图1 含新能源发电系统在内的直流配电网结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of DC distribution network including renewable energy power generation system
摘要 直流配电系统因线路阻抗低，线路短路故障时电流上升率高，会造成电流限流困难及线路设备二次恢复运行速度慢等问题。该文针对直流配电网中目前存在问题进行分析，提出一种主动控制实现的电力电子变压器短路电流限流新方法。通过对电力电子变压器电路拓扑的改进，并辅以相应的输出电流主动控制方法，实现在发生直流短路故障时切除变压器内部的支撑电容，使该储能元件中的能量不再对线路产生冲击大电流。同时，该方法可对电流实现快速跟踪控制，以满足新能源发电设备实现低电压穿越时的电流控制需要。最后通过仿真和硬件在环实验验证了该文所提方法的正确性。
关键词：电力电子变压器 支撑电容 短路故障 限流
直流输配电系统因具有输配电容量大、损耗小、供电品质高等优点引起了业界的广泛关注[1]。在直流配电网系统中，用到大量各种电力电子设备进行电能变换，目前的技术现状是这些设备多采用电压源控制模式[2]，使整个直流电网呈现低阻尼特性[3-4]，造成了在短路故障条件下的电流冲击大、切除难等问题。电压源型电路拓扑的基本特征是在输出侧接有额定值较大的支撑电容[5]，当外界线路发生短路故障时，由于支撑电容上的电能未被控制，电能的释放产生很大的冲击电流，这就增大了短路电流初期阶段的控制难度[6]。为解决此问题，工程中普遍采用在线路中加装限流电抗器的方法来限制该短路冲击故障电流，虽然能在一定程度上限制电流的上升率和最大电流，但也发现了新的问题[7-9]。另外，随着新能源发电的发展，低电压穿越功能在连接新能源发电与并网用直流变压器中是一基本要求，即需要控制变压器在短路故障条件下的输出电流大 小[5]。显然，依靠线路加装电感的方法去实现电流控制，尤其是要能控制电流的大小还是非常困难的。因为变压器在要求具备低电压穿越特性功能时，仍需要直流变压器保持一定的输出电流，并且输出电流的大小与短路电压的大小有关[10-12]。
本文结合直流配电网中电力电子变压器装置的基本拓扑[13]，提出了一种电路拓扑变换及输出电流控制的新方法。短路故障发生时，切除直流侧的支撑电容，同时对变流装置的输出电流进行主动控制，从而完成对变流器输出短路电流的快速跟踪，实现变压器处理低电压穿越功能时的电流限流控制。由于电容的切除和投入是在每个模块单元内完成的，电容切除开关的容量无需很大，用主电路同容量的IGBT即可实现。
本文基于双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）模块电路模块构成电力电子变压器电路拓扑，提出了一种采用切除支撑电容的DAB电路，并对其控制原理进行了详细论述，分析了支撑电容切除前后的DAB变换器工作过程；在此基础上，对短路故障发生后的电流控制方法进行了研究和讨论，给出了切除支撑电容后的等效电路模型，分析了电路的频响特性及稳定性；并构建相应的半实物仿真实验系统对所做的工作进行验证，本文的结果为直流配电网的短路故障保护提供了一种新方法。
直流配电系统中，不同电压等级的电网连接以及新能源发电系统接入电网可采用直流变压器实 现[14]，图1给出了含新能源发电系统在内的直流配电网结构示意图。考虑到设备制造企业的技术现状，目前国内直流变压器的主电路拓扑结构主要是采用基于DAB的直流变换电路，通过输入串联、输出并联（Input Series- Output Parallel, ISOP）方式连接组成[15]，通过基本DAB模块之间的级联方式连接，即可扩大电压等级和电流输出容量[16]。这类电路结构模块化强，组合灵活，可控制性强。采用该拓扑结构，业界制作的直流变压器效率目前已达97%（硅基器件）或98%（碳化硅器件）以上[7]，并通过各种技术改进继续提升效率指标。
图1 含新能源发电系统在内的直流配电网结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of DC distribution network including renewable energy power generation system
DAB模块中输出电流、支撑电容电流及总输出电流如图2所示，可以看出，DAB模块电路两端接有额定值较大的支撑电容。由于采用串、并组合连接（ISOP），其输出和输入端口均呈现大电容特性，一方面起电压纹波滤波作用；另一方面保障变流器自身的电压源特征。
