卓超然 張笑天 張 雄 楊 旭

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

卓超然 張笑天 張 雄 楊 旭

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049）

直流配電系統(tǒng)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(shè)備二次恢復(fù)運行速度慢等問題。該文針對直流配電網(wǎng)中目前存在問題進(jìn)行分析，提出一種主動控制實現(xiàn)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?fù)涞母倪M(jìn)，并輔以相應(yīng)的輸出電流主動控制方法，實現(xiàn)在發(fā)生直流短路故障時切除變壓器內(nèi)部的支撐電容，使該儲能元件中的能量不再對線路產(chǎn)生沖擊大電流。同時，該方法可對電流實現(xiàn)快速跟蹤控制，以滿足新能源發(fā)電設(shè)備實現(xiàn)低電壓穿越時的電流控制需要。最后通過仿真和硬件在環(huán)實驗驗證了該文所提方法的正確性。

電力電子變壓器 支撐電容 短路故障 限流

0 引言

直流輸配電系統(tǒng)因具有輸配電容量大、損耗小、供電品質(zhì)高等優(yōu)點引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注[1]。在直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中，用到大量各種電力電子設(shè)備進(jìn)行電能變換，目前的技術(shù)現(xiàn)狀是這些設(shè)備多采用電壓源控制模式[2]，使整個直流電網(wǎng)呈現(xiàn)低阻尼特性[3-4]，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?fù)涞幕咎卣魇窃谳敵鰝?cè)接有額定值較大的支撐電容[5]，當(dāng)外界線路發(fā)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(chǎn)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[6]。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(fā)現(xiàn)了新的問題[7-9]。另外，隨著新能源發(fā)電的發(fā)展，低電壓穿越功能在連接新能源發(fā)電與并網(wǎng)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[5]。顯然，依靠線路加裝電感的方法去實現(xiàn)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(guān)[10-12]。

本文結(jié)合直流配電網(wǎng)中電力電子變壓器裝置的基本拓?fù)鋄13]，提出了一種電路拓?fù)渥儞Q及輸出電流控制的新方法。短路故障發(fā)生時，切除直流側(cè)的支撐電容，同時對變流裝置的輸出電流進(jìn)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(xiàn)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(nèi)完成的，電容切除開關(guān)的容量無需很大，用主電路同容量的IGBT即可實現(xiàn)。

本文基于雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）模塊電路模塊構(gòu)成電力電子變壓器電路拓?fù)洌岢隽艘环N采用切除支撐電容的DAB電路，并對其控制原理進(jìn)行了詳細(xì)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(chǔ)上，對短路故障發(fā)生后的電流控制方法進(jìn)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(wěn)定性；并構(gòu)建相應(yīng)的半實物仿真實驗系統(tǒng)對所做的工作進(jìn)行驗證，本文的結(jié)果為直流配電網(wǎng)的短路故障保護提供了一種新方法。

1 工作過程分析及電路拓?fù)涓倪M(jìn)

直流配電系統(tǒng)中，不同電壓等級的電網(wǎng)連接以及新能源發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)可采用直流變壓器實 現(xiàn)[14]，圖1給出了含新能源發(fā)電系統(tǒng)在內(nèi)的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。考慮到設(shè)備制造企業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀，目前國內(nèi)直流變壓器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是采用基于DAB的直流變換電路，通過輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)（Input Series- Output Parallel, ISOP）方式連接組成[15]，通過基本DAB模塊之間的級聯(lián)方式連接，即可擴大電壓等級和電流輸出容量[16]。這類電路結(jié)構(gòu)模塊化強，組合靈活，可控制性強。采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，業(yè)界制作的直流變壓器效率目前已達(dá)97%（硅基器件）或98%（碳化硅器件）以上[7]，并通過各種技術(shù)改進(jìn)繼續(xù)提升效率指標(biāo)。

圖1 含新能源發(fā)電系統(tǒng)在內(nèi)的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

DAB模塊中輸出電流、支撐電容電流及總輸出電流如圖2所示，可以看出，DAB模塊電路兩端接有額定值較大的支撐電容。由于采用串、并組合連接（ISOP），其輸出和輸入端口均呈現(xiàn)大電容特性，一方面起電壓紋波濾波作用；另一方面保障變流器自身的電壓源特征。

