第第圖3-9所示。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC9MMC型等效電路以A相為例,令Uap、Uan別表示MMC上、下橋臂電壓，O點為假想的電位中性點，在系統(tǒng)運行時，中壓直流母線極間電圧為Udc，由于正常運行時結(jié)構(gòu)對稱，因此正負極對地電壓分別為極間電圧的一半，Upo、Uno分別表示直流正負極電壓對O點的電壓，則MMC的數(shù)學(xué)模型為： Upo=U為交流側(cè)相電壓有效值，當A相發(fā)生單相接地故障時，A相對地電壓變?yōu)?，即Ua=0，因此故障后正負極對O點的電壓表示為： Upo’通過式（3-2）可以看出，正負極電壓在原來直流電壓的基礎(chǔ)上增加了正弦波動，由于正負極波動同步，極間電壓不變。利用PSCAD進行仿真驗證，相關(guān)仿真波形圖如REF_Ref40173683\h圖3-10所示。高壓交流側(cè)電網(wǎng)電壓系統(tǒng)交流輸入側(cè)電流中壓直流母線電壓中壓直流母線電流圖3-SEQ圖3-\*ARABIC10單相接地故障下電壓、電流波形上述波形圖都在0.4s時設(shè)置了A相單相接地故障，通過波形圖可以看出：（1）在0.4s未發(fā)生故障以前，交流輸入側(cè)電壓、電流波形都是穩(wěn)定的、波形質(zhì)量良好的正弦波，因此模型搭建正確；（2）在0.4s發(fā)生故障以后，A相電壓變?yōu)?，由于系統(tǒng)采用的是中性點不直接接地(經(jīng)大電阻接地)的接線方式，所以系統(tǒng)故障以后非故障相電壓升高變?yōu)樵瓉淼?倍，如REF_Ref42718241\r\h（a）所示，雖然三相電壓變化較大，但是相與相之間的線電壓并沒有發(fā)生變化，對于PET來說，輸入級線電壓沒有發(fā)生變化，從REF_Ref42718265\r\h（b）也可以看出交流輸入側(cè)線電流也沒有變化，依然為三相對稱的正弦波，因此單相接地故障對PET各級影響不大；（3）由REF_Ref42718282\r\h（c）可以看出，在故障之前，中壓直流母線正負極電壓均為極間電壓的一半，在發(fā)生故障以后，正負極直流電壓出現(xiàn)振幅為極間電壓的正弦波動，且電壓波動情況一致，而極間電壓不變，由圖REF_Ref42718295\r\h（d）也可以看出中壓直流母線電流保持不變，單相接地不會對隔離級產(chǎn)生影響，在進行保護時可以對過電流情況不做分析，但是由于中壓母線上出現(xiàn)了幅值較大的波動，因此需要采用絕緣性能良好、動穩(wěn)定性強的母線。1.3中壓直流母線故障MMC型PET含有直流端口，這些直流端口可以實現(xiàn)太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電以及直流充電樁等眾多直流設(shè)備的并網(wǎng)，對于能源物聯(lián)網(wǎng)，智能電網(wǎng)的發(fā)展有重要意義，因此下面我們將分析中壓直流側(cè)可能的故障類型，故障類型主要包括發(fā)生概率最大的單極接地故障、雙極短路故障、和單極斷線故障。短路故障一般在短時間內(nèi)會產(chǎn)生較多熱量，危及到相關(guān)元件和母線的安全，故障影響嚴重，因此需要重點研究，斷線故障較為簡單，多數(shù)情況下可以帶故障繼續(xù)運行，在此時間內(nèi)檢修人員可進行故障排查，所以本文重點分析短路故障。1.1.1單極接地故障中壓直流母線發(fā)生單極接地的電路示意圖如REF_Ref40173916\h圖3-11所示，由于MMC結(jié)構(gòu)對稱，我們以正極直流母線接地為例，當正極接地以后，串聯(lián)在正極的MMC子模塊電容會迅速放電，此時正極電壓變?yōu)?，又因為交流輸入側(cè)采用接地變壓器接地，因此故障點和輸入側(cè)接地變之間也會形成電流通路，如REF_Ref40809398\r\h（a）所示：MMC單極接地故障電流回路MMC單極接地故障電流等效回路圖3-SEQ圖3-\*ARABIC11MMC單極接地故障電流回路等效回路正常運行情況下，直流母線正負極到中性點O的電壓等于交流系統(tǒng)等效電壓與子模塊串聯(lián)電壓之和，兩者幅值相等均為直流電壓的一半，同式（3-1）將式中Ua的表達式帶入正負極的表達式，可以得到子模塊串聯(lián)得到的電壓： Upo=U當發(fā)生正極接地故障以后，接地極電壓變?yōu)?，即Upo=0，帶入式（3-3）中得到負極電壓的公式： Uno=經(jīng)上述理論分析可知,在中壓直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時,由于在中壓直流側(cè)采用了相關(guān)控制策略維持直流電壓穩(wěn)定，因此非故障極電壓在故障以后會升高為原來的2倍即極間電圧以維持極間電壓穩(wěn)定。在PSCAD中進行仿真驗證，以0.4s發(fā)生正極接地為例，相關(guān)仿真結(jié)果如REF_Ref40612863\h圖3-12所示：中壓直流母線電壓系統(tǒng)交流輸入側(cè)相電壓MMC子模塊電容電壓圖3-SEQ圖3-\*ARABIC12單極接地故障下電壓、電流波形圖由REF_Ref40866204\r\h（a）可以看出，正常運行時正負極電壓為極間電壓的一半，正極單極接地以后，接地極直流電壓降為0，非接地極電壓數(shù)值下降為極間電圧以保證中壓直流母線極間電壓值保持不變，說明了中壓直流側(cè)定直流電壓的控制策略有效，DC-DC變換環(huán)節(jié)的輸入電壓不變，因此不會對隔離級產(chǎn)生影響；REF_Ref40866244\r\h（b）中可以看到電位中性點產(chǎn)生了偏移，因此交流輸入側(cè)電位中性點由0變?yōu)?Udc2，但是仍能夠保持三相電壓幅值、頻率穩(wěn)定對稱；由圖REF_Ref40866196\r\h（c）可以看出子模塊電容電壓上下波動，接地時候子模塊電容放電，但是為了維持直流電壓穩(wěn)定，又對電容充電，因此電容電壓處于不斷充放電過程中，仿真波形與理論分析一致。