图2中，在直流变压器对负荷正常供电时，由于是电压源型输出，变压器的输出电流将会根据负荷所需功率大小进行调整。在负荷相对稳定时，变压器输出电流也将维持基本不变；但是，当变压器外接线路发生短路故障时，由于线路阻抗很小，变压器中支撑电容能量的释放，将会产生巨大的冲击电流。为抑制该电流，可在变压器出口处串接限流电抗器和直流断路器。限流电抗器用来限制短路故障发生时短路电流的上升率，给断路器动作提供缓冲时间；断路器则用来切断供电电路，实现线路保护。这种限流保护方案可满足系统保护，但对于新能源发电用变压器，在实现低电压穿越功能时，这种限流保护方案是无法满足要求的。
图2 DAB模块中输出电流、支撑电容电流及总输出电流
Fig.2 The output current, supporting capacitor current and total output current of DAB module unit
可以看出，DAB模块中合理处理支撑电容的能量对保障设备安全及电流控制至关重要。目前，DAB模块中电容上的能量在短路故障发生时是不可控的，也就造成输出电流波形的不可控。但如果能在短路发生时将支撑电容从电路拓扑中切除，则这部分能量将不会被释放进而产生冲击电流，变压器的输出电流大小将由变换器自身输出决定，这将加快变压器输出电流的可控性，并且借助于变压器内在的电流环控制，实现直流变压器设备的低电压穿越功能。同时，由于支撑电容中的能量没有被释放，当变压器恢复正常运行时，则无需重新充电，将加快变压器的恢复过程。基于该设想，提出了一种采用IGBT电力电子开关实现的支撑电容可分离DAB电路如图3所示。
图3中，QSCAP为实现支撑电容可分离所加装的IGBT电力电子开关，注意IGBT方向，它是反向接入电容支路的。DAB电路正常工作时，QSCAP置为导通状态，支撑电容Cout充电时，电流由正母线经过QSCAP内置二极管流进电容Cout；Cout需要放电时，
电流由QSCAP内置IGBT流向正母线。当线路发生短路故障时，迅速给IGBT发出截止控制指令，将IGBT制为截止状态。IGBT截止后，支撑电容Cout将无法把电容上的电能释放到外接短路线路上去。这个过程需要的时间非常短，IGBT关断时间约1～2ms，直流电流霍尔传感器响应时间也在1ms，这样电容切除的时间可在3～5ms内实现，短路电流初期阶段的峰值及其不可控时间降低到3ms以内。IGBT闭锁后，就可借助DAB电路，其输出的电流大小可以完全被控制。
图3 电力电子开关控制支撑电容可分离的DAB电路
Fig.3 The DAB module circuit with support capacitor that can be turned off by power electronic switch
需要注意的是，电容切除前后DAB电路的输出性质将发生变化，由原来的电压源型变换器变成了电流源型变换器。
在图3中，DAB电路中加装投切开关QSCAP后，输电线路发生短路故障时，控制系统发出指令闭锁QSCAP开关，DAB电路中的支撑电容Cout被剥离出，DAB电路变成一阻抗性负载供电的全控整流桥电路形式。
对于DAB电路而言，可以控制的变量有：变压器一次侧逆变桥中的4个IGBT，二次侧整流桥的4个IGBT以及中频变压器一次、二次侧之间电压相位差。结合线路短路工作状态进行分析可知，当线路发生短路故障后，由于线路的阻抗值很小，要想实现低电压穿越时的电流控制，DAB变压器二次侧整流桥输出电流将被控制在较小的数值。对于整流桥电路，其输出电压最小值是其自然整流状态时对应的整流电压。为简化控制，当DAB电路进入短路故障状态下工作时，将变压器二次侧整流桥的4个IGBT驱动全部封锁，使其成为二极管自然整流电路，整个DAB电路的输出电流将由变压器一次侧逆变桥控制，可采用移相法对逆变桥的输出电压进行调节。对于二次侧整流桥而言，有两种工作状态：①高频变压器同名端为正向或负向输出时，电路呈现为单相二极管外接LR整流电路；②变压器无输出时表现为一LR续流电路。电路表现为一带LR负荷性质的整流桥电流控制模式，与正常工作时的电压源形式不同，图4给出短路故障发生后拓扑的变化及不同时刻电流回路。
图4 短路故障发生后拓扑的变化及不同时刻电流回路
Fig.4 Topological changes after short-circuit faults and current loops at different times
图4中，实线箭头表示变压器一次侧逆变桥S1、S4导通时电流的流向通道，以及对应的变压器二次侧桥经过S5、S8体内二极管进行整流的电流通道；虚线箭头表示变压器一次侧逆变桥S2、S3导通时电流的流向通道，以及对应变压器二次侧桥经过S6、S7体内二极管进行整流的电流通道；点线箭头表示当变压器一次侧逆变桥4个主管均不导通时，对应变压器二次侧桥经过S5、S6、S7、S8体内二极管续流时的电流流向工作情况。
综上所述，DAB电路在支撑电容切除后，输出电流的控制通过DAB变压器一次侧整流桥的错相移位控制来完成，通过DAB的变压器一次侧逆变桥控制，调节中频变压器输出电压，进而控制整个DAB电路的输出电流。
