基于兩電平電壓源型換流器的直流微網(wǎng)交直流側(cè)接地方式

魏承志，李明，李春華，郭芳，文安，劉國特

(1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663；2. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山528000)

0 引言

與交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)具有以下優(yōu)勢：1) 不需要對電壓的相位和頻率進(jìn)行跟蹤，具有更高的可控性和可靠性，更有利于分布式電源和負(fù)載的接入[1 - 9]；2) 減少了換流環(huán)節(jié)，降低了電力電子裝置的功率損耗和投資成本[10]；3) 直流系統(tǒng)沒有集膚效應(yīng)，線路損耗小，傳輸容量大[11]；4) 能夠更好地滿足直流敏感負(fù)荷供電要求[12 - 13]。因此隨著分布式能源、直流負(fù)荷、變頻負(fù)荷及電壓敏感負(fù)荷的快速發(fā)展，以及電力電子設(shè)備價(jià)格的不斷降低，直流微網(wǎng)受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，取得了非常多的研究成果。然而，直流微網(wǎng)接地方式的研究卻一直被忽視，尚未見到系統(tǒng)性的研究成果?，F(xiàn)階段工程現(xiàn)場對接地方式的選擇仍較模糊，各示范工程的接地方式各異。珠海唐家灣柔直配網(wǎng)示范工程中低壓直流系統(tǒng)采用電容中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地，東莞交直流混合的分布式可再生能源系統(tǒng)示范工程中則采用電容中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地，紹興上虞交直流混合配電網(wǎng)示范工程則采用單極接地。

直流微網(wǎng)接地方式的選擇與換流器類型、換流器接線形式、交流系統(tǒng)的接地方式等密切相關(guān)。文獻(xiàn)[14]針對經(jīng)不接地的高壓直流系統(tǒng)降壓而來的低壓直流系統(tǒng)，提出采用不接地方式有更高的人身安全性和供電可靠性；文獻(xiàn)[15]針對基于采用電感濾波的兩電平電壓源型換流器的直流微網(wǎng)，提出直流側(cè)不接地時(shí)交流側(cè)相電壓諧波含量較低；文獻(xiàn)[16]提出基于單相橋式整流器的直流微網(wǎng)，直流側(cè)接地系統(tǒng)比不接地系統(tǒng)有更好的安全性能。

考慮到現(xiàn)階段中壓直流配電網(wǎng)工程造價(jià)較高，難以在短時(shí)間內(nèi)大范圍推廣，基于兩電平電壓源型換流器的直流微網(wǎng)將是未來一段時(shí)間內(nèi)直流微網(wǎng)工程的主要形式，本文將重點(diǎn)針對基于帶LCL濾波器兩電平電壓源型換流器的直流微網(wǎng)，采用理論分析與仿真驗(yàn)證相結(jié)合的方法，分析交直流側(cè)各種接地方式組合下交直流側(cè)的電壓和電流諧波，分別給出交直流側(cè)的推薦接地方案。

1 直流側(cè)接地方式

考慮到我國低壓交流配網(wǎng)均為直接接地系統(tǒng)，基于兩電平電壓源型換流器的直流微網(wǎng)如圖1所示，其中交流側(cè)采用LCL濾波器。濾波器電容中性點(diǎn)可接地也可不接地，圖1中用虛線表示。正常工作情況下，任意時(shí)刻開關(guān)器件S1—S3中應(yīng)有1個(gè)導(dǎo)通，并且關(guān)器件S4—S6中應(yīng)有1個(gè)導(dǎo)通。

圖1 基于2電平電壓源型換流器的直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 DC microgrid structure based on 2-level VSC