1.1.2雙極短路故障圖3-13（a）為雙極短路故障以后的電路圖，故障電流主要包括交流側(cè)輸入的電流和子模塊電容放電產(chǎn)生的電流，由于上下橋臂等效電抗串聯(lián)，因此為等效電抗為2L0，短路瞬間相當于電容放電，等效電路圖如REF_Ref40613210\r\h（b）所示，為了進一步說明電流中的含量，將相關(guān)子模塊拓撲結(jié)構(gòu)帶入其中，上下橋臂子模塊表示出來雙極短路后故障電流示意圖如圖3-14所示：（a）雙極短路故障電路圖（b）雙極短路后故障電流示意圖圖3-SEQ圖3-\*ARABIC13雙極短路故障后等效電路圖圖3-SEQ圖3-\*ARABIC14雙極短路故障后故障電流示意圖由REF_Ref40614326\h圖3-14可以看出:在發(fā)生故障以后、保護動作實施需要一段時間，因此IGBT并不能立即閉鎖，在此時間段內(nèi)，由于交流電源和子模塊并聯(lián)電容會同時向中壓直流母線電流放電，在短時間內(nèi)會產(chǎn)生很大的沖擊電流，會造成功率開關(guān)元件承受過電流而損壞，同時中壓直流母線也會承受過電流，嚴重時會導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，因此需要設(shè)計子模塊過電流保護，并及時斷開交流側(cè)的斷路器，以免故障擴大。在PSCAD中進行仿真驗證：中壓直流母線電壓中壓直流母線電流交流輸入側(cè)電流DAB兩端電壓DAB原副邊電流圖3-SEQ圖3-\*ARABIC15中壓直流母線雙極短路故障下電壓、電流波形圖REF_Ref40614467\h圖3-15REF_Ref40866568\r\h（a）可以看出在發(fā)生雙極短路瞬間，中壓直流母線極間電壓迅速下降到0，由REF_Ref40866575\r\h（b）可以看出中壓直流母線電流在故障瞬間急劇增加，并最終達到一定值后趨于穩(wěn)定，該值是原來穩(wěn)態(tài)電流的數(shù)十倍，較大的沖擊電流會使導(dǎo)線受到電動力沖擊而損壞，也對電氣設(shè)備的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性提出了很高的要求，由圖REF_Ref40866582\r\h（c）可以看出系統(tǒng)交流輸入側(cè)電流發(fā)生突變，和交流側(cè)發(fā)生三相短路類似；REF_Ref40866593\r\h（d）中可以看出故障瞬間DAB原邊電壓降為0，副邊電壓產(chǎn)生一段時間的上升后也逐漸降為0，REF_Ref40866597\r\h（e）中可以看出副邊電流都出現(xiàn)了突增，說明IGBT未收到閉鎖信號的時間里，各級都會出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，但是在IGBT閉鎖以后原、副邊電流都降為0。1.4低壓直流母線故障由于DC-DC變換器提供了兩個直流端口，因此在低壓側(cè)也可能發(fā)生故障，其故障類型與中壓側(cè)類似，主要包括單極接地、雙極短路以及單極斷線故障，所以我們只分析單極短路故障，以0.4s時低壓直流側(cè)正極接地為例進行仿真分析如REF_Ref40614496\h圖3-16所示。低壓直流母線電壓低壓直流母線電流圖3-SEQ圖3-\*ARABIC16低壓直流側(cè)單極接地故障下電壓、電流波形圖本文輸出級采用的接地方式為電容中點接地。該方式有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等優(yōu)點，而且在正常運行情況下，電容還能夠起到濾波和無功補償?shù)淖饔?。在發(fā)生單極接地故障情況時，電容通過接地點形成放電回路，電容放電，使電流增大，與此同時，由于低壓直流正極接地極電壓變?yōu)?，與中壓直流母線單極接地原理類似，為了保持低壓直流母線電壓恒定,負極電壓變?yōu)樵瓉淼?倍，電壓中性點發(fā)生變化，因此逆變器也會受到單極接地故障的影響，輸出電壓中含有直流電壓和較多的諧波電壓會影響到用戶電能質(zhì)量，同時也會造成中壓母線過電流，所以也要設(shè)置過電流流保護以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。1.5輸出級故障逆變器輸出級與交流輸入側(cè)類似，可能發(fā)生的故障類型較多，包括單相接地故障，兩相相間故障，兩相接地故障，三相接地故障等，本文以發(fā)生概率最大的單相接地短路故障為例進行分析，輸出級采用的接地方式為直流側(cè)電容中點接地。故障電流通路如圖3-17所示。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC17直流側(cè)電容中點接地時交流輸出側(cè)單相接地故障電流路徑逆變器輸出相電壓中壓直流母線電壓中壓直流母線電流圖3-SEQ圖3-\*ARABIC18電容中點接地時單相接地故障仿真結(jié)果當輸入級采用接地變壓器接地、輸出側(cè)采用電容中點接地時候,發(fā)生輸出側(cè)單相接地的電路圖如REF_Ref40614573\h圖3-