哈尔滨工业大学 李彬彬，张玉洁等：具备故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器

来源：电力系统自动化

柔性直流电网在解决新能源发电并网、传输和消纳问题方面有广阔的应用前景，但是直流故障处理技术是柔性直流电网发展中亟待解决的瓶颈问题。研制具备直流故障清除能力的高压大容量变换器对于柔性直流电网的发展具有重要意义。小编整理了发表在《电力系统自动化》2020年第5期“柔性直流电网故障的主动控制”专辑中直流变换器拓扑方面的论文，欢迎品读。

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研究背景

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)拓扑的提出，使柔性直流输电技术在过去的十年间得到了飞跃式发展。为了进一步优化能源资源的广域配置以及提升直流系统稳定性，柔性直流输电技术正在向多端化和网络化发展。高效率、轻量化、低成本的高压大容量DC/DC变换器对于直流电网的构建与发展具有重要意义。此外，直流故障的处理是直流电网技术中无法回避的关键问题，鉴于现阶段高压直流断路器成本仍较为高昂，如果能够将直流断路器的故障阻断功能集成到高压大容量DC/DC变换器中，将会更具应用价值。在这一背景下，本文提出了一种具备故障阻断能力的DC/DC变换器拓扑，利用晶闸管的电压阻断能力实现直流故障保护，具有成本低、效率高的优点。

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DC/DC变换器拓扑结构与工作原理

2.1  拓扑结构及工作原理

如图1所示为具备故障阻断能力的DC/DC变换器的拓扑结构，由三相结构相同的电路并联构成，每相电路包含两组反并联晶闸管和一个储能桥臂，其中UL和iL分别为低压侧电压电流；UH和iH分别代表高压侧电压电流。每组晶闸管实际包含一系列相串联的晶闸管单元。每个桥臂由N个结构相同的半桥子模块与一个电感串联而成，每个子模块则由2个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)与1个电容器构成。各相桥臂电流控制成梯形波，三相交错运行互差120°电角度，消除了直流侧电流纹波，通过对晶闸管施加触发信号控制储能桥臂与高压侧和低压侧交替连通，实现高压侧电压UH与低压侧电压UL之间功率的传递。同时利用储能桥臂对电流的控制能力，实现晶闸管开通、关断过程的电流换向。晶闸管具有导通损耗小、成本相对较低以及串联技术成熟的优势，当直流侧发生故障时闭锁子模块和晶闸管，即能够实现故障阻断功能。

图1  具备故障阻断能力的DC/DC变换器拓扑结构

2.2  如何实现故障保护？

高压直流输电工程中直流侧短路故障是极为严重的故障工况，本文以DC/DC变换器高压侧线路发生短路故障时a相电路为例进行分析，并根据故障发生时桥臂与故障点是否连接分为如下2种情况。

1) 桥臂与故障点无连接：如图2(a)所示，当检测到短路故障后，闭锁子模块和所有晶闸管，使得原本导通的晶闸管T11a承受(NUC–UL)的反压而快速关断，实现故障阻断的功能。

2) 桥臂与故障点有连接：如图2(b)所示，此时晶闸管T12a导通，故障闭锁后，而桥臂电感中还储存的一定能量，将通过子模块IGBT的反并联二极管经T12a向故障点续流。直至电感电流放电至零，晶闸管T12a关断，电路与故障点完全断开。

图2  高压侧短路故障时DC/DC变换器a相电路图

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控制策略

为保证该DC/DC变换器的稳定运行，需要对其进行有效的控制。首要目标是控制变换器一侧输出的直流电压或功率，具体通过调节桥臂中投入子模块的数目，从而控制向直流侧提供的电流来实现。另一方面，变换器各桥臂中电容器存储的能量必须保持稳定，这通过闭环调节从DC/DC变换器另一侧直流线路上吸收的功率来实现。而本文中对于直流故障的判断则较为简单，即低压侧电压是否低于设定阈值、高压侧电压是否低于设定阈值以及晶闸管是否可靠关断。

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仿真分析

为了验证所提出DC/DC变换器的正确性，本文在MATLAB/Simulink中进行了仿真验证，其中UL=200 kV，UH=300 kV，传输容量P=150 MW，每个子模块电容电压为2.3 kV，每个桥臂有144个子模块，仿真结果如图3所示。在0至t0期间，从低压侧向高压侧传递150 MW功率，变换器工作稳定，波形平稳。在t0至tw期间，高压侧电压开始跌落，故障电流快速上升；在tw时刻，高压侧直流电压跌落至故障阈值电压，变换器识别出故障，随即闭锁所有子模块驱动信号与晶闸管的触发信号。在DC/DC变换器闭锁后，桥臂电流逐渐减少到零，实现了故障的阻断。整个仿真过程中，稳态期间波形保持平滑，DC/DC变换器运行稳定，故障之后能够快速、及时地阻断故障电流。

图3  具备故障阻断能力的DC/DC变换器仿真结果

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结语

本文提出了一种具备故障阻断能力的DC/DC变换器，利用子模块串联与晶闸管串联的方式，实现高压大功率的直流变压功能，具备成本低、体积小、效率高的优点，特别当发生直流短路故障时，通过闭锁子模块驱动信号和晶闸管触发信号，即可实现故障阻断，防止故障传播，无需额外引入直流断路器。这一DC/DC变换器有助于推动多电压等级直流电网的发展。