通过前面分析可以看出，以支撑电容投切开关QSCAP动作时刻为界，DAB电路的输出外特性由电压源变成了电流源，不难发现有两点：
（1）DAB电路结构变化后，因为没有了支撑电容电压的作用，出于实现低电压穿越特性的需要，此时DAB电路的任务是控制其输出电流。将变压器二次侧整流桥中的IGBT驱动置0关断，全控整流桥等效为单相二极管整流电路，输出电流的控制通过变压器一次侧整流桥的错位移相控制完成。
（2）移除支撑电容后，如果考虑电流断续、连续等各种非线性情况，则DAB输出电流的控制将有多种控制方法可以实现。为简化分析过程，本文只选取DAB输出电流完全连续的情况，不考虑电流断续或临界状态。
设Lshort为短路发生点与DAB输出侧输电线等效总电感，Zshort为不同类型短路故障的等效总阻抗，由于DAB电路内部的等效电感和阻抗很小，Lshort和Zshort将由短路点到变压器之间的距离及短路阻抗决定。考虑线路负荷，切除支撑电容后的DAB控制等效电路如图5所示。
图5 切除支撑电容后的DAB控制等效电路
Fig.5 DAB control equivalent circuit with supporting capacitor removed
图5中，L1和L2分别为中频变压器的一次侧和二次侧电感，Lm为励磁电感，Cm为中频变压器层间电容，上述参数均折算到变压器一次侧；
为隔离变压器折算到一次侧的二次电流。在图5的基础上，利用变压器的Ｔ型等效电路模型，可以得到如图6所示的L-C-T型DAB等效电路模型。
图6 L-C-T型DAB等效电路模型
Fig.6 L-C-T DAB equivalent circuit model
考虑到文中所述DAB控制方式及短路后的线路参数，此时DAB的控制可以看成是一可变参数的阻感负荷单相高频逆变电路。由于短路点事前未知，电流控制时，负载参数LLine和Zshort也是未知参数，不同短路距离的和短路故障类型可使Lshort和Zshort发生数倍的变化，输出同样数值的限流电流，变压器一次侧逆变桥的移相占空比d在不同短路距离时也会有很大差异。实现电流控制时会面临负载参数不确定问题，电流控制器的设计在其类型和参数上将会变得更加复杂。
对于图6所示的电路，中频变压器部分可采用T型阻抗等效电路等效，如图7所示。
图7 T型阻抗等效电路
Fig.7 T-type impedance equivalent circuit
考虑到DAB电路的工作频率是在几kHz到几十kHz，变压器绕组内的等效电阻影响要远小于等
效电感的影响，并且由于工作频率的提高，高频变压器内的层间电容和寄生电容效应的影响不容忽视，图7等效电路中的各参量表达式为
（1）式中，Lin为变压器一次侧逆变器等效电感；L1为中频变压器一次侧等效电感；Lm为中频变压器励磁电
感；Cm为中频变压器等效电容；
为中频变压器二次侧阻抗折算到一次侧后的等效阻抗；
为中频变压器二次侧折算到一次侧后的等效电感。
经过推导，图8中输入U1与输出
之间的关系为
（2）短路故障发生时，变压器二次绕组电压只有短路点到变压器之间的线路阻抗和短路发生时短路点的短路阻抗引起的压降，可表示为
（3）
式中，
为传输线路等效阻抗。
设中频变压器一次、二次电压比为N
1，则有
（4）代入式（3）可得
（5）
这样，整个直流变压器输出电流I2为
（6）将式（1）代入式（6）中，即可得到变压器一次侧逆变侧输出控制电压与直流变压器在发生短路时的输出电流之间的关系。
下面结合一个实例进行分析，高频变压器一次侧励磁电感Lm=167mH、漏感L1=22.2mH；二次侧漏感L2=12.3mH，实测10kHz工作时变压器一次层间电容Cm=0.032mF，逆变器等效电抗Lin=2.06mH，变压器电压比N=13，将以上参数代入式（1），对目标传递函数式（6）利用伯德图法进行稳定性分析。考虑不同线路距离及短路故障类型，以及线路阻抗和短路阻抗的大范围变化，得到不同短路点和故障发生时的系统伯德图如图8所示。
可以看出，被控对象的幅频特性在穿越零dB线时，其相频特性在-90°附近，并且发生短路故障的距离越远、短路阻抗越大，表现出的系统稳定性就越好。但是，系统在高频段存在3个以上的谐振点，意味着当受高频扰动时可能会不稳定。距离故障发生点越近，则系统越容易进入这些谐振点，对控制器的精准设计提出了更高要求。由于事前对发生短路的地点和短路形式未知，虽然整个电流控制系统呈现二阶闭环控制特性，但ZLine、Zshort两个参数的不确定性则会对输出电流的动态过程及稳态稳流精度有着较大的影响。
图8 不同短路点和故障发生时的系统伯德图
Fig.8 System Bode diagram for different short-circuit locations and faults