圖2中，在直流變壓器對負(fù)荷正常供電時，由于是電壓源型輸出，變壓器的輸出電流將會根據(jù)負(fù)荷所需功率大小進(jìn)行調(diào)整。在負(fù)荷相對穩(wěn)定時，變壓器輸出電流也將維持基本不變；但是，當(dāng)變壓器外接線路發(fā)生短路故障時，由于線路阻抗很小，變壓器中支撐電容能量的釋放，將會產(chǎn)生巨大的沖擊電流。為抑制該電流，可在變壓器出口處串接限流電抗器和直流斷路器。限流電抗器用來限制短路故障發(fā)生時短路電流的上升率，給斷路器動作提供緩沖時間；斷路器則用來切斷供電電路，實現(xiàn)線路保護。這種限流保護方案可滿足系統(tǒng)保護，但對于新能源發(fā)電用變壓器，在實現(xiàn)低電壓穿越功能時，這種限流保護方案是無法滿足要求的。

圖2 DAB模塊中輸出電流、支撐電容電流及總輸出電流

可以看出，DAB模塊中合理處理支撐電容的能量對保障設(shè)備安全及電流控制至關(guān)重要。目前，DAB模塊中電容上的能量在短路故障發(fā)生時是不可控的，也就造成輸出電流波形的不可控。但如果能在短路發(fā)生時將支撐電容從電路拓?fù)渲星谐瑒t這部分能量將不會被釋放進(jìn)而產(chǎn)生沖擊電流，變壓器的輸出電流大小將由變換器自身輸出決定，這將加快變壓器輸出電流的可控性，并且借助于變壓器內(nèi)在的電流環(huán)控制，實現(xiàn)直流變壓器設(shè)備的低電壓穿越功能。同時，由于支撐電容中的能量沒有被釋放，當(dāng)變壓器恢復(fù)正常運行時，則無需重新充電，將加快變壓器的恢復(fù)過程?；谠撛O(shè)想，提出了一種采用IGBT電力電子開關(guān)實現(xiàn)的支撐電容可分離DAB電路如圖3所示。

圖3中，QSCAP為實現(xiàn)支撐電容可分離所加裝的IGBT電力電子開關(guān)，注意IGBT方向，它是反向接入電容支路的。DAB電路正常工作時，QSCAP置為導(dǎo)通狀態(tài)，支撐電容out充電時，電流由正母線經(jīng)過QSCAP內(nèi)置二極管流進(jìn)電容out；out需要放電時，

電流由QSCAP內(nèi)置IGBT流向正母線。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，迅速給IGBT發(fā)出截止控制指令，將IGBT制為截止?fàn)顟B(tài)。IGBT截止后，支撐電容out將無法把電容上的電能釋放到外接短路線路上去。這個過程需要的時間非常短，IGBT關(guān)斷時間約1～2ms，直流電流霍爾傳感器響應(yīng)時間也在1ms，這樣電容切除的時間可在3～5ms內(nèi)實現(xiàn)，短路電流初期階段的峰值及其不可控時間降低到3ms以內(nèi)。IGBT閉鎖后，就可借助DAB電路，其輸出的電流大小可以完全被控制。

圖3 電力電子開關(guān)控制支撐電容可分離的DAB電路

需要注意的是，電容切除前后DAB電路的輸出性質(zhì)將發(fā)生變化，由原來的電壓源型變換器變成了電流源型變換器。

2 支撐電容切除后輸出電流控制方法

2.1 線路短路故障發(fā)生后DAB電路結(jié)構(gòu)的變化

在圖3中，DAB電路中加裝投切開關(guān)QSCAP后，輸電線路發(fā)生短路故障時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令閉鎖QSCAP開關(guān)，DAB電路中的支撐電容out被剝離出，DAB電路變成一阻抗性負(fù)載供電的全控整流橋電路形式。

對于DAB電路而言，可以控制的變量有：變壓器一次側(cè)逆變橋中的4個IGBT，二次側(cè)整流橋的4個IGBT以及中頻變壓器一次、二次側(cè)之間電壓相位差。結(jié)合線路短路工作狀態(tài)進(jìn)行分析可知，當(dāng)線路發(fā)生短路故障后，由于線路的阻抗值很小，要想實現(xiàn)低電壓穿越時的電流控制，DAB變壓器二次側(cè)整流橋輸出電流將被控制在較小的數(shù)值。對于整流橋電路，其輸出電壓最小值是其自然整流狀態(tài)時對應(yīng)的整流電壓。為簡化控制，當(dāng)DAB電路進(jìn)入短路故障狀態(tài)下工作時，將變壓器二次側(cè)整流橋的4個IGBT驅(qū)動全部封鎖，使其成為二極管自然整流電路，整個DAB電路的輸出電流將由變壓器一次側(cè)逆變橋控制，可采用移相法對逆變橋的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于二次側(cè)整流橋而言，有兩種工作狀態(tài)：①高頻變壓器同名端為正向或負(fù)向輸出時，電路呈現(xiàn)為單相二極管外接LR整流電路；②變壓器無輸出時表現(xiàn)為一LR續(xù)流電路。電路表現(xiàn)為一帶LR負(fù)荷性質(zhì)的整流橋電流控制模式，與正常工作時的電壓源形式不同，圖4給出短路故障發(fā)生后拓?fù)涞淖兓安煌瑫r刻電流回路。