1.1 直流側(cè)不接地

以S1、S5導(dǎo)通為例進(jìn)行分析，當(dāng)直流側(cè)不接地時(shí)，基于兩電平電壓源型換流器的直流微網(wǎng)等效電路如圖2所示，其中阻抗Zdc為直流側(cè)等效負(fù)荷；La、Lb分別為變壓器A、B相等效電抗；Uas、Ubs分別為變壓器A、B相電壓。由于直流側(cè)不接地，且直流負(fù)載均接在正負(fù)極間，因此從正極流出的電流等于從負(fù)極流入的電流，即i1=i4?？紤]到交流側(cè)為三相對稱系統(tǒng)，ia≠ib?？梢娫陂_關(guān)S1和S5導(dǎo)通前，開關(guān)兩側(cè)電流并不相等，因此在開關(guān)開合過程中，電路中將產(chǎn)生大量的高次諧波(與開關(guān)頻率相關(guān))。諧波電流進(jìn)入交流側(cè)，在電感中產(chǎn)生大量的高次諧波電壓，使得變壓器出口端電壓波形畸變。由于濾波電感的作用，變壓器出口電流高次諧波較小。諧波電流進(jìn)入直流側(cè)后，大部分被直流電容Cdc吸收，少量進(jìn)入負(fù)荷端，造成直流電流紋波增加。另外，從圖2可見，當(dāng)S5閉合后直流負(fù)極線對地電壓等于濾波器直流側(cè)電壓ub，當(dāng)開關(guān)器件交替導(dǎo)通時(shí)，負(fù)極對地電壓將在ua、ub、uc間快速切換，使得直流側(cè)極對地電壓波動(dòng)較大，含有大量的高次諧波。

圖2 S1、S5導(dǎo)通，直流不接地時(shí)的直流微網(wǎng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of the DC microgrid when S1, S5 are switched on, and DC side is ungrounded

1.2 直流極線經(jīng)電阻接地

以負(fù)極線經(jīng)電阻接地為例(僅考慮直流側(cè)與交流側(cè)共地的情況)，當(dāng)S1、S5導(dǎo)通時(shí)基于兩電平電壓源型換流器的直流微網(wǎng)等效電路如圖3所示?？梢?，當(dāng)S5導(dǎo)通時(shí)，B相電源經(jīng)接地電阻R形成回路，若接地電阻R阻值較小，將構(gòu)成B相短路回路，在交流側(cè)及直流側(cè)接地支路產(chǎn)生較大的過電流，使得微網(wǎng)不能正常工作。若接地電阻R很大，流過接地電阻的電流非常小，使得i1≈i4，微網(wǎng)運(yùn)行效果與不接地情況類似。

圖3 S1、S5導(dǎo)通，直流負(fù)極線經(jīng)電阻接地的直流微網(wǎng)等效電路Fig.3 Equivalent circuit of the DC microgrid when DC anode wire is grounded by resistance with S1, S5 switched on

1.3 直流電容中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地

采用直流電容中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，當(dāng)S1、S5導(dǎo)通時(shí)基于兩電平電壓源型換流器的直流微網(wǎng)等效電路如圖4所示。此時(shí)直流正極流出的電流i1與負(fù)極流入的電流i4之間滿足式(1)。

i1-i4=i5

(1)

式中i5為通過接地電阻流入大地的電流。

圖4 S1、S5導(dǎo)通，直流電容中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的直流微網(wǎng)等效電路Fig.4 Equivalent circuit of the DC microgrid when DC capacitance neutral is grounded by resistance with S1, S5 switched on

因此，接地支路為開關(guān)器件兩端的不平衡電流提供了通路。當(dāng)接地電阻R較小時(shí)，電容Cdc構(gòu)成低通濾波器，使得直流側(cè)極對地電壓高頻分量大大降低。電流高頻分量在直流側(cè)主要經(jīng)電容器后流向大地，通過交流側(cè)接地點(diǎn)組成閉合回路，因此直流側(cè)電流紋波將顯著減小。

若接地電阻R很大，流過接地電阻的電流i5將非常小，有i1≈i4，微網(wǎng)運(yùn)行效果與不接地情況類似。

2 交流側(cè)接地方式

考慮到我國低壓交流配網(wǎng)均為直接接地系統(tǒng)，變壓器低壓側(cè)可確定應(yīng)采用直接接地方式。因此本章節(jié)主要討論交流濾波器電容中性點(diǎn)的接地方式。從上節(jié)分析可見，由于交流側(cè)變壓器低壓側(cè)直接接地，濾波器電容中性點(diǎn)是否接地對直流側(cè)電壓諧波影響不大，因此本節(jié)主要針對交流側(cè)諧波進(jìn)行分析。

2.1 交流濾波器電容中性點(diǎn)不接地

2.1.1 直流側(cè)不接地

交流濾波器電容中性點(diǎn)不接地，直流側(cè)也不接地時(shí)，電流通路如圖5所示(以S1、S5導(dǎo)通為例)，一部分電流通過相間濾波形成回路，另一部分回到變壓器繞組。由于電壓器阻抗及濾波電抗的作用，交流側(cè)相電流高次諧波較小，濾波電容的存在也使得相間電壓高次諧波較小，但相對地電壓高次諧波含量較大。

