基于 MMC 的配电网电力电子变压器接地设计及故障特性分析

发布时间：2021-12-13所属分类：电工职称论文浏览：1次

摘 要： 摘要：对基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的配电网电力电子变压器在发生交流输入侧单相接地故障、中压直流侧单极接地故障、低压直流侧单极接地故障以及交流输出侧单相接地故障下的故障特性进行了分析。参考 MMC-UPFC、MMC-HVDC 以及低压交流

　　摘要：对基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的配电网电力电子变压器在发生交流输入侧单相接地故障、中压直流侧单极接地故障、低压直流侧单极接地故障以及交流输出侧单相接地故障下的故障特性进行了分析。参考 MMC-UPFC、MMC-HVDC 以及低压交流配电网现有的接地方案，提出适用于配电网电力电子变压器的接地方式：交流输入侧接地变压器接地、交流输入侧大电抗接地、中压直流侧大电阻接地、低压直流侧电容中点接地以及交流输出侧接地变压器接地。对上述接地故障在不同接地方式下的故障特性进行了对比分析，并通过 PSCAD 仿真平台对所分析接地方式及故障特性进行了仿真验证。最后，基于故障特性分析结果并考虑目前的制造技术，提出了输入侧、输出侧分别采用接地变压器接地作为目前配电网电力电子变压器接地方式的建议。

　　关键词：电力电子变压器;接地故障;接地设计;故障特性

　　0 引言

　　电力电子变压器(power electronic transformer， PET)又称固态变压器(solid state transformer，SST)，是一种利用电力电子变换技术与电磁感应原理实现电能高效传输及变换的新型变压器，除具有传统变压器的基本功能以外，还可实现潮流控制、无功补偿以及电能质量控制等多种功能。此外，电力电子变压器也可作为能源互联网中的能量路由器实现电能在多源、多负荷之间的传输及变换。

　　电力电子变压器的概念自提出以来，得到国内外的广泛关注，但目前的研究主要集中在拓扑结构设计[1-2]、控制策略[3-4]、新型功率器件应用[5]、使用场合[6-8]以及电能优化[9-10]等方面，而对其接地设计及故障特性方面的研究较少。文献[11]对电力电子变压器中的功率开关元件在短路与开路故障下的故障特性进行了分析，但对输入侧交流母线故障以及中压/低压直流母线故障没有进行研究;文献[12]中对级联 H 桥(cascaded H bridge，CHB)型电力电子变压器的故障特性进行了分析总结，但此分析结果只适用 CHB 结构的电力电子变压器，而对研究相对较多的模块化多电平(modular multilevel converter，MMC)结构的电力电子变压器拓扑没有涉及。在 MMC 的接地研究方面，文献[13]针对基于 MMC 的统一潮流控制器(modular multilevel converter based unified power flow controller，MMCUPFC)，提出了联接变压器阀侧绕组星接接地、交流侧大电抗接地和交流侧接地变压器接地 3 种可行的接地方式，并进行了相应的故障特性分析;文献[14]对模块化多电平换流器高压直流输电系统 (modular multilevel converter based high-voltage direct current，MMC-HVDC)的接地方式进行了研究，采用了联接变压器阀侧绕组星接接地、交流侧大电抗接地 2 种接地方式。

　　结合国内外研究现状可知，针对基于 MMC 的配电网电力电子变压器故障特性分析较少，而对于其接地方式的研究几近空白。接地方案设计及故障特性分析对于研究系统过电压水平、绝缘配合以及保护系统设计都具有重要意义，是系统设计中一个非常重要的环节。为此，本文针对基于 MMC 的配电网电力电子变压器的故障特性及接地方式开展研究，参考 MMC-UPFC、MMC-HVDC 以及低压交流配电网现有接地方案，提出适用于 MMC 型配电网电力电子变压器的接地方式并进行故障特性分析，对比不同接地方式下的优劣，给出接地设计建议，为基于 MMC 的配电网电力电子变压器的接地设计提供参考。

　　1 电力电子变压器拓扑、接地方式及故障类型

　　1.1 电力电子变压器拓扑

　　电力电子变压器目前主要有基于 CHB 结构和基于 MMC 结构的 2 种拓扑，其中基于 MMC 结构的电力电子变压器可以显著减少高频变压器以及功率开关的数量，体积和重量优势更加明显[15]。本文选取此种类型的电力电子变压器为研究对象，分析其接地方式及故障特性。