圖4 短路故障發(fā)生后拓?fù)涞淖兓安煌瑫r刻電流回路

圖4中，實線箭頭表示變壓器一次側(cè)逆變橋S1、S4導(dǎo)通時電流的流向通道，以及對應(yīng)的變壓器二次側(cè)橋經(jīng)過S5、S8體內(nèi)二極管進(jìn)行整流的電流通道；虛線箭頭表示變壓器一次側(cè)逆變橋S2、S3導(dǎo)通時電流的流向通道，以及對應(yīng)變壓器二次側(cè)橋經(jīng)過S6、S7體內(nèi)二極管進(jìn)行整流的電流通道；點線箭頭表示當(dāng)變壓器一次側(cè)逆變橋4個主管均不導(dǎo)通時，對應(yīng)變壓器二次側(cè)橋經(jīng)過S5、S6、S7、S8體內(nèi)二極管續(xù)流時的電流流向工作情況。

綜上所述，DAB電路在支撐電容切除后，輸出電流的控制通過DAB變壓器一次側(cè)整流橋的錯相移位控制來完成，通過DAB的變壓器一次側(cè)逆變橋控制，調(diào)節(jié)中頻變壓器輸出電壓，進(jìn)而控制整個DAB電路的輸出電流。

2.2 支撐電容切除后電路等效模型

通過前面分析可以看出，以支撐電容投切開關(guān)QSCAP動作時刻為界，DAB電路的輸出外特性由電壓源變成了電流源，不難發(fā)現(xiàn)有兩點：

（1）DAB電路結(jié)構(gòu)變化后，因為沒有了支撐電容電壓的作用，出于實現(xiàn)低電壓穿越特性的需要，此時DAB電路的任務(wù)是控制其輸出電流。將變壓器二次側(cè)整流橋中的IGBT驅(qū)動置0關(guān)斷，全控整流橋等效為單相二極管整流電路，輸出電流的控制通過變壓器一次側(cè)整流橋的錯位移相控制完成。

（2）移除支撐電容后，如果考慮電流斷續(xù)、連續(xù)等各種非線性情況，則DAB輸出電流的控制將有多種控制方法可以實現(xiàn)。為簡化分析過程，本文只選取DAB輸出電流完全連續(xù)的情況，不考慮電流斷續(xù)或臨界狀態(tài)。

設(shè)short為短路發(fā)生點與DAB輸出側(cè)輸電線等效總電感，short為不同類型短路故障的等效總阻抗，由于DAB電路內(nèi)部的等效電感和阻抗很小，short和short將由短路點到變壓器之間的距離及短路阻抗決定?？紤]線路負(fù)荷，切除支撐電容后的DAB控制等效電路如圖5所示。

圖5 切除支撐電容后的DAB控制等效電路

圖6 L-C-T型DAB等效電路模型

考慮到文中所述DAB控制方式及短路后的線路參數(shù)，此時DAB的控制可以看成是一可變參數(shù)的阻感負(fù)荷單相高頻逆變電路。由于短路點事前未知，電流控制時，負(fù)載參數(shù)Line和short也是未知參數(shù)，不同短路距離的和短路故障類型可使short和short發(fā)生數(shù)倍的變化，輸出同樣數(shù)值的限流電流，變壓器一次側(cè)逆變橋的移相占空比在不同短路距離時也會有很大差異。實現(xiàn)電流控制時會面臨負(fù)載參數(shù)不確定問題，電流控制器的設(shè)計在其類型和參數(shù)上將會變得更加復(fù)雜。