圖5 交流濾波器中性點(diǎn)不接地，直流側(cè)不接地時(shí)的諧波電流通路Fig.5 Harmonic current path when the neutral point of AC filter and the DC side are both ungrounded

2.1.2 直流側(cè)電容中性點(diǎn)接地

交流濾波器電容中性點(diǎn)不接地，直流側(cè)電容中性點(diǎn)接地時(shí)，諧波電流通路如圖6所示。

圖6 交流濾波器中性點(diǎn)不接地，直流側(cè)電容中性點(diǎn)接地時(shí)的諧波電流通路Fig.6 Harmonic current path when the neutral point of the AC filter is ungrounded and the neutral point of the capacitor on the DC side is grounded

不平衡電流經(jīng)直流側(cè)電容中線進(jìn)入大地后經(jīng)變壓器回流。直流側(cè)由于直流電容Cdc構(gòu)成低通濾波器，使得直流側(cè)輸出電流和電壓諧波均較少。交流側(cè)缺乏對地濾波電容，因此交流側(cè)變壓器出口相電壓及濾波器閥側(cè)相電壓高次諧波含量均較大。

2.2 交流濾波器電容中性點(diǎn)直接接地

2.2.1 直流側(cè)不接地

交流濾波器電容中性點(diǎn)接地，直流側(cè)不接地時(shí)，電流通路如圖7所示。一部分電流通過相間濾波形成回路，一部分回到變壓器繞組，還有一部分通過濾波電容中性點(diǎn)入地后經(jīng)變壓器接地點(diǎn)回流。因此，與交流濾波器中性點(diǎn)不接地相比，交流濾波器電容對地電壓諧波含量顯著降低，但變壓器出口對地電壓無顯著改善。

圖7 交流濾波器中性點(diǎn)接地，直流側(cè)不接地時(shí)的諧波電流通路Fig.7 Harmonic current path when the neutral point of the AC filter is grounded and the DC side is ungrounded

2.2.2 直流側(cè)電容中性點(diǎn)接地

交流濾波器電容中性點(diǎn)接地，直流側(cè)電容中性點(diǎn)接地時(shí)，諧波電流通路如圖8所示。不平衡諧波電流經(jīng)直流側(cè)電容中線進(jìn)入大地后經(jīng)交流濾波電容回流。可見諧波僅在交流濾波器與換流器直流出口電容之間流動(dòng)，直流側(cè)以及變壓器側(cè)均沒有明顯的高次諧波電流。因此，這種接地方式下，可將諧波限制在換流器內(nèi)部，而不影響變壓器低壓側(cè)繼續(xù)接其他用電設(shè)備。

圖8 交流濾波器中性點(diǎn)接地，直流側(cè)電容中性點(diǎn)接地時(shí)的諧波電流通路Fig.8 Harmonic current path when the neutral point of both the AC filter and the capacitor on the DC side are all grounded

3 仿真驗(yàn)證

圖9所示為基于兩電平電壓源型換流器直流微網(wǎng)的簡化結(jié)構(gòu)圖，其中負(fù)荷1表示直接接于直流出口母線上的負(fù)荷，負(fù)荷2表示經(jīng)電纜連接且需要DC/DC變換的負(fù)荷(如充電樁負(fù)荷、降壓負(fù)荷等)。仿真中使用的參數(shù)如表1所示，仿真中設(shè)定VSC在0.1 s時(shí)刻啟動(dòng)觸發(fā)脈沖，因此本文的仿真分析主要針對0.1 s以后的波形進(jìn)行分析，仿真中設(shè)定VSC的開關(guān)頻率為8 000 Hz。

圖9 基于兩電平電壓源型換流器的直流微網(wǎng)Fig.9 A DC microgrid based on two-level voltage source converter

3.1 交流濾波器不接地直流側(cè)不接地

當(dāng)交流濾波器不接地且直流側(cè)不接地時(shí)，交直流側(cè)電壓和電流波形分別如圖10—11所示?？梢?，由于交流濾波器及變壓器漏抗的原因，交流側(cè)線電壓及相電流高次諧波含量都較小，但相電壓高次諧波含量較大，與2.1.1節(jié)的理論分析結(jié)論相符。直流側(cè)由于有極間電容的影響，母線極間電壓紋波較小，但極對地電壓含有大量的高次諧波，且諧波幅值較大，造成極對地電壓飄移，提高了設(shè)備對地絕緣的要求。另外，直流側(cè)出口電流紋波較大。對于經(jīng)電纜連接的負(fù)荷，由于電纜對地電容較大，因此，負(fù)載端的電流及對地電壓諧波均較直流出口側(cè)有較大改善。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameter Settings