在极限情况下，近距离时的闭环系统由于阻抗参数小，直流电网中出现短路故障后电流上升速度快，若变压器的限流控制依旧采用普通方法进行，则很难保证电流跟踪的精度及系统稳定性，难以满足限流与低电压穿越的稳流要求。此时要限制输出电流i2，即控制输出逆变桥的移相占空比d。为解决此问题，本文采用了一种电流最小值爬山自适应控制方法对故障时期电流进行限流和准确控制。原理如下：当控制系统发现系统出现短路电流故障时，将DAB变压器一次侧逆变桥转入移相控制模式，同时将移相占空比d取最小值。随即测取输出电流i2，并等待电流i2下降至设定的最小电流值。当检测到电流不再减小时，则将此时的电流值作为爬山控制算法的起始点，利用积分效应，逐步将电流设定值放大到低电压穿越时要求的电流限流值。设计的电流最小值爬山自适应控制方法示意图如图9所示。同时采用自适应控制实现电流控制，相比于一般经典控制方法而言，自适应控制方法更适合短路后的被控对象参数的变化，控制质量对被控对象参数的已知依赖性小，可保障直流变压器的限流及输出电流控制。
图9 电流最小值爬山自适应控制方法示意图
Fig.9 Schematic diagram of climbing adaptive control method
为验证文中提出的电路拓扑和控制方法的正确性，本文构建基于dSPACE和Plecs RT-box平台的硬件在环实验系统，实验平台如图10所示，dSPACE用于实现控制算法和PWM控制脉冲形成，Plecs RT-box用于实现电力电子变压器主电路，直流输出线路采用R-L线路模拟器实现。直流变压器输入电压为1 000V，输出电压350V，短路限流控制实验主要分三部分进行。
图10 基于dSPACE+Plecs RT box硬件在环实验平台
Fig.10 Hardware-in-the-loop experimental system based on dSPACE+Plecs RT-box
首先对目前采用的电抗器法及其存在的问题进行验证。在支撑电容不采用快速开关切除方式时，电容器上的能量在短路发生时会通过短路回路释放出来。图11给出了短路发生时通过电抗器限流的方法实现的限流过程。电抗器数值小，则输出电流爬升速度快，电流在短时间内达到一个非常大的数值，如图11所示，图中，uout为输出电压，ucap为支撑电容器电压，iout为输出电流。可以看出，图中输出电流显示已经限幅。外接大限流电抗时变压器输出电压、电流波形如图12所示。图12中加装了一个数值较大的电抗器，可以看出，电流上升速率被限制，但输出电流完全不可控，并且出现线路电抗与支撑电容之间产生谐振现象。可见，支撑电容上的电能释放对线路的短路电流影响甚大，要想实现低电压穿越时的电流控制，必须采取措施。
图11 外接小限流电抗时变压器输出电压、电流波形
Fig.11 Transformer output voltage and current waveforms when external small current limiting reactance is connected
图12 外接大限流电抗时变压器输出电压、电流波形
Fig.12 Transformer output voltage and current waveforms when external large current limiting reactance is connected
为验证文中所述电流跟踪控制方法的正确性，基于图10实验平台，对上述控制方法和电路拓扑进行了实验验证。实验时，基于Matlab仿真结果，在dSPACE中实现文中所述的控制算法，转换成PWM波后输出到Plecs RT-box模拟的DAB变流模块及线路中。
切除支撑电容+主动电流控制后变压器输出的电压、电流波形如图13所示。通过图13可以看出，当发生短路故障后，通过快速开关切除了支撑电容，所以故障发生前、后支撑电容上的电压不变。由于短路故障，输出电压接近为0，输出电流iout在DAB被控条件下按照所设定的电流稳流，没有出现图11、图12中的电流失控现象，为低电压穿越的实现打下了坚实基础。改变设定电流后的切除支撑电 容+主动电流控制后变压器输出电压、电流波形如图14所示。图14是将限流电流进一步减小后的限流控制情况，同样可看出，线路电流被控制在事前设定的数值上。
图13 切除支撑电容+主动电流控制后变压器输出的电压、电流波形
Fig.13 Output voltage and current waveforms after removing the support capacitor and active current control
图14 改变设定电流后的切除支撑电容+主动电流控制后变压器输出电压、电流波形
Fig.14 Output voltage and current waveforms after cutting the setting capacitance after changing the set current and active current control
