基于VSC的MVDC微电网(±10kV)转换器的互连通过等效RL电缆模块实现,此外，在电缆侧引入了P2P故障附Simulink仿真

最新推荐文章于 2025-06-29 13:40:48 发布

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🔥 内容介绍

本研究聚焦于基于电压源换流器（VSC）的 ±10kV 中压直流（MVDC）微电网，研究转换器通过等效 RL 电缆模块实现互连的特性，并针对电缆侧引入的 P2P（极间）故障进行深入分析。通过搭建系统模型，分析正常运行时 VSC 转换器互连的功率传输与控制策略，建立 P2P 故障模型研究故障特性与影响。结果表明，等效 RL 电缆模块可有效模拟实际电缆传输特性，所提故障分析方法能准确评估故障对系统的影响，为 MVDC 微电网的稳定运行与故障保护设计提供理论依据与技术支持。

关键词

电压源换流器；MVDC 微电网；等效 RL 电缆模块；P2P 故障；故障分析

一、引言

（一）研究背景

随着新能源技术的快速发展与分布式电源的广泛接入，中压直流（MVDC）微电网因其高效、灵活、可控性强等优势，在智能电网、船舶电力系统、轨道交通等领域展现出巨大的应用潜力。±10kV 作为 MVDC 微电网的典型电压等级，其系统的稳定运行对实现能源高效利用与可靠供电至关重要。电压源换流器（VSC）凭借其四象限运行、功率可双向流动、输出电压谐波含量低等特点，成为 MVDC 微电网中实现电能变换与传输的核心设备。在 MVDC 微电网中，各分布式电源、储能装置及负荷通过 VSC 转换器实现互连，而连接线路通常采用电缆，其传输特性对系统性能有着重要影响。同时，电缆侧的故障，尤其是极间（P2P）故障，会严重威胁系统的安全稳定运行，因此对基于 VSC 的 MVDC 微电网转换器互连及电缆侧 P2P 故障的研究具有重要的现实意义。

（二）研究目的与意义

本研究旨在深入分析基于 VSC 的 ±10kV MVDC 微电网中转换器通过等效 RL 电缆模块互连的运行特性，建立电缆侧 P2P 故障的准确模型并研究其故障特性与影响。通过研究，期望优化 VSC 转换器的控制策略，提高系统在正常运行时的功率传输效率与稳定性；同时，为电缆侧 P2P 故障的快速检测、隔离与系统恢复提供理论依据和技术支持，降低故障对系统的影响，保障 MVDC 微电网的可靠运行，推动 MVDC 微电网技术的进一步发展与应用。

（三）国内外研究现状

在 MVDC 微电网领域，国内外学者已开展了大量研究工作。在 VSC 转换器方面，研究主要集中于控制策略的优化，如基于矢量控制、直接功率控制等方法实现 VSC 的稳定运行与功率精确调节。对于 MVDC 微电网中电缆传输特性的研究，部分学者采用分布参数模型或等效集中参数模型来模拟电缆，但如何更准确、高效地建立适用于工程分析的电缆模型仍在不断探索。在故障研究领域，针对 MVDC 微电网的故障特性分析、故障检测与保护策略制定已有诸多成果。然而，对于基于等效 RL 电缆模块实现 VSC 转换器互连的 ±10kV MVDC 微电网中电缆侧 P2P 故障的系统性研究相对较少，尤其在故障建模的准确性和故障对系统影响的全面评估方面仍有待进一步深入。

二、基于 VSC 的 MVDC 微电网系统架构与原理

（一）系统架构

基于 VSC 的 ±10kV MVDC 微电网系统主要由分布式电源（如光伏、风电等）、储能装置（如锂电池、超级电容器等）、VSC 转换器、等效 RL 电缆模块以及各类直流负荷组成。分布式电源和储能装置通过 VSC 转换器接入 MVDC 母线，各 VSC 转换器之间通过等效 RL 电缆模块实现互连，从而实现电能的传输与分配。直流负荷直接连接在 MVDC 母线上，获取稳定的直流电能。