2.3 限流電流控制方法設(shè)計

對于圖6所示的電路，中頻變壓器部分可采用T型阻抗等效電路等效，如圖7所示。

圖7 T型阻抗等效電路

考慮到DAB電路的工作頻率是在幾kHz到幾十kHz，變壓器繞組內(nèi)的等效電阻影響要遠(yuǎn)小于等

效電感的影響，并且由于工作頻率的提高，高頻變壓器內(nèi)的層間電容和寄生電容效應(yīng)的影響不容忽視，圖7等效電路中的各參量表達(dá)式為

式中，in為變壓器一次側(cè)逆變器等效電感；1為中頻變壓器一次側(cè)等效電感；m為中頻變壓器勵磁電

短路故障發(fā)生時，變壓器二次繞組電壓只有短路點到變壓器之間的線路阻抗和短路發(fā)生時短路點的短路阻抗引起的壓降，可表示為

代入式（3）可得

這樣，整個直流變壓器輸出電流2為

將式（1）代入式（6）中，即可得到變壓器一次側(cè)逆變側(cè)輸出控制電壓與直流變壓器在發(fā)生短路時的輸出電流之間的關(guān)系。

可以看出，被控對象的幅頻特性在穿越零dB線時，其相頻特性在-90°附近，并且發(fā)生短路故障的距離越遠(yuǎn)、短路阻抗越大，表現(xiàn)出的系統(tǒng)穩(wěn)定性就越好。但是，系統(tǒng)在高頻段存在3個以上的諧振點，意味著當(dāng)受高頻擾動時可能會不穩(wěn)定。距離故障發(fā)生點越近，則系統(tǒng)越容易進(jìn)入這些諧振點，對控制器的精準(zhǔn)設(shè)計提出了更高要求。由于事前對發(fā)生短路的地點和短路形式未知，雖然整個電流控制系統(tǒng)呈現(xiàn)二階閉環(huán)控制特性，但Line、short兩個參數(shù)的不確定性則會對輸出電流的動態(tài)過程及穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流精度有著較大的影響。

圖8 不同短路點和故障發(fā)生時的系統(tǒng)伯德圖

在極限情況下，近距離時的閉環(huán)系統(tǒng)由于阻抗參數(shù)小，直流電網(wǎng)中出現(xiàn)短路故障后電流上升速度快，若變壓器的限流控制依舊采用普通方法進(jìn)行，則很難保證電流跟蹤的精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性，難以滿足限流與低電壓穿越的穩(wěn)流要求。此時要限制輸出電流2，即控制輸出逆變橋的移相占空比。為解決此問題，本文采用了一種電流最小值爬山自適應(yīng)控制方法對故障時期電流進(jìn)行限流和準(zhǔn)確控制。原理如下：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)短路電流故障時，將DAB變壓器一次側(cè)逆變橋轉(zhuǎn)入移相控制模式，同時將移相占空比取最小值。隨即測取輸出電流2，并等待電流2下降至設(shè)定的最小電流值。當(dāng)檢測到電流不再減小時，則將此時的電流值作為爬山控制算法的起始點，利用積分效應(yīng)，逐步將電流設(shè)定值放大到低電壓穿越時要求的電流限流值。設(shè)計的電流最小值爬山自適應(yīng)控制方法示意圖如圖9所示。同時采用自適應(yīng)控制實現(xiàn)電流控制，相比于一般經(jīng)典控制方法而言，自適應(yīng)控制方法更適合短路后的被控對象參數(shù)的變化，控制質(zhì)量對被控對象參數(shù)的已知依賴性小，可保障直流變壓器的限流及輸出電流控制。

圖9 電流最小值爬山自適應(yīng)控制方法示意圖

3 實驗結(jié)果及分析

為驗證文中提出的電路拓?fù)浜涂刂品椒ǖ恼_性，本文構(gòu)建基于dSPACE和Plecs RT-box平臺的硬件在環(huán)實驗系統(tǒng)，實驗平臺如圖10所示，dSPACE用于實現(xiàn)控制算法和PWM控制脈沖形成，Plecs RT-box用于實現(xiàn)電力電子變壓器主電路，直流輸出線路采用R-L線路模擬器實現(xiàn)。直流變壓器輸入電壓為1 000V，輸出電壓350V，短路限流控制實驗主要分三部分進(jìn)行。