　　本文所选取的基于 MMC 型的配电网电力电子变压器拓扑如图 1 所示。图 1 中：UdcM、UdcL分别表示中压和低压直流母线电压，ua、ub、uc 表示交流输入侧三相电压，L0表示桥臂电感，CM、CL分别表示中压和低压直流母线电容。电力电子变压器分为输入级、隔离级和输出级，输入级采用 MMC 结构，子模块选取半桥子模块，隔离级采用双有源桥 (dual active bridge，DAB)结构，主要包括原副边 H 桥和高频变压器，输出级采用三相逆变器。

　　1.2 接地方式

　　接地设计的目的是为装置提供一个参考电位，避免发生电位悬空，危害系统安全。MMC-UPFC 和 MMC-HVDC 的接地设计只涉及 MMC 环节，而电力电子变压器不仅需要考虑输入级 MMC 的接地方案，同时需要考虑低压输出侧的接地方案。因此，本文从电力电子变压器输入输出角度全面考虑，设计其接地方案。结合国内外研究现状，针对 MMC 的现有接地方式有联接变压器阀侧绕组星接接地、交流侧大电抗接地、交流侧接地变压器接地和直流侧大电阻接地等方式。对于配电网电力电子变压器而言，不存在联接变压器，并且其上级变压器阀侧绕组为三角形接线方式，不存在中性点，因此 MMC 接地方式中的联接变压器阀侧绕组星接接地不适用于配电网电力电子变压器。交流侧大电抗接地和直流侧大电阻接地是 MMC 通常采用的接地方式，而交流侧接地变压器接地在中压配电网得到了广泛应用[13]，因此，本文对基于 MMC 的配电网电力电子变压器输入级探讨以上 3 种接地方式的优劣并进行故障特性分析。电力电子变压器的低压输出侧包含低压直流母线和输出逆变器，低压直流母线依靠 DAB 副边电容支撑，因此可通过电容中点构造接地点[16]。低压交流配电网目前广泛应用的是 Dyn11 和 Yyn0 2 种接线方式的变压器[17]，两者均通过变压器二次绕组中性点接地，考虑到低压逆变器的特殊性，其不含中性点，因此也可通过接地变压器构造中性点进行接地。电力电子变压器输入侧与输出侧的接地方式示意图如图 2 所示。图 2：X0、 R0 分别表示接地变压器的零序漏抗和接地电阻; XS、RS 分别表示大电抗接地时的电抗值和接地电阻;RC表示直流侧接地电阻;Z 表示传输线阻抗。

　　1.3 故障类型

　　电力电子变压器存在多级换流环节，换流器及电力电子器件较多，其可能出现的故障类型包括输入侧交流母线故障、中压直流侧母线故障、低压直流侧母线故障、交流输出侧故障以及电力电子器件故障等。在各类故障中，其故障特性与接地方式关联较大的为输入侧交流母线单相接地故障、中压直流侧母线单极接地故障、低压直流侧母线单极接地故障以及输出侧交流母线单相接地故障，其他故障类型与接地方式关联性较弱，因此，本文重点研究上述 4 种接地故障在不同接地方式下的故障特性并进行仿真分析。

　　本文所建立的电力电子变压器仿真模型中，输入级 MMC 采用双闭环定直流电压解耦控制，隔离级采用开环控制，输出级逆变器同样采用双闭环解耦控制，仿真参数见附录表 1。需要说明的是，在实际的工程应用中，当发生故障时会出现过电压、过电流，电压电流超过限值后保护动作，本文的研究重点在于不同接地方式下的故障特性，暂不考虑保护动作的影响。

　　2 输入侧交流母线单相接地故障

　　2.1 故障分析正常情况下 MMC 的等效电路如图 3 所示。图 3 中：uap、ubp、ucp、iap、ibp、icp 表示 MMC 三相上桥臂电压和电流;uan、ubn、ucn、ian、ibn、icn 表示 MMC 三相下桥臂电压和电流;Udc表示MMC 直流侧电压。

　　3 中压直流侧母线单极接地故障

　　3.1 故障分析

　　系统在交流侧进行接地设计时，直流侧发生单极接地故障的故障电流回路如图 6 所示，图中的接地装置可以为接地变压器，也可以为星接大电抗，由于正负极直流母线分析类似，本文以正极直流母线接地故障为例进行分析。