（二）VSC 转换器原理

VSC 转换器通常采用三相全桥拓扑结构，由六个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和与之反并联的二极管组成。通过控制 IGBT 的开关状态，VSC 可以实现交流侧与直流侧之间的电能双向转换。在正常运行时，VSC 可以根据系统需求，灵活控制有功功率和无功功率的传输。例如，当分布式电源发电过剩时，VSC 可将多余电能转换为交流电能馈入交流电网；当系统功率不足时，VSC 可从交流电网吸收电能，为 MVDC 微电网提供功率支持。其控制策略通常包括内环电流控制和外环功率 / 电压控制，内环电流控制用于快速跟踪参考电流，外环功率 / 电压控制用于调节系统的有功功率、无功功率或直流电压，以实现系统的稳定运行。

（三）等效 RL 电缆模块原理

三、基于等效 RL 电缆模块的 VSC 转换器互连分析

四、电缆侧 P2P 故障建模与分析

（一）故障模型建立

在 MVDC 微电网中，电缆侧 P2P 故障是一种严重的故障类型，会导致系统短路电流急剧增大，直流电压严重下降。为研究 P2P 故障特性，建立基于等效 RL 电缆模块的 P2P 故障模型。当电缆发生 P2P 故障时，可将故障点视为一个短路节点，短路电阻近似为零。此时，故障回路的等效电路可简化为电源、VSC 转换器、等效 RL 电缆模块以及短路点组成的回路。通过分析该等效电路，结合基尔霍夫定律和电路元件的伏安特性，可以得到故障电流和电压的表达式，从而建立起准确的 P2P 故障模型。

（二）故障特性分析

短路电流特性：在 P2P 故障发生瞬间，短路电流会迅速上升，其大小主要取决于系统电源的容量、VSC 转换器的限流能力以及电缆的参数。由于 MVDC 微电网中没有交流系统的换相过程，短路电流的非周期分量较大，且持续时间较长。通过对故障模型的仿真分析可知，短路电流的峰值可能达到正常运行电流的数倍甚至数十倍，这对系统中的设备和保护装置提出了严峻挑战。

直流电压特性：P2P 故障会导致直流母线电压急剧下降。故障发生后，直流电压会迅速降低到接近零值，影响系统中各设备的正常运行。直流电压的下降速度和幅度与故障点的位置、电缆的长度以及系统的惯性等因素有关。靠近电源端的故障会使直流电压下降更快、幅度更大；电缆长度越长，系统的惯性越大，直流电压下降相对较慢。

对系统稳定性的影响：P2P 故障会严重破坏 MVDC 微电网的稳定性。故障引起的短路电流和电压波动会导致分布式电源和储能装置的输出功率发生剧烈变化，可能引发系统振荡甚至崩溃。同时，故障还会影响 VSC 转换器的正常运行，使其控制策略失效，进一步加剧系统的不稳定。因此，及时准确地检测和隔离 P2P 故障，对于保障 MVDC 微电网的稳定运行至关重要。

五、结论与展望

（一）研究结论

本研究成功构建了基于 VSC 的 ±10kV MVDC 微电网模型，深入分析了 VSC 转换器通过等效 RL 电缆模块互连的运行特性，并对电缆侧 P2P 故障进行了建模与研究。研究表明，等效 RL 电缆模块能够有效模拟实际电缆的传输特性，基于此提出的控制策略优化方法可提高系统的功率传输效率和稳定性。同时，建立的 P2P 故障模型能够准确反映故障特性，为故障分析与保护设计提供了可靠依据。仿真实验结果验证了理论分析的正确性和模型的有效性。

（二）研究展望

尽管本研究取得了一定成果，但仍有进一步改进的空间。未来研究可考虑更复杂的电缆模型，如分布参数模型，以更精确地模拟电缆的传输特性。在故障研究方面，可深入探索 P2P 故障的快速检测与隔离方法，结合智能算法提高故障检测的准确性和及时性。此外，还可研究多 VSC 转换器互连的 MVDC 微电网在故障情况下的协调控制策略，提高系统的容错能力和可靠性。通过不断完善研究内容，为 MVDC 微电网的发展提供更有力的技术支持。