圖10 基于dSPACE+Plecs RT box硬件在環(huán)實驗平臺

3.1 支撐電容切除效果分析

首先對目前采用的電抗器法及其存在的問題進(jìn)行驗證。在支撐電容不采用快速開關(guān)切除方式時，電容器上的能量在短路發(fā)生時會通過短路回路釋放出來。圖11給出了短路發(fā)生時通過電抗器限流的方法實現(xiàn)的限流過程。電抗器數(shù)值小，則輸出電流爬升速度快，電流在短時間內(nèi)達(dá)到一個非常大的數(shù)值，如圖11所示，圖中，out為輸出電壓，cap為支撐電容器電壓，out為輸出電流?？梢钥闯觯瑘D中輸出電流顯示已經(jīng)限幅。外接大限流電抗時變壓器輸出電壓、電流波形如圖12所示。圖12中加裝了一個數(shù)值較大的電抗器，可以看出，電流上升速率被限制，但輸出電流完全不可控，并且出現(xiàn)線路電抗與支撐電容之間產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。可見，支撐電容上的電能釋放對線路的短路電流影響甚大，要想實現(xiàn)低電壓穿越時的電流控制，必須采取措施。

圖11 外接小限流電抗時變壓器輸出電壓、電流波形

圖12 外接大限流電抗時變壓器輸出電壓、電流波形

3.2 電流限流跟蹤控制方法

為驗證文中所述電流跟蹤控制方法的正確性，基于圖10實驗平臺，對上述控制方法和電路拓?fù)溥M(jìn)行了實驗驗證。實驗時，基于Matlab仿真結(jié)果，在dSPACE中實現(xiàn)文中所述的控制算法，轉(zhuǎn)換成PWM波后輸出到Plecs RT-box模擬的DAB變流模塊及線路中。

切除支撐電容+主動電流控制后變壓器輸出的電壓、電流波形如圖13所示。通過圖13可以看出，當(dāng)發(fā)生短路故障后，通過快速開關(guān)切除了支撐電容，所以故障發(fā)生前、后支撐電容上的電壓不變。由于短路故障，輸出電壓接近為0，輸出電流out在DAB被控條件下按照所設(shè)定的電流穩(wěn)流，沒有出現(xiàn)圖11、圖12中的電流失控現(xiàn)象，為低電壓穿越的實現(xiàn)打下了堅實基礎(chǔ)。改變設(shè)定電流后的切除支撐電 容+主動電流控制后變壓器輸出電壓、電流波形如圖14所示。圖14是將限流電流進(jìn)一步減小后的限流控制情況，同樣可看出，線路電流被控制在事前設(shè)定的數(shù)值上。

圖13 切除支撐電容+主動電流控制后變壓器輸出的電壓、電流波形

圖14 改變設(shè)定電流后的切除支撐電容+主動電流控制后變壓器輸出電壓、電流波形

4 結(jié)論

新能源與直流配電技術(shù)的發(fā)展，對電力電子裝備提出了新的性能要求，系統(tǒng)中的故障保護及故障快速恢復(fù)技術(shù)越來越被人們所重視。本文通過對電力電子變壓器基本模塊拓?fù)浼翱刂品椒ㄟM(jìn)行改進(jìn)，為相關(guān)設(shè)備的工程應(yīng)用提供了有效方法，通過本文的研究得出以下結(jié)論：

1）直流系統(tǒng)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(shè)立分布式電力電子開關(guān)，可對支撐電容的電能釋放進(jìn)行有效控制。

2）出于低電壓穿越控制的需要，直流系統(tǒng)短路故障過程中的電流控制可通過控制DAB模塊單元實現(xiàn)。實現(xiàn)的過程中：①要注意輸出特性由電壓源到電流源形式的轉(zhuǎn)換，對應(yīng)的電流控制方法也要對應(yīng)轉(zhuǎn)變；②要注意解決電流環(huán)被控對象參數(shù)不定所帶來的動態(tài)特性控制問題，包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

通過本文研究可以發(fā)現(xiàn)，對于短路故障發(fā)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(fā)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(fù)時間將變得非常短，可大大加快整個直流配電系統(tǒng)的故障再恢復(fù)過程。但由于實際現(xiàn)場元器件參數(shù)和特性的復(fù)雜性，電容器上的能量保持和泄放將是一個非常復(fù)雜的過程，電容器殘存電能與再恢復(fù)時電路所允許的沖擊電流大小之間的關(guān)系等問題有待進(jìn)一步研究。

[1] 趙成勇, 宋冰倩, 許建中. 柔性直流電網(wǎng)故障電流主動控制典型方案綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(5): 3-13.

Zhao Chengyong, Song Bingqian, Xu Jianzhong. Overview on typical schemes for active control of fault current in flexible DC grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(5): 3-13.

[2] Chen Linglin, Tarisciotti L, Costabebe A. Advanced modulations for a current fed isolated DC-DC converter with wide voltage operating ranges[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2019, 12: 2540-2552.

