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直流輸配電系統(tǒng)因具有輸配電容量大、損耗小、供電品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。在直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中，用到大量各種電力電子設(shè)備進(jìn)行電能變換，目前的技術(shù)現(xiàn)狀是這些設(shè)備多采用電壓源控制模式，使整個(gè)直流電網(wǎng)呈現(xiàn)低阻尼特性，造成了在短路故障條件下的電流沖擊大、切除難等問(wèn)題。電壓源型電路拓?fù)涞幕咎卣魇窃谳敵鰝?cè)接有額定值較大的支撐電容，當(dāng)外界線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，由于支撐電容上的電能未被控制，電能的釋放產(chǎn)生很大的沖擊電流，這就增大了短路電流初期階段的控制難度。

為解決此問(wèn)題，工程中普遍采用在線(xiàn)路中加裝限流電抗器的方法來(lái)限制該短路沖擊故障電流，雖然能在一定程度上限制電流的上升率和最大電流，但也發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題。另外，隨著新能源發(fā)電的發(fā)展，低電壓穿越功能在連接新能源發(fā)電與并網(wǎng)用直流變壓器中是一基本要求，即需要控制變壓器在短路故障條件下的輸出電流大小。

顯然，依靠線(xiàn)路加裝電感的方法去實(shí)現(xiàn)電流控制，尤其是要能控制電流的大小還是非常困難的。因?yàn)樽儔浩髟谝缶邆涞碗妷捍┰教匦怨δ軙r(shí)，仍需要直流變壓器保持一定的輸出電流，并且輸出電流的大小與短路電壓的大小有關(guān)。

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員結(jié)合直流配電網(wǎng)中電力電子變壓器裝置的基本拓?fù)?，提出了一種電路拓?fù)渥儞Q及輸出電流控制的新方法。短路故障發(fā)生時(shí)，切除直流側(cè)的支撐電容，同時(shí)對(duì)變流裝置的輸出電流進(jìn)行主動(dòng)控制，從而完成對(duì)變流器輸出短路電流的快速跟蹤，實(shí)現(xiàn)變壓器處理低電壓穿越功能時(shí)的電流限流控制。由于電容的切除和投入是在每個(gè)模塊單元內(nèi)完成的，電容切除開(kāi)關(guān)的容量無(wú)需很大，用主電路同容量的IGBT即可實(shí)現(xiàn)。

圖1 直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

他們基于雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）模塊電路模塊構(gòu)成電力電子變壓器電路拓?fù)洌岢隽艘环N采用切除支撐電容的DAB電路，并對(duì)其控制原理進(jìn)行了詳細(xì)論述，分析了支撐電容切除前后的DAB變換器工作過(guò)程；在此基礎(chǔ)上，對(duì)短路故障發(fā)生后的電流控制方法進(jìn)行了研究和討論，給出了切除支撐電容后的等效電路模型，分析了電路的頻響特性及穩(wěn)定性。

圖2 硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

科研人員構(gòu)建相應(yīng)的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)所做的工作進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下研究結(jié)論：

1）直流系統(tǒng)短路故障時(shí)，抑制DAB模塊中支撐電容中能量的釋放可有效減小短路沖擊電流及其不可控時(shí)間，設(shè)立分布式電力電子開(kāi)關(guān)，可對(duì)支撐電容的電能釋放進(jìn)行有效控制。

2）出于低電壓穿越控制的需要，直流系統(tǒng)短路故障過(guò)程中的電流控制可通過(guò)控制DAB模塊單元實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中：①要注意輸出特性由電壓源到電流源形式的轉(zhuǎn)換，對(duì)應(yīng)的電流控制方法也要對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)變；②要注意解決電流環(huán)被控對(duì)象參數(shù)不定所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)特性控制問(wèn)題，包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。

通過(guò)本研究可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于短路故障發(fā)生時(shí)，采用支撐電容可分離方法：一方面有效減少了短路故障開(kāi)始發(fā)生時(shí)的沖擊電流；另一方面，由于支撐電容分離后，其能量可以得到保持。理想條件下電容器上的電壓在切除前后幾乎不變，這樣整個(gè)變壓器電路的恢復(fù)時(shí)間將變得非常短，可大大加快整個(gè)直流配電系統(tǒng)的故障再恢復(fù)過(guò)程。但由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)元器件參數(shù)和特性的復(fù)雜性，電容器上的能量保持和泄放將是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，電容器殘存電能與再恢復(fù)時(shí)電路所允許的沖擊電流大小之間的關(guān)系等問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

本文編自2022年第2期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“支撐電容可分離的直流變壓器短路故障電流限流控制方法”，作者為卓超然、張笑天 等。