　　3.2 仿真验证

　　系统采用交流侧接地变压器和星接大电抗接地时的直流侧单极接地故障特性相似，以接地变压器为例给出仿真结果，如附录图 4 所示，仿真中设计 0.3 s 触发故障。

　　由附录图 4 可知，直流侧发生单极接地故障以后，接地极直流电压降为 0，由于电力电子变压器输入级 MMC 采用的是定直流电压控制，为维持直流电压，非接地极电压升高至故障前的 2 倍;故障接地点与交流侧接地装置之间形成放电回路，故障极直流电流由于桥臂电容放电而增大;接地极一侧桥臂电容处于放电回路之中，因而会放电使得子模块电压降低，但由于定直流电压的控制作用又会对子模块进行充电，因此子模块电压呈现出充放电现象，使得中压直流母线电压电流出现振荡，并引起低压直流母线电压电流波动。

　　此故障下系统采用星接大电抗时与接地变压器的不同之处在于大电抗对故障电流的限制作用，其电流仿真结果如附录图 5 所示。对比附录图 4 可知，由于交流侧大电抗的作用，此时的中压直流母线电流及交流输入电流上升率得到了限制，电流增速变缓。

　　随着交流侧接地装置接入电阻的增大，放电回路电流受到限制而减小。附录图 6 为不同接地电阻时的故障电流有效值随时间的变化关系。通过与式 (4)和图 8 对比可知，理论分析的结果与仿真结果基本一致。交流侧接地装置的接入电阻足够大或者采用直流侧大电阻接地时，由于大电阻的箝位作用，使得交流以及直流系统的电位参考点发生变化，以直流侧采用大电阻接地为例，此时的仿真结果如附录图 7 所示，交流侧电压与式(10)分析结果一致，电位参考点变为Udc/2;故障电流受到限制，因此输入电流故障前后基本不变;直流接地极电压降为 0，非接地极电压升高为故障前的 2 倍。

　　4 低压直流侧母线单极接地故障

　　电力电子变压器的低压交流母线通过电容支撑，因此可通过电容中点构造接地点。当电力电子变压器应用于低压直流配电网时，系统发生低压直流母线单极接地故障后，接地极电容会迅速放电而产生过电流冲击，低压直流电压则全部通过非接地极电容支撑，需要其具备较强的绝缘水平。低压直流母线接入直流负荷发生正极接地故障后的仿真结果如附录图 8 所示。

　　从附录图 8 中可以看出，0.3 s 低压直流侧发生正极接地故障后，正极直流母线出现冲击电流，并引起交流输入侧以及中压直流母线出现短暂的过电流;正极电压降为 0，负极直流电压升高至故障前的 2 倍，故障极电容放电结束后，除低压直流母线电压之外，各级电压电流恢复正常。因此，低压直流侧接入直流负荷发生单极接地故障之后，系统仍可正常运行，但需加强电容绝缘强度。

　　低压直流母线接入 VSC 逆变器之后发生单极 (以正极为例)接地故障时，接地极与交流输出中点连接形成直流通路，与此同时，由于低压直流接地极电压为 0，因此逆变器输出中含有UdcL/2 的直流偏置电压，将会在此通路中产生较大的直流电流，从而引起低压直流母线过电流，并受三相交流输出影响，直流母线电流出现 3 倍频波动。低压直流母线的过电流同时会传递到中压直流母线以及交流输入侧，因此电容中点接地时，对于交流配电负荷而言会对系统产生较大影响，不利于系统的安全稳定运行。此时的仿真结果如附录图 9 所示，仿真中设定 0.3 s 触发故障。

　　系统采用交流侧接地变压器接地时，发生单极接地故障后的故障电流回路如图 9 所示。故障发生后，接地极直流母线与接地变压器之间通过逆变器三相桥臂形成放电回路，同样会在直流母线中产生过电流，但此部分过电流可通过增加接地变接入电阻进行限制。其仿真结果如附录图 10 所示，中压和低压直流电流为接地变接入 1 Ω 和 3 Ω 2 种情况下的结果，由于此时对直流母线电压影响很小，因而只给出 1 Ω 时的直流电压结果。

　　根据附录图 10 中的仿真结果可知，增大接地变接地电阻之后有效的限制了放电电流，并且该种接地方式发生低压直流母线单极接地故障后对系统的影响不大，虽然低压直流电压出现参考电位的变化，但是低压直流电容承受总电压不变，无需特殊考虑其绝缘强度。

　　5 输出侧交流母线单相接地故障

　　低压直流侧采用电容中点构造接地点时，发生输出侧交流母线单相接地故障后的电流回路如图 10 所示。以 C 相故障为例给出电流回路，故障后，接地故障点会通过 C 相上下桥臂与直流侧电容形成放电回路。由于上下桥臂交替导通，因而低压正负极直流母线会出现非同步工频振荡，受其影响，中压直流正负极母线电流则出现 2 倍频反向振荡，进而引起交流输入电流严重畸变。因此，该接地方式下发生输出侧交流母线单相接地故障会对整个电力电子变压器系统产生严重影响。此时的仿真结果如附录图 11 所示。

