張 一 張佰富 韓肖清 任春光 趙智博

直流側(cè)電容中點(diǎn)接地的混合微電網(wǎng)故障傳播機(jī)理

張 一1張佰富1韓肖清1任春光1趙智博2

（1. 電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（太原理工大學(xué)） 太原 030001 2. 中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 徐州 221000）

交直流混合微電網(wǎng)因其高效的新能源消納性能，成為未來電網(wǎng)的重要發(fā)展形式。然而交直流混合微電網(wǎng)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)使其故障響應(yīng)更為復(fù)雜，嚴(yán)重影響微電網(wǎng)安全運(yùn)行能力。該文基于雙向功率變換器連接交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)的交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，針對故障引起的交互影響問題展開研究。首先選取交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)的典型故障情況，分析故障分量在子網(wǎng)間傳播引起的諧波頻次變化和故障回路的暫態(tài)過程；然后，分別推導(dǎo)交直流子網(wǎng)電氣量在考慮系統(tǒng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)下的表達(dá)式，得出非故障子網(wǎng)對故障的響應(yīng)結(jié)果，揭示混合微電網(wǎng)故障傳播機(jī)理；最后基于Matlab/Simulink平臺(tái)搭建交直流混合微電網(wǎng)模型，并針對不同故障類型進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證推導(dǎo)的正確性。

交直流混合微電網(wǎng) 雙向功率變換器 故障傳播 機(jī)理分析

0 引言

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的制定將加速可再生能源分布式發(fā)電的高度滲透。綜合考慮分布式發(fā)電系統(tǒng)的間歇性和不確定性，其大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，分布式發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量的增加將會(huì)導(dǎo)致日益突出的新能源消納問題[1-2]。為有效地解決上述問題，交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。然而，交直流互聯(lián)結(jié)構(gòu)使交直流微電網(wǎng)的故障響應(yīng)變得復(fù)雜，使其在故障下的性能進(jìn)一步惡化[3]。因此，研究交直流混合微電網(wǎng)故障傳播機(jī)理，可為后續(xù)變換器的控制和繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)提供參考，對提升微電網(wǎng)安全運(yùn)行能力具有重要意義。

目前已有的混合微電網(wǎng)故障機(jī)理研究多集中在交流側(cè)故障機(jī)理分析及其對直流側(cè)的影響上。交流側(cè)故障及不平衡工況會(huì)導(dǎo)致負(fù)序分量的產(chǎn)生，進(jìn)而經(jīng)過AD-DC變換器造成直流電壓的二倍頻波動(dòng)[4-5]。當(dāng)直流子網(wǎng)采用雙極供電方式時(shí)，直流側(cè)電容中點(diǎn)接地可以減少正負(fù)極電壓和電流的不平衡度[6]，然而此結(jié)構(gòu)為交流接地故障的零序分量在系統(tǒng)間的傳播提供通路，使直流側(cè)受工頻諧波的影響[7-8]。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9]結(jié)合故障分量和開關(guān)函數(shù)，推導(dǎo)得出在不對稱故障時(shí)交流側(cè)受3次諧波為主要頻次的奇次諧波擾動(dòng)，這對負(fù)序分量僅引起系統(tǒng)二倍頻擾動(dòng)的認(rèn)知進(jìn)行了補(bǔ)充。相比于常規(guī)交流電網(wǎng)系統(tǒng)，交直流混合微電網(wǎng)含有更多的電力電子器件及各類分布式電源（Distribute Generation, DG），其低慣性使得系統(tǒng)抗干擾能力降低[10]。交流側(cè)故障形成的諧波擾動(dòng)令DG的輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)[11]，更不利于混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

交流系統(tǒng)故障引發(fā)的逆變側(cè)換相失敗是直流輸電系統(tǒng)中最常見的故障之一[12]，交直流系統(tǒng)間的交互影響使換相失敗問題更為復(fù)雜，為此已有文獻(xiàn)提出換流裝置的控制策略及繼電保護(hù)措施[13]，但換相失敗情形下的系統(tǒng)建模和機(jī)理分析有待深入研究。典型的直流故障特征表現(xiàn)為短路電流急劇增加，這不僅要考慮對直流線路的限流措施，還要解決直流故障對功率變換器和交流設(shè)備的影響[14]。文獻(xiàn)[6]分析了直流電纜線路發(fā)生極間短路和單極接地故障的暫態(tài)過程，并提出定位接地故障的方法。文獻(xiàn)[15-17]提出了直流配電網(wǎng)極間短路電流計(jì)算模型，但未考慮直流故障對交流線路和變換器的影響。文獻(xiàn)[18]將變換器內(nèi)的二極管用可關(guān)斷電子管代替，雖然實(shí)現(xiàn)了利用換流器對直流故障的隔離，但投資成本高且控制復(fù)雜化。

