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直流配电系统因线路阻抗低，线路短路故障时电流上升率高，会造成电流限流困难及线路设备二次恢复运行速度慢等问题。西安交通大学电气工程学院的研究人员卓超然、张笑天、张雄、杨旭，在2022年第2期《电工技术学报》上撰文，针对直流配电网中目前存在问题进行分析，提出一种主动控制实现的电力电子变压器短路电流限流新方法。通过对电力电子变压器电路拓扑的改进，并辅以相应的输出电流主动控制方法，实现在发生直流短路故障时切除变压器内部的支撑电容，使该储能元件中的能量不再对线路产生冲击大电流。同时，该方法可对电流实现快速跟踪控制，以满足新能源发电设备实现低电压穿越时的电流控制需要。
直流输配电系统因具有输配电容量大、损耗小、供电品质高等优点引起了业界的广泛关注。在直流配电网系统中，用到大量各种电力电子设备进行电能变换，目前的技术现状是这些设备多采用电压源控制模式，使整个直流电网呈现低阻尼特性，造成了在短路故障条件下的电流冲击大、切除难等问题。电压源型电路拓扑的基本特征是在输出侧接有额定值较大的支撑电容，当外界线路发生短路故障时，由于支撑电容上的电能未被控制，电能的释放产生很大的冲击电流，这就增大了短路电流初期阶段的控制难度。
为解决此问题，工程中普遍采用在线路中加装限流电抗器的方法来限制该短路冲击故障电流，虽然能在一定程度上限制电流的上升率和最大电流，但也发现了新的问题。另外，随着新能源发电的发展，低电压穿越功能在连接新能源发电与并网用直流变压器中是一基本要求，即需要控制变压器在短路故障条件下的输出电流大小。
显然，依靠线路加装电感的方法去实现电流控制，尤其是要能控制电流的大小还是非常困难的。因为变压器在要求具备低电压穿越特性功能时，仍需要直流变压器保持一定的输出电流，并且输出电流的大小与短路电压的大小有关。
西安交通大学电气工程学院的研究人员结合直流配电网中电力电子变压器装置的基本拓扑，提出了一种电路拓扑变换及输出电流控制的新方法。短路故障发生时，切除直流侧的支撑电容，同时对变流装置的输出电流进行主动控制，从而完成对变流器输出短路电流的快速跟踪，实现变压器处理低电压穿越功能时的电流限流控制。由于电容的切除和投入是在每个模块单元内完成的，电容切除开关的容量无需很大，用主电路同容量的IGBT即可实现。
图1 含新能源发电系统在内的直流配电网结构示意图
他们基于双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）模块电路模块构成电力电子变压器电路拓扑，提出了一种采用切除支撑电容的DAB电路，并对其控制原理进行了详细论述，分析了支撑电容切除前后的DAB变换器工作过程；在此基础上，对短路故障发生后的电流控制方法进行了研究和讨论，给出了切除支撑电容后的等效电路模型，分析了电路的频响特性及稳定性。
图2 基于dSPACE+Plecs RT box硬件在环实验平台
科研人员构建相应的半实物仿真实验系统对所做的工作进行验证，得出以下研究结论：
1）直流系统短路故障时，抑制DAB模块中支撑电容中能量的释放可有效减小短路冲击电流及其不可控时间，设立分布式电力电子开关，可对支撑电容的电能释放进行有效控制。
2）出于低电压穿越控制的需要，直流系统短路故障过程中的电流控制可通过控制DAB模块单元实现。实现的过程中：①要注意输出特性由电压源到电流源形式的转换，对应的电流控制方法也要对应转变；②要注意解决电流环被控对象参数不定所带来的动态特性控制问题，包括系统的稳定性问题。
通过本研究可以发现，对于短路故障发生时，采用支撑电容可分离方法：一方面有效减少了短路故障开始发生时的冲击电流；另一方面，由于支撑电容分离后，其能量可以得到保持。理想条件下电容器上的电压在切除前后几乎不变，这样整个变压器电路的恢复时间将变得非常短，可大大加快整个直流配电系统的故障再恢复过程。但由于实际现场元器件参数和特性的复杂性，电容器上的能量保持和泄放将是一个非常复杂的过程，电容器残存电能与再恢复时电路所允许的冲击电流大小之间的关系等问题有待进一步研究。
本文编自2022年第2期《电工技术学报》，论文标题为“支撑电容可分离的直流变压器短路故障电流限流控制方法”，作者为卓超然、张笑天 等。
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