圖10 變壓器出口電壓和電流波形(交流濾波器不接地，直流側(cè)不接地)Fig.10 Voltage and current waveforms at transformer outlet (DC side and AC filter are both ungrounded)

3.2 交流濾波器中性點(diǎn)接地直流側(cè)電容中性點(diǎn)不接地

當(dāng)交流濾波器中性點(diǎn)接地且直流側(cè)不接地時(shí)，仿真波形分別如圖12—14所示。部分諧波通過交流濾波器中性點(diǎn)入地(見圖14)，濾波電容的低通濾波性質(zhì)，使得交流側(cè)相電壓高次諧波較交流濾波器不接地時(shí)，有明顯改善(見圖10和圖12)，但增加了低次諧波。

圖11 直流母線電壓及直流側(cè)電流波形(交流濾波器不接地，直流側(cè)不接地)Fig.11 Waveforms of DC bus voltage and DC side current (AC filter and DC side are both ungrounded)

圖12 變壓器出口電壓和電流波形(交流濾波器中性點(diǎn)接地，直流側(cè)不接地)Fig.12 Voltage and current waveforms at transformer outlet (AC filter grounded at neutral point, DC side ungrounded)

圖13 直流母線電壓及直流側(cè)電流波形(交流濾波器接地，直流側(cè)不接地)Fig.13 Waveforms of DC bus voltage and DC side current (AC filter grounded, DC side ungrounded)

圖14 交流濾波器中性點(diǎn)入地電流(交流濾波器中性點(diǎn)接地，直流側(cè)不接地)Fig.14 Grounding current of AC filter at neutral point (AC filter grounded at neutral point, DC side ungrounded)

3.3 交流濾波器不接地直流側(cè)電容中性點(diǎn)接地

當(dāng)交流濾波器不接地直流側(cè)電容中性點(diǎn)接地時(shí)，仿真波形分別如圖15—17所示。直流側(cè)不平衡諧波電流經(jīng)電容器中性點(diǎn)入地，如圖15所示，構(gòu)成低通濾波回路，使得直流側(cè)高頻諧波大大降低，直流側(cè)電壓和電流紋波均很小，如圖16所示。交流側(cè)諧波電流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)回流，經(jīng)變壓器漏抗產(chǎn)生較大的高頻諧波電壓，如圖17所示。由于濾波電抗及電壓器漏抗的濾波作用，變壓器出口電流高次諧波較小。

圖15 直流電容器中性點(diǎn)入地電流(交流濾波器不接地，直流側(cè)電容中性點(diǎn)接地)Fig.15 Ground current of DC capacitance at neutral point (AC filter ungrounded, DC capacitance grounded at neutral point)

圖16 直流母線電壓及直流側(cè)電流波形(交流濾波器不接地，直流側(cè)電容中性點(diǎn)接地)Fig.16 DC bus voltage and DC side current waveform (AC filter ungrounded, DC capacitance grounded at neutral point)

圖17 變壓器出口電壓和電流波形(交流濾波器不接地，直流側(cè)電容中性點(diǎn)接地)Fig.17 Voltage and current waveforms at transformer outlet (AC filter ungrounded, DC capacitance grounded at neutral point)

3.4 交流濾波器中性點(diǎn)直流側(cè)電容中性點(diǎn)均接地

當(dāng)交流濾波器中性點(diǎn)、直流側(cè)電容中性點(diǎn)均接地時(shí)，仿真波形分別如圖18—20所示。直流側(cè)不平衡諧波電流經(jīng)電容器中性點(diǎn)入地，如圖20所示，構(gòu)成低通濾波回路，使得直流側(cè)高頻諧波大大降低，直流側(cè)電壓和電流紋波均很小，如圖19所示。交流側(cè)諧波電流經(jīng)交流濾波器中性點(diǎn)回流，構(gòu)成低通濾波器，使得濾波電容對地電壓諧波大大減小，諧波電壓在VSC內(nèi)部被解決。因此，變壓器出口相電壓和相電流均不會(huì)出現(xiàn)明顯的高次諧波，如圖18所示。與上述第2.2.2節(jié)的理論分析結(jié)論相符。

圖18 直流電容器中性點(diǎn)入地電流(交流濾波器中性點(diǎn)、直流側(cè)電容中性點(diǎn)均接地)Fig.18 Grounding current of DC capacitance at neutral point (AC filter and DC capacitance are both grounded at their neutral points)

