基于MMC的電力電子變壓器保護系統(tǒng)研究*

周廷冬，徐永海

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京 102206)

0 引 言

近年來，隨著智能電網(wǎng)、可再生能源以及特高壓技術(shù)的發(fā)展逐步引出了能源互聯(lián)網(wǎng)的概念，為實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中多源、多負荷之間的傳輸及變換則需要使用能量路由器。電力電子變壓器(Power Electronic Transformer, PET)擁有較多的可接入端口，可以方便的實現(xiàn)電能在交直流、高低壓之間的傳輸及變換，便于可再生能源與電動汽車等接入，因此可作為能量路由器的核心設(shè)備，應(yīng)用前景廣闊。

PET發(fā)展至今已有多種不同的拓撲結(jié)構(gòu)[1-3]，但為了滿足能量路由器的需要，擁有多端口接入的三級型PET拓撲成為了研究熱點。目前，三級型PET主要有級聯(lián)H橋(Cascaded H Bridge，CHB)型和模塊化多電平(Modular Multilevel Converter，MMC)型兩種拓撲。MMC已在高壓直流輸電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有模塊數(shù)及電壓等級靈活可調(diào)、輸入諧波含量低等優(yōu)點，將其應(yīng)用到PET中還可顯著減少高頻變壓器以及功率器件的數(shù)量[4]，因此，MMC型PET在未來應(yīng)用中擁有較強的競爭優(yōu)勢。

除了研究適用于能量路由器的PET拓撲以及相應(yīng)的控制策略之外，PET在實際應(yīng)用中其保護系統(tǒng)也是必不可少的環(huán)節(jié)，對于提高PET的可靠性以及其所在系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行均具有重要意義，但目前鮮有文獻研究PET的保護系統(tǒng)。文獻[5]將PET應(yīng)用到未來可再生能源傳輸與管理系統(tǒng)(Future Renewable Electric Energy Delivery and Management, FREEDM)中，提出了適用于微型電網(wǎng)的分層式保護方法，但卻沒有研究PET本身的保護系統(tǒng)。文獻[6]對CHB型PET在外部電網(wǎng)故障、雷擊過電壓及非理想負荷等對電力電子變壓器的影響及相應(yīng)的保護配置要求進行了研究，但與MMC型PET的故障特征以及保護系統(tǒng)有較大的區(qū)別。

針對MMC型PET的保護系統(tǒng)開展研究，配置其保護系統(tǒng)，針對不同類型的故障提出相應(yīng)的保護策略，最后基于PSCAD仿真平臺對所提PET保護策略進行仿真驗證，證明了其正確性與可行性。

1 PET原理及保護配置

所研究的MMC型PET為三級型拓撲，分為輸入級、隔離級和輸出級。輸入級MMC采用定直流電壓雙閉環(huán)解耦控制策略，子模塊采用工程中應(yīng)用較多的最近電平逼近以及排序均壓控制[7]，將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓；隔離級采用雙有源橋(Dual Active Bridge, DAB)結(jié)構(gòu)，兩端為H全橋結(jié)構(gòu)，中間為高頻變壓器，DAB采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的連接方式，兩側(cè)H橋采用開環(huán)控制，觸發(fā)脈沖同相位，將MMC輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻方波，經(jīng)高頻變壓器降壓之后再經(jīng)過DAB中的H橋整流為低壓直流輸出；PET的輸出級為VSC逆變器，同樣采用雙閉環(huán)解耦控制方法，將DAB輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流輸出電壓，為交流負荷供電。

圖1 基于MMC的PET主電路拓撲、測點及保護配置Fig.1 Main circuit topology, measuring point and protection configuration of MMC based PET

實際工程應(yīng)用中需要為PET配置接地方式，考慮到交流配電網(wǎng)電力變壓器低壓繞組一般為Δ型接線方式，即與PET輸入側(cè)相連的交流電網(wǎng)沒有中性點，因此選取交流配電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛的接地變壓器[8]構(gòu)造接地點實現(xiàn)PET系統(tǒng)的接地?；贛MC的PET主電路拓撲[4]以及其配置的測點與保護類型如圖1所示，主要對交流輸入側(cè)輸電線、MMC橋臂電抗器、MMC直流線路、DAB中的高頻變壓器、DAB輸出直流線路以及交流輸出側(cè)輸電線配置保護，此外，對于PET裝置本體以模塊為單位(包括MMC子模塊、隔離級H橋和輸出VSC逆變器)，為其配置相應(yīng)的冗余保護。上述保護配置基本涵蓋了PET所有故障點，能夠較好的應(yīng)對PET可能出現(xiàn)的各種故障類型。

