭建了如图2 所示典型“手拉手”直流配电网仿真模型。

图2 “手拉手”直流配电系统结构图

2.2 AC/DC换流器

本文搭建如图3所示两电平AC/DC换流器仿真模型。该换流器的控制策略采用基于比例积分控制器的常规“外环电压和内环电流”的双环解耦控制策略。

图3 AC/DC换流器仿真模型

2.3 直流变压器

本文采用如图4 所示的移相全桥式直流变压器，该拓扑主要通过控制其高压侧和低压侧各自调制方波的相位差实现功率大小的控制。

图4 直流变压器仿真模型

2.4 光伏发电-超级电容储能系统

建立如图5 所示用光伏阵列仿真模型。图6 所示为通过DC-DC 变换器实现的超级电容储能系统。

图5 光伏阵列仿真模型

图6 超级电容储能系统仿真模型

3 PSCAD仿真验证

3.1 直流配电网系统稳态运行分析

仿真系统参数如表1 所示。图7 所示是直流配电网仿真系统稳态运行时＃1、＃2 和＃5 直流母线电压波形图。＃1、＃2直流母线电压都在14.9kV至15kV范围内，因高压直流负荷较大，直流母线＃5 的电压稍低为14.8kV。图8 所示为AC/DC 换流站1 交流侧电压、电流波形，谐波含量较少。

表1 系统参数

图7 ＃1、＃2和＃5直流母线电压

图8 AC/DC换流站1交流电压、电流

3.2 交流单相接地故障工况分析

0.8 s 时刻施加单相接地故障，故障持续时间为0.1s，故障点的接地电阻为0.01Ω。

从图9中可以看出0.8s时刻故障发生后两个电容电压Cp、Cn都出现明显的共模波动情况。0.9s时刻故障清除后两个电容电压稳态也存在明显不均衡。图10中＃1直流母线电压虽然在故障过程也出现工频波动，但在故障清除后恢复到故障前状态。图11中阀侧三相交流电压在故障清除后包含直流偏置，是因为前文所述电容电压存在的直流偏置无法恢复原始均衡状态而导致AC/DC 换流器交流侧三相交流电压均叠加直流量。

图9 正、负极电容电压

图10 ＃1直流母线电压

图11 阀侧三相电压

4 结束语

本文推导分析故障过程中直流侧正、负极电容电压的变化情况。不对称接地故障过程中会显现直流侧正、负极两个电容电压的共模波动现象，进而引起正、负极两个电容电压的不均衡，不利于整个系统在故障后的快速恢复。本文研究成果对未来实际直流配电网工程应用中直流侧电容和联结变压器的设计有理论指导意义。