西安交通大学 乔扬，张笑天，杨旭：直流变压器如何实现硬件故障限流

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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直流变压器的诞生

近年来，为了降低远距离输电的成本，高压直流（HVDC）输电得到了快速的发展。同时，为了应对新能源发电并网和电动汽车充电的需求，低压直流（LVDC）配电系统有着广阔的前景。HVDC 输电和LVDC 配电的发展推动了直流电网的发展，也促进了直流变压器的发展。

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什么是直流变压器？

传统的交流变压器可以实现大范围的升压和降压，从而可以连接交流电网中的高压输电线路和低压配电线路。同样，直流电网也需要一种设备去连接HVDC输电线路和LVDC配电线路。然而，由于磁芯饱和的原因，传统的变压器无法用于直流电网。所以，当前最为迫切的任务是找到一种可以实现大范围DC/DC变换的设备。

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交流电网的故障限流问题

电网中最严重的故障莫过于短路故障。在交流电网中，输电线路和配电线路上都配置有较大的电抗器。所以，线路的感抗较大。当输电线或者配电线发生短路故障时，短路电流上升的比较慢，从而给断路器和限流器预留了足够的时间来切断电流。此外，短路后的交流电流依旧有过零点，在电流过零点切断电流可以缓解断路器的电火花问题。

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直流电网的故障限流问题

然而，直流电网中的短路故障比交流电网严重很多。为了提高直流电网的效率，线路上的电阻接近为零。一旦发生短路故障，电流迅猛上升，而且没有过零点。所以，至今还没有一款成熟的直流断路器或者直流限流器可以安全地切断短路电流。短路电流的上升首先会烧毁连接在HVDC线路和LVDC线路的直流变压器。如何保护直流变压器在短路故障下安全运行成了直流变压器研究的热点问题。

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什么是自动限流?

电网中传统的故障限流大都是软件限流，即检测到短路故障后告知控制芯片，再由控制芯片去关闭相应的开关。如前文所述，直流电网的短路电流上升很快，能在很短时间内烧毁直流变压器。然而，一个完整的软件限流过程包括检测、滤波、模数（A/D）转换、芯片内运算、数模（D/A）转换、驱动电路、关闭开关。这些环节合在一起会带来较大的反应延时，即直流变压器会在限流保护动作之前烧毁。为了解决这个问题，硬件限流是一个很有前景的方案。如果直流变压器内部本身有着较大的阻抗，哪怕在不加保护电路的情况下，也能实现故障限流。

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硬件限流的直流变压器拓扑

为了提高直流变压器效率，其内部阻抗不能是电阻，只能是感抗。感抗只能限制交流电流的上升，所以此类直流变压器的结构一般是直流/交流/直流（DC/AC/DC）类型，并且阻抗单元需要安置在交流环节。考虑到上述要求，双有源桥（DAB）拓扑是一个不错的选择。DAB电路内部的阻抗是变压器漏感，而且DAB的正常工作也需要较大的变压器漏感。然而，由于开关管电压应力的限制，DAB电路无法用于HVDC线路。而目前在HVDC线路中应用成熟的模块化多电平变流器（MMC）可以解决这一问题。所以，本次研究的电路拓扑是由高压侧的MMC和低压侧的DAB电路组成的，如图1所示。

图1  具有硬件限流能力的直流变压器拓扑

该电路分为2个部分：在高压侧，电路由2个子模块阀串和2个阀串电感构成; 在低压侧，电路由一个有源全桥构成。左右两侧通过变压器连接，电感L为变压器的漏感。其中，每个阀串由若干个半桥子模块串联而成，每个子模块由一对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和子模块电容组成。

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正常工作原理

当子模块上管开通时，对应的子模块电容被串联接入中压侧；当子模块下管开通时，对应的子模块电容被旁路，所以通过控制开关管就可以控制子模块电容的串入或者旁路。该电路有着多种工作模式，本文将着重介绍其三电平工作模式。通过控制电容的切入和切出，阀串电压可以产生一个三电平电压。此时，由基尔霍夫电压环路定理（KVL）可知，MMC的交流测电压是一个近似纯交流的三电平电压。通过控制有缘全桥的开关管，可以在变压器原边产生另一个纯交流的三电平电压。类似交流输电的原理，通过控制两个电压之间的相位关系，功率传输的方向便可以得到控制了。

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故障限流原理

短路故障主要分为2种主要类型：高压侧短路和低压侧短路。无论那一侧短路，流经直流变压器的电流都会被变压器漏感所限制。通过理论计算和仿真研究，当之前提到的2个三电平电压的高低电平占空比都为2/3时，短路故障下的电流峰值和正常工作时相等。图2是电路发生短路瞬间流过变压器的电流波形，其中在t=25 ms发生了低压侧短路，在t=50 ms发生了高压侧短路。

图2  短路时刻的仿真波形

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存在的不足和今后的研究方向

虽然三电平工作可以实现短路电流的限制，但是其最大传输功率只有两电平工作时的2/3。也就是说为了获得限流能力，该直流变压器的功率密度相应的会降低。如何在限流能力和功率密度之间寻找一个最优的平衡点是一个可以继续研究的方向。