由于故障類型及保護較多，選取幾種MMC型PET中特殊存在的故障以及保護配置進行詳細說明，并對其正確性和有效性進行仿真驗證，包括交流輸入側(cè)接地電阻對保護配置的影響，MMC直流雙極短路故障的應(yīng)對策略。

2 故障特性分析及保護策略

2.1 接地電阻的選擇

2.1.1 故障分析

PET系統(tǒng)交流輸入側(cè)采用接地變壓器接地，接地變壓器為Z型接線方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，接地變壓器對正序和負序電流呈現(xiàn)高阻抗，而對零序電流呈現(xiàn)低阻抗，該零序電流可通過接地變壓器接入的電阻進行抑制，從而減小接地故障電流。因此，接地電阻的取值決定了接地故障發(fā)生后的接地電流大小，此外，當(dāng)PET輸入級MMC發(fā)生單極接地故障后，故障點與接地變壓器接地點會形成放電回路，接地電阻的取值同樣會影響該放電回路的故障電流。交流輸入側(cè)發(fā)生單相接地故障后的輸電線路零序放電回路和MMC直流線路發(fā)生單極接地故障下的等效放電回路如圖2所示。圖中，Z0表示交流線路故障點與接地變壓器之間的零序阻抗，XG、RG分別表示接地變壓器的等效電抗和接地電阻，Iup表示MMC單極接地瞬間橋臂電流，L0表示MMC橋臂電感，C0表示MMC子模塊電容，N表示MMC每橋臂子模塊個數(shù)，2C0/N表示放電回路的等效電容，Rf表示故障點過渡電阻。

圖2 故障等效電路Fig.2 Fault equivalent circuit

由圖2可以看出，接地變壓器接入電阻的取值對交流單相接地故障以及直流單極接地故障的故障電流均有影響，阻值過小則直流單極接地故障的放電電流過大，阻值過大則交流零序回路阻抗變大，不利于交流系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)故障。

交流系統(tǒng)單相接地故障后的零序回路較為簡單，不做詳細討論，重點介紹直流單極接地故障后的故障電流特性。由圖2(b)所示等效電路可知，該故障回路的放電過程為RLC二階電路零輸入響應(yīng)，其初始條件為：

式中Udc表示直流側(cè)電壓，求解二階動態(tài)電路的微分方程可得故障回路電流為：

(2)

式中：

根據(jù)式(2)，故障后的電流隨時間的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 故障電流隨時間變化曲線Fig.3 Curve of fault current changes with time

故障發(fā)生后，直流電壓參考電位將發(fā)生變化，MMC的單相數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中ua、ub、uc分別表示交流系統(tǒng)三相電壓；U表示其有效值；UPO、UNO分別表示直流正負極電壓；uap、uan分別表示MMC上、下橋臂電壓。因此單極接地故障發(fā)生后(以正極為例)，正極電壓變?yōu)榱恪?/p>

UPO=uap+ua=0

(9)

結(jié)合式(7)可得交流側(cè)電壓：

再由式(8)得到負極直流母線電壓：

因此，根據(jù)式(9)和式(11)可知，單極接地故障后接地極電壓降為零，非故障極電壓升高為故障前兩倍，但保持直流極間電壓不變，因此對PET隔離級不會產(chǎn)生影響。

根據(jù)以上故障分析，提出以下保護策略以提高PET的供電可靠性：

(1)由于直流單極接地故障后極間電壓保持不變，仍可對PET隔離級及輸出級供電，因此可考慮故障后仍持續(xù)運行一段時間(如2 h)，需要注意的是應(yīng)加強直流線路的短時絕緣強度；

(2)由于接地變壓器接地電阻對交流接地故障和直流單極接地故障都有影響，因此提出正常運行時接入較小阻值，當(dāng)檢測到直流單極接地故障后投入大電阻對故障電流進行限制，投入大電阻的故障判據(jù)可表示為：

式中假設(shè)故障極為正極，故障極為負極時的判據(jù)類似，Δ1表示低電壓判據(jù)；Δ2表示過電壓判據(jù)，理想情況下Δ1值接近于0，Δ2值接近于1，考慮過渡電阻的影響，可將其進行適當(dāng)調(diào)整(例如取Δ1=0.1，Δ2=0.9)；

(3)根據(jù)(2)中保護策略，直流單極接地故障發(fā)生后系統(tǒng)仍可持續(xù)運行一段時間，在此期間直流不平衡保護發(fā)出報警信號，便于運維人員檢修排除故障，超過一定時間之后，若故障仍然存在則直流電壓不平衡保護動作切除故障。

2.1.2 仿真驗證

為對上述故障分析結(jié)果以及所提保護策略進行驗證，基于PSCAD仿真平臺搭建了仿真模型，參數(shù)如表1所示，仿真中設(shè)定0.3 s發(fā)生故障。

