- 頭條西安交通大學科研團隊提出直流變壓器短路電流限流的新方法2022-07-04 作者：卓超然、張笑天 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語直流配電系統因線路阻抗低，線路短路故障時電流上升率高，會造成電流限流困難及線路設備二次恢復運行速度慢等問題。西安交通大學電氣工程學院的研究人員卓超然、張笑天、張雄、楊旭，在2022年第2期《電工技術學報》上撰文，針對直流配電網中目前存在問題進行分析，提出一種主動控制實現的電力電子變壓器短路電流限流新方法。通過對電力電子變壓器電路拓撲的改進，并輔以相應的輸出電流主動控制方法，實現在發生直流短路故障時切除變壓器內部的支撐電容，使該儲能元件中的能量不再對線路產生沖擊大電流。同時，該方法可對電流實現快速跟蹤控制，以滿足新能源發電設備實現低電壓穿越時的電流控制需要。
直流輸配電系統因具有輸配電容量大、損耗小、供電品質高等優點引起了業界的廣泛關注。在直流配電網系統中，用到大量各種電力電子設備進行電能變換，目前的技術現狀是這些設備多采用電壓源控制模式，使整個直流電網呈現低阻尼特性，造成了在短路故障條件下的電流沖擊大、切除難等問題。電壓源型電路拓撲的基本特征是在輸出側接有額定值較大的支撐電容，當外界線路發生短路故障時，由于支撐電容上的電能未被控制，電能的釋放產生很大的沖擊電流，這就增大了短路電流初期階段的控制難度。
為解決此問題，工程中普遍采用在線路中加裝限流電抗器的方法來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，但也發現了新的問題。另外，隨著新能源發電的發展，低電壓穿越功能在連接新能源發電與并網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，依靠線路加裝電感的方法去實現電流控制，尤其是要能控制電流的大小還是非常困難的。因為變壓器在要求具備低電壓穿越特性功能時，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。
西安交通大學電氣工程學院的研究人員結合直流配電網中電力電子變壓器裝置的基本拓撲，提出了一種電路拓撲變換及輸出電流控制的新方法。短路故障發生時，切除直流側的支撐電容，同時對變流裝置的輸出電流進行主動控制，從而完成對變流器輸出短路電流的快速跟蹤，實現變壓器處理低電壓穿越功能時的電流限流控制。由于電容的切除和投入是在每個模塊單元內完成的，電容切除開關的容量無需很大，用主電路同容量的IGBT即可實現。
圖1 直流配電網結構示意圖
他們基于雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）模塊電路模塊構成電力電子變壓器電路拓撲，提出了一種采用切除支撐電容的DAB電路，并對其控制原理進行了詳細論述，分析了支撐電容切除前后的DAB變換器工作過程；在此基礎上，對短路故障發生后的電流控制方法進行了研究和討論，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定性。
圖2 硬件在環實驗平臺
科研人員構建相應的半實物仿真實驗系統對所做的工作進行驗證，得出以下研究結論：
1）直流系統短路故障時，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間，設立分布式電力電子開關，可對支撐電容的電能釋放進行有效控制。
2）出于低電壓穿越控制的需要，直流系統短路故障過程中的電流控制可通過控制DAB模塊單元實現。實現的過程中：①要注意輸出特性由電壓源到電流源形式的轉換，對應的電流控制方法也要對應轉變；②要注意解決電流環被控對象參數不定所帶來的動態特性控制問題，包括系統的穩定性問題。
通過本研究可以發現，對于短路故障發生時，采用支撐電容可分離方法：一方面有效減少了短路故障開始發生時的沖擊電流；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，這樣整個變壓器電路的恢復時間將變得非常短，可大大加快整個直流配電系統的故障再恢復過程。但由于實際現場元器件參數和特性的復雜性，電容器上的能量保持和泄放將是一個非常復雜的過程，電容器殘存電能與再恢復時電路所允許的沖擊電流大小之間的關系等問題有待進一步研究。
本文編自2022年第2期《電工技術學報》，論文標題為“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。