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　　系统在逆变器输出侧采用接地变压器接地，发生交流侧单相接地故障后的仿真结果如附录图 12 所示。从附录图 12 可以看出，该接地方式下发生交流侧单相接地故障后与交流输入侧发生单相接地故障后的故障特性相似，接地相电压变为 0，非故障相电压升高为线电压;与此同时，低压直流母线正负极电压出现同步正弦波动，因此极间电压保持不变，其余各级电压电流基本未受影响。

　　6 不同接地方式对比分析

　　6.1 输入侧接地对比

　　系统发生交流输入侧单相接地故障时，由于电力电子变压器隔离级的电气隔离作用，使得交流侧接地变压器接地和大电抗接地在故障后系统的零序网络中不包含电力电子变压器本身;交流侧大电抗由于其较大的电抗值从而使得零序电流受到限制，不利于保护动作，而接地变压器的零序漏抗较小，故障电流增大，使得传输线出现过电流现象;直流侧大电阻接地在故障后的零序网络中包含电力电子变压器的输入级 MMC 部分，但由于极大的直流侧接地电阻而限制了 MMC 桥臂电容的放电电流。

　　系统发生中压直流母线单极接地故障时，交流侧接地变压器接地和大电抗接地方式下，故障点与交流侧接地点形成故障放电回路，桥臂电流应力增大，交流输入电流以及中压直流母线电流均出现过电流，并伴随着由于桥臂电容的充放电引起的直流母线电压电流振荡;大电抗接地方式相比于接地变压器接地，由于大电抗的作用，使得故障电流上升速度减缓;直流侧接地时，则由于大电阻取值很大，使得故障后改变的仅是系统的交流侧电位参考点和中压直流母线的电压水平，未形成故障放电回路。

　　交流侧接地变压器接地可以实现小阻抗接地，对于交流侧单相接地故障和直流侧单极接地故障均可通过调节接入电阻的值而获得良好的接地性能，应用更加灵活。交流侧大电抗接地和直流侧大电阻接地均为大阻抗接地方式，对故障回路放电电流具有较大的限制作用，接地变压器接地则可通过改变接入电阻获得基本相同的性能。

　　在制造技术方面，国内对于接地用的大电抗制造经验不足，相对比较落后，且大电抗尺寸质量较大，占地面积大，安装困难[13-14];直流侧大电阻接地功耗较大，存在散热困难的问题，并且大功率电阻制造较为困难;对于接地变压器，虽然高压接地变压器目前国内技术还不成熟，但中压接地变压器已在配电网中得到了广泛的应用，拥有成熟的制造技术，并且接地变压器还具有成本低、无功损耗小、可靠性高、接线简单等优点。因此，结合故障特性分析结果及现阶段的制造技术，建议在目前配电网电力电子变压器应用中采用交流输入侧接地变压器接地方式。

　　6.2 输出侧接地对比

　　若电力电子变压器应用于低压直流配电网，采用电容中点进行接地时，低压直流母线发生单极接地故障后，由于此时仅仅造成接地极一侧电容形成短路回路，其放电结束后系统各级电压电流可以恢复正常，但需加强低压电容绝缘强度。综上，该种接地方式适用于直流配电网。

　　若电力电子变压器应用于低压交流配电网，低压直流母线发生单极接地故障后，采用电容中点进行接地时会产生严重过电流，对系统输入输出均影响较大;而采用交流输出侧接地变压器接地时，单极接地故障下的放电回路可通过接地变接入电阻进行限制，对系统影响较小。

　　交流输出侧发生单相接地故障后，采用电容中点进行接地时，正负极电容会通过逆变器桥臂交替放电，导致低压交流母线电压电流非同步振荡，进而引起中压直流母线电流振荡以及交流输入电流畸变，对系统正常运行影响很大;而采用交流输出侧接地变压器接地时，单极接地故障后低压直流母线出现同步工频正弦振荡，但极间电压保持不变，并且对系统其他环节的影响很小。

　　根据以上对比分析可知，电力电子变压器应用于直流配电网可采用低压电容中点接地，应用于交流配电网时，采用电容中点接地会在低压直流单极接地和交流输出单相接地故障下对系统产生严重影响，因而不建议采用此种接地方式;相对于低压电容中点接地，采用输出侧接地变压器接地在以上 2 种接地故障下对系统的影响较小，因而建议选取该种接地方式作为电力电子变压器输出侧的接地方案。——论文作者：周廷冬，徐永海，吕晓慧