表1 PET仿真模型參數(shù)Tab.1 Simulation model parameters of PET

圖4所示為交流系統(tǒng)A相發(fā)生單相接地故障后，接地變壓器取不同接入電阻情況下的PET交流出口處A相電流有效值仿真結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果可知，接地變壓器接入電阻越大，則A相電流越接近正常值，從而不利于故障的發(fā)現(xiàn)與排除。

圖4 不同電阻時輸電線路A相電流有效值Fig.4 RMS of phase A current in transmission line with different resistances

圖5所示為PET輸入級MMC發(fā)生直流正極接地故障后的仿真結(jié)果。由圖5(a)可知，故障發(fā)生后MMC子模塊會形成放電回路，由于未采取保護措施因而子模塊電壓呈現(xiàn)工頻振蕩現(xiàn)象；圖5(b)中直流接地極電壓變?yōu)?，非接地極電壓升高為故障前2倍并伴隨3倍頻振蕩，這是由于MMC三相子模塊電壓振蕩所致；圖5(c)所示為接地變壓器接入不同電阻之后的故障電流有效值變化關(guān)系，增大接入電阻之后可以顯著減小故障電流，并且抑制了非故障極的電壓振蕩，如圖5(d)所示。因此，所提保護策略可提高直流單極接地故障下的系統(tǒng)運行可靠性。

圖5 直流正極接地故障仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of DC positive grounding fault

2.2 MMC直流雙極短路故障

2.2.1 故障分析

MMC直流雙極短路故障是直流側(cè)最嚴重的故障類型，對于MMC型PET而言，MMC與DAB之間的連接母線非常短，且位于裝置內(nèi)部，因此發(fā)生雙極短路故障的概率非常低，暫不做考慮。PET的中壓直流母線需要接入直流電網(wǎng)時，如圖1所示，則直流線路發(fā)生雙極短路的可能性變大，因此主要分析直流線路雙極短路故障對PET的影響。

根據(jù)圖1所示PET拓撲，直流線路發(fā)生雙極短路故障之后，輸入級MMC和隔離級DAB均會存在放電回路。故障發(fā)生后，PET保護動作前交流系統(tǒng)會通過MMC向直流側(cè)饋入電流，同時MMC子模塊也會通過故障點迅速放電[7]，此外，由于隔離級DAB采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的連接方式，輸入側(cè)串聯(lián)電容也會通過直流故障點迅速放電，產(chǎn)生嚴重的沖擊電流。

MMC采用半橋子模塊后發(fā)生雙極短路故障后，由于半橋子模塊不具備故障電流抑制能力，因此在子模塊閉鎖之后，交流系統(tǒng)仍然可以通過反并聯(lián)二極管向直流側(cè)饋入電流，該部分內(nèi)容已有較多文獻進行分析，不再詳述，詳細內(nèi)容可參考文獻[7]。為了克服半橋子模塊的上述不足，采用具有直流故障電流抑制能力的箝位雙子模塊(Clamp Double Sub-Module，CDSM)拓撲替換半橋子模塊，用于閉鎖后限制故障電流。

文獻[9]分析了CDSM的原理以及直流故障電流抑制機制，但并未分析引入CDSM所帶來的問題。由于MMC的直流保護判據(jù)需要用到橋臂電流值[10]，因此故障發(fā)生后直流保護動作時橋臂電流已經(jīng)增大到較大的值，而由于橋臂電感電流不能突變，當(dāng)橋臂電流超過保護定值閉鎖MMC之后，橋臂電流中所存儲的能量將會回饋到CDSM的電容中，由于該部分能量較大，將不可避免的導(dǎo)致電容出現(xiàn)過電壓[11]。CDSM閉鎖之后的故障電流通路如圖6所示，圖中C1、C2表示子模塊電容。

圖6 CDSM閉鎖后故障電流通路Fig. 6 CDSM fault current path after blocking

根據(jù)文獻[9]所述CDSM工作原理，正常運行情況下電流不流經(jīng)箝位二極管，即圖6中的D6、D7，因此為解決上述CDSM閉鎖之后引起的電容過電壓問題，采用箝位二極管串聯(lián)阻尼電阻的方法[11]耗散橋臂電流能量，降低子模塊電容電壓，加入阻尼電阻之后的CDSM拓撲如圖7所示，圖中Rd表示阻尼電阻。正常運行時由于箝位二極管的作用阻尼電阻不會投入，故障閉鎖后故障電流流經(jīng)子模塊電容、阻尼電阻和箝位二極管，因此阻尼電阻可以分擔(dān)橋臂電流中的一部分能量。