新能源与直流配电技术的发展，对电力电子装备提出了新的性能要求，系统中的故障保护及故障快速恢复技术越来越被人们所重视。本文通过对电力电子变压器基本模块拓扑及控制方法进行改进，为相关设备的工程应用提供了有效方法，通过本文的研究得出以下结论：
1）直流系统短路故障时，抑制DAB模块中支撑电容中能量的释放可有效减小短路冲击电流及其不可控时间，设立分布式电力电子开关，可对支撑电容的电能释放进行有效控制。
2）出于低电压穿越控制的需要，直流系统短路故障过程中的电流控制可通过控制DAB模块单元实现。实现的过程中：①要注意输出特性由电压源到电流源形式的转换，对应的电流控制方法也要对应转变；②要注意解决电流环被控对象参数不定所带来的动态特性控制问题，包括系统的稳定性问题。
通过本文研究可以发现，对于短路故障发生时，采用支撑电容可分离方法：一方面有效减少了短路故障开始发生时的冲击电流；另一方面，由于支撑电容分离后，其能量可以得到保持。理想条件下电容器上的电压在切除前后几乎不变，这样整个变压器电路的恢复时间将变得非常短，可大大加快整个直流配电系统的故障再恢复过程。但由于实际现场元器件参数和特性的复杂性，电容器上的能量保持和泄放将是一个非常复杂的过程，电容器残存电能与再恢复时电路所允许的冲击电流大小之间的关系等问题有待进一步研究。
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Short-Circuit Fault Current Limiting Control Method of DC Transformer with Separable Supporting Capacitor
Abstract Due to the low line impedance of the DC power distribution system, the current rise rate is high when the line is short-circuited, which causes problems such as difficulty in current limiting and slow recovery of line equipment. This paper analyzes the current problems in the current-limiting reactance method used in DC distribution networks, and proposes a new method for active current-limiting control of short-circuit current using power electronic transformer equipment in the distribution network. The improvement of the circuit topology and the active current control method can realize that the energy in the internal support capacitor of the converter no longer produces a large impact on the line when a short-circuit fault occurs, and can quickly track and control the current in the distribution network line. Renewable energy power generation equipment achieves current control requirements during low voltage ride-through. Hardware-in-the-loop experiments verify the correctness of the method in this paper.
Keywords：Power electronic transformer, supporting capacitor, short circuit fault, current limiting
中图分类号：TM46
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90539
国家重点研发计划资助项目：柔性直流电网故障电流抑制的基础理论（2018YFB0904600）。
收稿日期 2020-07-17
改稿日期 2020-11-12
E-mail: chaoranzhuo0208@163.com（通信作者）
张笑天 男，1983年生，副教授，博士生导师，研究方向为直流变压器及潮流控制器电路拓扑及其控制技术。
E-mail: xiaotian@xjtu.edu.cn
（编辑 陈 诚）