由此可見，混合微電網(wǎng)交流側(cè)故障傳播機(jī)理的研究較多，直流故障機(jī)理分析雖在不同容量的系統(tǒng)中進(jìn)行研究，但多針對極間短路故障及其限流措施，單極接地故障電流的計(jì)算模型鮮有涉及。此外，交直流混合微電網(wǎng)整體的故障交互影響缺少系統(tǒng)性的結(jié)論，本文在此互聯(lián)系統(tǒng)中開展故障傳播機(jī)理分析，為后續(xù)設(shè)計(jì)故障下的混合微電網(wǎng)協(xié)同控制策略提供理論基礎(chǔ)。

綜上所述，考慮到交直流混合微電網(wǎng)供電可靠性和電氣安全性，本文依托直流子網(wǎng)雙極供電的TT系統(tǒng)構(gòu)建交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[19-20]，由雙向功率變換器（Bidirectional Power Converter, BPC）建立交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)的聯(lián)系，如圖1所示。針對交直流混合微電網(wǎng)故障下的交互影響問題，本文選取幾種交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)的典型故障情況，分別推導(dǎo)交直流子網(wǎng)電氣量在考慮系統(tǒng)互聯(lián)下的表達(dá)式，較為完整地總結(jié)混合微電網(wǎng)非故障側(cè)對故障的響應(yīng)結(jié)果，揭示了混合微電網(wǎng)的故障傳播機(jī)理。最后基于Matlab/Simulink平臺(tái)搭建混合微電網(wǎng)模型并針對不同故障類型進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證推導(dǎo)的正確性。

圖1 交直流混合微電網(wǎng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 交流子網(wǎng)故障傳播機(jī)理分析

交直流混合微電網(wǎng)中交流子網(wǎng)的故障類型可分為對稱故障和不對稱故障，其中對稱故障為三相短路故障，不對稱故障包括單相接地故障、兩相相間短路故障、兩相接地短路故障，均會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量，且接地故障還將使系統(tǒng)中存在零序分量。

系統(tǒng)中主要參數(shù)及含義如下：dc為直流電壓源，dc為直流子網(wǎng)內(nèi)阻，dc為直流母線電壓，dc為直流子網(wǎng)穩(wěn)壓電容，ua、uc、ub為功率橋端電壓，ia、ib、ic為交流濾波電感電流，a、b、c與a、b、c為交流子網(wǎng)相電壓、相電流，、、分別為交流子網(wǎng)濾波器的電感、電阻、電容，g為交流子網(wǎng)等效阻抗，sa、sb、sc為交流子網(wǎng)電壓源。

1.1 對稱故障時(shí)的直流子網(wǎng)響應(yīng)分析

三相短路故障是對稱故障，在直流側(cè)正負(fù)極電壓平衡時(shí)電容中點(diǎn)接地結(jié)構(gòu)可等效簡化為圖2結(jié)構(gòu)，基于此分析三相短路故障下的直流子網(wǎng)響應(yīng)情況。

圖2 等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

交直流混合微電網(wǎng)功率變換器開關(guān)器件的開關(guān)函數(shù)定義為

結(jié)合開關(guān)函數(shù)，對雙向功率變換器的交流出口側(cè)列寫三相KVL方程可得

根據(jù)式（1）構(gòu)建的BPC開關(guān)函數(shù)模型，忽略錄波器的分壓和分流，交、直流子網(wǎng)的電壓和電流關(guān)系[21]為

式中，代表電壓或電流。

結(jié)合基爾霍夫電流定律和式（3），在直流側(cè)電容正極處有

式（5）的全解由通解和特解組成，其中通解根據(jù)式（6）齊次微分方程得到。

經(jīng)計(jì)算，通解的特征根為

可見特征根無論形式如何，其實(shí)部均為負(fù)數(shù)，即式（6）的通解是衰減函數(shù)，因此在三相短路故障下該系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)是收斂的[22]。