[3] 李帥, 趙成勇, 許建中, 等. 一種新型限流式高壓直流斷路器拓?fù)鋄J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2017, 32(17): 102-110.

Li Shuai, Zhao Chengyong, Xu Jianzhong, et al. A new type of current limiting high voltage DC circuit breaker topology[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2017, 32(17): 102-110.

[4] 黃昕昱, 張家奎, 徐千鳴, 等. 具有限流功能的模塊化直流潮流控制器及其控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(5): 38-46.

Huang Xinyu, Zhang Jiakui, Xu Qianming, et al. Modular DC power flow controller with current limiting function and its control[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(5): 38-46.

[5] 雷志方, 汪飛, 高艷霞, 等. 面向直流微網(wǎng)的雙向DC-DC變換器研究現(xiàn)狀和應(yīng)用分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016, 31(22): 137-147.

Lei Zhifang, Wang Fei, Gao Yanxia, et al. Research status and application analysis of bidirectional DC-DC converters for DC microgrid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(22): 137- 147.

[6] Sano K, Takasaki M. A surgeless solid-state DC circuit breaker for voltage source converter based HVDC systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 50(4): 2690-2699.

[7] 王聰, 沙廣林, 王俊, 等. 基于雙重移相控制的雙有源橋 DC-DC 變換器的軟開關(guān)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(12): 106-113.

Wang Cong, Sha Guanglin, Wang Jun, et al. The analysis of zero voltage switching dual active bridge DC-DC converters based on dual-phase-shifting control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12): 106-113.

[8] Xuan Yang, Yang Xu, Chen Wenjie, et al. A novel NPC dual active bridge converter with blocking capacitor for energy storage system[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2019, 34(11): 10635- 10649.

[9] 金莉, 劉邦銀, 段善旭. 三電平雙有源全橋DC-DC變換器回流功率最小的移相控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2018, 33(24): 5864-5873.

Jin Li, Liu Bangyin, Duan Shanxu. Phase-shifting control for minimum return power of three-level dual-active full-bridge DC-DC converter[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(24): 5864-5873.

[10] Zhuo Chaoran, Yang Xu, Zhang Xiaotian, et al. Research on current limiting method used for short circuit fault current of resonant DC transformer based on inverted displacement phase control[J]. IEEE Access, 2020, 8: 143412-143422.

[11] Han Kunlun, Cai Zexiang, Liu Yang. Study on protective performance of HVDC transmission line protection with different types of line fault[C]//2011 4th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Tech- nologies (DRPT), Weihai, China, 2011: 358-361.

[12] Tseng Kuo-Ching, Chang Shih-Yi, Cheng Chun-An. Novel isolated bidirectional interleaved converter for renewable energy applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 66(12): 9278-9287.

[13] Chen Hui, Wu Xinke, Shao Shuai. A current-sharing method for interleaved high-frequency LLC converter with partial energy processing[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, 67(2): 1498-1507.

[14] Zhuo Chaoran, Zhang Xiaotian, Yang Xu, et al. Current status and development of fault current limiting technology for DC transmission network[C]// 2019 IEEE 10th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems, Xi’an, China, 2019: 306-310.

[15] 陳繼開, 孫川, 李國慶, 等. 雙極MMC-HVDC系統(tǒng)直流故障特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2017, 32(10): 53-60, 68.

Chen Jikai, Sun Chuan, Li Guoqing, et al. Study on DC fault characteristics of bipolar MMC-HVDC system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(10): 53-60, 68.

[16] Assadi Seyed Amir, Matsumoto Hirokazu, Moshirvaziri Mazhar, et al. Active saturation mitigation in high density dual active bridge DC-DC converter for on board EV charger applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(4): 4376-4387.

Short-Circuit Fault Current Limiting Control Method of DC Transformer with Separable Supporting Capacitor

（School of Electrical Engineering Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

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.

Power electronic transformer, supporting capacitor, short circuit fault, current limiting

TM46

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90539

國家重點研發(fā)計劃資助項目：柔性直流電網(wǎng)故障電流抑制的基礎(chǔ)理論（2018YFB0904600）。

2020-07-17

2020-11-12

卓超然 男，1990年生，博士研究生，研究方向為直流變壓器電路拓?fù)浼翱刂萍夹g(shù)。

E-mail: chaoranzhuo0208@163.com（通信作者）

張笑天 男，1983年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為直流變壓器及潮流控制器電路拓?fù)浼捌淇刂萍夹g(shù)。

E-mail: xiaotian@xjtu.edu.cn

（編輯 陳 誠）