圖19 直流母線電壓及直流側(cè)電流波形(交流濾波器中性點(diǎn)、直流側(cè)電容中性點(diǎn)均接地)Fig.19 Waveforms of DC bus voltage and DC side current (AC filter and DC capacitance are both grounded at their neutral points)

3.5 直流側(cè)負(fù)極線接地

當(dāng)直流側(cè)與交流側(cè)共地，直流側(cè)負(fù)極線直接接地時(shí)，相當(dāng)于直流側(cè)負(fù)極與交流電源中性點(diǎn)直接相連，構(gòu)成不控整流電路，VSC觸發(fā)脈沖失效，其仿真結(jié)果如圖21—22所示，直流微網(wǎng)不能正常工作。

圖20 變壓器出口電壓和電流波形(交流濾波器中性點(diǎn)、直流側(cè)電容中性點(diǎn)均接地)Fig.20 DC capacitance neutral ground current (the neutral point of both the AC filter and the DC capacitance are grounded)

圖21 變壓器出口電壓和電流波形(直流側(cè)負(fù)極線接地)Fig.21 Voltage and current waveforms at transformer outlet (DC negative line is grounded)

圖22 直流母線電壓波形(直流側(cè)負(fù)極線接地)Fig.22 DC bus voltage and DC side current waveforms (DC negative line is grounded)

3.6 諧波分析

以交流濾波器電容中性點(diǎn)不接地、直流側(cè)不接地為例，圖23給出了直流母線負(fù)極對地電壓的頻譜圖?？梢娭C波分量主要集中在nk頻率附近，其中n為1、2、3等整數(shù)，k為開關(guān)頻率，尤其在n=1即8 000 Hz的諧波最大。

圖23 直流負(fù)極對地電壓頻譜圖(交流濾波器不接地，直流側(cè)不接地)Fig.23 Spectrum of DC negative voltage to earth (DC side and AC filter are both ungrounded)

若以8 000 Hz的諧波作為直流極對地電壓的交流分量，直流極對地電壓的紋波系數(shù)Xrms如式(2)所示。

Xrms=Urms/Udc

(2)

式中：Udc為極對地電壓平均值；Urms為極對地電壓交流分量的有效值?？捎?jì)算出各種接地方式下直流極對地電壓的紋波系數(shù)、直流母線電流紋波系數(shù)(與直流極對地電壓的紋波系數(shù)計(jì)算方式類似)、以及變壓器出口端電壓總諧波畸變率如表2所示?？梢娭绷鱾?cè)不接地時(shí)，直流側(cè)極對地電壓及直流母線電流紋波均較大；交流濾波器電容中性點(diǎn)接地時(shí)，交流側(cè)電壓諧波較小，且各種接地方式下交流側(cè)諧波總畸變率都遠(yuǎn)低于電網(wǎng)要求值。

表2 各種接地方式下的諧波比較Tab.2 Comparison of harmonics under various grounding methods

4 結(jié)論

本文采用理論分析和仿真驗(yàn)證相結(jié)合，從交直流側(cè)電壓和電流諧波的角度，分析了基于兩電平電壓源型換流器直流微網(wǎng)的接地方式，得到以下結(jié)論。

1) 直流側(cè)采用電容器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地或者直接接地時(shí)，直流側(cè)極對地電壓及極線出口電流諧波較??；

2) 直流側(cè)電容接地、交流側(cè)采用LCL濾波器濾波電容中性點(diǎn)不接地時(shí)，變壓器出口相電壓諧波總畸變率較大；

3) 直流側(cè)與交流側(cè)共地時(shí)，直流側(cè)不能采用單極接地方式，否則直流微網(wǎng)將無法正常運(yùn)行。

因此，從微網(wǎng)諧波的角度考慮，本文建議基于兩電平電壓源型換流器的直流微網(wǎng)，直流側(cè)采用電容器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地或者直接接地，交流側(cè)采用LCL濾波器，并且濾波電容中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地或者直接接地。然而，直流微網(wǎng)的接地設(shè)計(jì)，除了要考慮諧波外，還應(yīng)結(jié)合保護(hù)配置、運(yùn)行可靠性以及運(yùn)行人員安全等多方面綜合考慮。下一步的工作將主要圍繞上述問題開展，以得出更全面考慮的適用于工程設(shè)計(jì)的直流微網(wǎng)接地方案。