經(jīng)計(jì)算求得

1.2 不對稱故障時(shí)的直流子網(wǎng)響應(yīng)分析

由于所有的不對稱故障都將產(chǎn)生負(fù)序分量，此外圖1所示的直流子網(wǎng)采用雙極供電方式且電容中點(diǎn)直接接地，此結(jié)構(gòu)可為接地故障下的零序分量提供通路。因此，本節(jié)同時(shí)考慮交流子網(wǎng)負(fù)序分量和零序分量對直流子網(wǎng)的影響情況。

1.2.1 負(fù)序分量對直流子網(wǎng)的影響

在單相接地故障引起的三相電網(wǎng)不平衡條件下，交流子網(wǎng)的視在復(fù)功率為

求解式（12）可得

根據(jù)功率守恒原則，在ac含有二次諧波的同時(shí)，直流子網(wǎng)功率也存在與交流子網(wǎng)二倍頻波動(dòng)相等的部分。因此，在負(fù)序分量作用下，系統(tǒng)中傳輸功率含有二次諧波。

將式（3）中的開關(guān)函數(shù)做傅里葉級數(shù)展開[23]，可得

為簡化分析過程，只計(jì)及其中的常數(shù)項(xiàng)和基頻分量，開關(guān)函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開式簡化為

綜上所述，交流子網(wǎng)單相接地故障產(chǎn)生的負(fù)序分量和開關(guān)函數(shù)基頻分量將引發(fā)直流子網(wǎng)電壓、電流的二倍頻波動(dòng)；并且2次諧波因系統(tǒng)互聯(lián)而反作用到交流子網(wǎng)，導(dǎo)致交流電壓產(chǎn)生3次諧波。由于3次諧波呈現(xiàn)零序分量特征，這將進(jìn)一步擴(kuò)大零序分量對交流子網(wǎng)的影響，惡化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能力。

1.2.2 零序分量對直流子網(wǎng)的影響

圖3 接地故障零序分量通路

零序分量通過BPC傳播至直流子網(wǎng)時(shí)，直流電流變化為

上述分析表明交流子網(wǎng)單相接地故障下的零序故障分量通過BPC傳播到直流子網(wǎng)，引發(fā)直流電壓、電流的工頻波動(dòng)，并且因系統(tǒng)互聯(lián)再反作用到交流子網(wǎng)，導(dǎo)致交流電壓產(chǎn)生2次諧波。

由式（23）可知直流子網(wǎng)次諧波經(jīng)BPC變換到交流子網(wǎng)時(shí)，產(chǎn)生頻次為-1、+1的諧波擾動(dòng)；式（24）中交流子網(wǎng)次諧波經(jīng)BPC變換到直流子網(wǎng)時(shí)，產(chǎn)生頻次為-1的諧波擾動(dòng)。

2 直流子網(wǎng)故障傳播機(jī)理分析

直流子網(wǎng)的典型故障類型有極間短路故障和單極接地故障。由于直流子網(wǎng)內(nèi)阻小使得故障電流大且上升速度快，為避免燒毀BPC的絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT），故障瞬間IGBT因其自我保護(hù)功能可立即關(guān)斷。然而，交流子網(wǎng)會(huì)通過續(xù)流二極管供給短路電流，這將無法隔離直流故障，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[13]。

2.1 極間短路故障時(shí)的交流子網(wǎng)響應(yīng)特性

直流子網(wǎng)極間短路故障如圖4所示。故障初始電容放電階段，直流電容電壓dc大于交流線電壓，形成二階放電回路。

圖4 直流子網(wǎng)極間短路故障

圖5 交流饋流階段短路電流路徑

當(dāng)直流電壓dc衰減振蕩過零時(shí)進(jìn)入二極管同時(shí)導(dǎo)通階段，直流子網(wǎng)短路電抗的反電動(dòng)勢使BPC的所有二極管同時(shí)導(dǎo)通，從而將直流電壓dc鉗位為零。直流子網(wǎng)形成一階放電回路，同時(shí)因續(xù)流二極管全部導(dǎo)通，交流子網(wǎng)等效為發(fā)生三相短路[24]，如圖6所示。