圖7 加入阻尼電阻的CDSM拓撲Fig.7 CDSM topology with damping resistors

閉鎖后阻尼電阻耗散的能量以及所承受的電壓可以表示為：

式中W表示阻尼電阻中消耗的能量；t0和ts分別表示起始和終止時刻；if表示故障電流；URd表示阻尼電阻所承受的電壓。W和URd是圖7中阻尼電阻選取的重要指標，如果阻尼電阻上消耗的能量過大，則不利于子模塊散熱，Rd承受的電壓過大則需要增加其電壓等級，增加成本。因此，阻尼電阻需要滿足上述指標的要求。

對于隔離級DAB而言，串聯(lián)電容在直流側(cè)發(fā)生雙極短路之后也會通過故障點形成放電回路，其等效電路如圖8(a)所示，其實質(zhì)為RC放電回路，圖中C/M表示DAB串聯(lián)側(cè)等效電容，M表示DAB個數(shù)，Rf表示過渡電阻。由于電容串聯(lián)之后其值減小為之前的1/M，故障點的過渡電阻也不會很大，因此導(dǎo)致放電回路的時間常數(shù)很小，同時由于直流電壓較大，因此會在故障瞬間產(chǎn)生嚴重的沖擊電流。為了減小沖擊電流對電容可能造成的損害，采用在直流輸電線路出口處添加平波電抗器的方法，由于電感電流不能突變，因此可以限制故障電流上升率，改造之后的等效電路如圖8(b)所示，其實質(zhì)變?yōu)镽LC放電回路，圖中LX表示平波電抗器中的等效電感。

圖8 DAB串聯(lián)側(cè)放電等效電路Fig.8 DAB series side discharge equivalent circuit

2.2.2 仿真驗證

MMC采用半橋子模塊時，直流輸電線路發(fā)生雙極短路故障后的仿真結(jié)果如圖9所示，仿真中設(shè)定0.3 s發(fā)生故障，檢測橋臂過電流650 A(可根據(jù)IGBT所能承受的過電流選取)，之后延時2 ms閉鎖PET，0.5 s斷開交流輸入側(cè)斷路器。根據(jù)仿真結(jié)果可知，故障后雖然及時閉鎖了PET，但是直流故障電流仍然存在，這是由于半橋子模塊不能抑制故障電流，交流系統(tǒng)仍可以向直流側(cè)繼續(xù)饋入電流所致，這種情況一直持續(xù)到交流側(cè)斷路器斷開；DAB電容迅速放電，出現(xiàn)非常大的沖擊電流。

圖9 半橋子模塊仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of half bridge sub module

為解決上述問題，采用CDSM替換半橋子模塊，并在直流線路出口加入10 mH平波電抗器，仿真中設(shè)定0.3 s發(fā)生雙極短路故障，檢測橋臂過電流650 A，之后延時2 ms PET閉鎖，改進之后的仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，采用CDSM的PET在故障閉鎖之后直流側(cè)電流得到抑制，經(jīng)一段時間的衰減之后降為零；由于直流線路出口平波電抗器的作用，DAB串聯(lián)側(cè)電容電流得到了明顯的抑制。

圖10 改進拓撲仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of improved topology

圖10中直流側(cè)電流在PET閉鎖之后電流出現(xiàn)一定的衰減期，這是由于橋臂電感中的電流不能突變，而此部分閉鎖之后的電流會流經(jīng)CDSM中的電容，對其進行充電，從而導(dǎo)致電容過電壓，因此可通過在CDSM箝位二極管串聯(lián)阻尼電阻的方法消耗部分能量以減小電容過電壓。阻尼電阻選取0 Ω、1 Ω、3 Ω、5 Ω時的仿真結(jié)果如圖11所示。與加入阻尼電阻之前相比，電容過電壓得到了有效的抑制，阻尼電阻越大，過電壓抑制效果越明顯，同時阻尼電阻中消耗的能量也會相應(yīng)的增加，其所承受的最大電壓相應(yīng)升高，應(yīng)合理選擇阻值以降低對子模塊散熱造成的影響并降低成本。

圖11 加入阻尼電阻后的仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results after adding damping resistors

3 結(jié)束語

PET的保護系統(tǒng)配置是其實際應(yīng)用中必不可少的環(huán)節(jié)，針對基于MMC的PET中可能出現(xiàn)的故障類型配置了相應(yīng)的保護方法。詳細分析了接地電阻對交流接地故障和PET輸入級MMC直流單極接地故障下故障特性的影響，并提出正常運行時接入小電阻，檢測到直流單極接地故障后投入大電阻的運行保護策略；對MMC直流雙極短路中PET閉鎖后引起的CDSM電容過電壓問題以及DAB串聯(lián)電容產(chǎn)生沖擊過電流現(xiàn)象的原因進行了分析，并采用在CDSM箝位二極管串聯(lián)阻尼電阻以及直流線路出口加入平波電抗器的改進方法。最后通過PSACD仿真對以上故障及保護策略進行了驗證，證明了其正確性與有效性。