圖6 二極管同時(shí)導(dǎo)通階段等效圖

根據(jù)式（25），在二極管同時(shí)導(dǎo)通階段內(nèi)，交流短路電流由周期分量和非周期分量構(gòu)成，直流短路電流隨時(shí)間增加而衰減。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，由于三相電路對稱，各相交流短路電流呈現(xiàn)正弦變化且幅值相等、相位差120°，其幅值大小取決于交流電源幅值和交直流子網(wǎng)短路回路的總阻抗。

2.2 單極接地故障時(shí)的交流子網(wǎng)響應(yīng)特性

直流子網(wǎng)單極接地故障如圖7所示。故障初始電容放電階段，直流子網(wǎng)正極電壓p大于交流相電壓，形成了放電回路。當(dāng)p衰減到低于交流子網(wǎng)相電壓時(shí)，進(jìn)入交流饋流階段，如圖8所示。由于交流子網(wǎng)是正常運(yùn)行狀態(tài)，仍對直流子網(wǎng)母線供電，在正極電容電壓p因接地保持為零時(shí)，負(fù)極n電位由-0.5dc變?yōu)?dc，正負(fù)極電位差仍是dc。

圖7 直流子網(wǎng)單極接地故障

在交流饋流階段中，下橋臂二極管陽極與直流子網(wǎng)負(fù)極線路相連，前述分析得負(fù)極線路電位為-dc，因此下橋臂二極管處于關(guān)斷狀態(tài)；上橋臂二極管陰極電位接近于0，陽極電位變化與交流源一致，故其導(dǎo)通情況和交流電壓值的變化緊密相關(guān)。具體分為六個(gè)階段，如圖9所示。

圖8 單極接地故障交流饋流階段

圖9 分段示意圖

階段Ⅰ～Ⅵ所對應(yīng)二極管導(dǎo)通情況見表1。

表1 各階段二極管導(dǎo)通情況

Tab.1 Diode conduction at each stage

對階段Ⅰ的故障情況進(jìn)行分析，其短路電流路徑如圖10所示。

圖10 階段Ⅰ各橋臂二極管導(dǎo)通情況

其中，周期分量為

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓法計(jì)算短路電流周期分量為

由式（32）、式（34）可得階段Ⅰ內(nèi)的全電流公式為

由式（40）可得

將式（42）代入式（41）得

由式（43）可知，經(jīng)過六階段的變化，a相電流在周期末6時(shí)刻的值恰好與周期初始（=0）時(shí)的電流值相等，即每個(gè)周期的故障電流在都將循環(huán)進(jìn)行階段Ⅰ～階段Ⅵ的變化過程。

因此在直流子網(wǎng)單極接地故障、交流子網(wǎng)正常運(yùn)行的前提下，交流饋流暫態(tài)階段中BPC借助交流電壓變化實(shí)現(xiàn)換流，因此不同電壓值對應(yīng)的導(dǎo)通回路也不相同。經(jīng)過推導(dǎo)各階段故障電流表達(dá)式，可見第1個(gè)周期初始時(shí)刻電流值與第個(gè)周期初始的電流值相等，說明交流電流呈現(xiàn)周期性變化特點(diǎn)，且因二極管的單相導(dǎo)通特性，各相交流電流均為正值。

3 仿真分析

為驗(yàn)證上述交直流子網(wǎng)故障交互影響分析，借助Matlab/Simulink平臺(tái)搭建圖1所示的交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，仿真模型相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 仿真模型相關(guān)參數(shù)

Tab.2 Simulation model related parameters

交流子網(wǎng)故障時(shí)，直流子網(wǎng)正常運(yùn)行，雙向功率變換器工作在逆變狀態(tài)，其交流出口處相電壓有效值為220 V。

交流子網(wǎng)三相短路故障時(shí)直流母線電壓幅值的變化情況如圖11所示。0.4 s時(shí)發(fā)生三相短路故障，當(dāng)故障距BPC交流出口1 km時(shí)，直流電壓由688 V降至613 V；當(dāng)故障距BPC交流出口3 km時(shí)，直流電壓由688 V降至646 V。

圖11 三相短路故障時(shí)直流子網(wǎng)響應(yīng)情況

可以明顯比較出在交流子網(wǎng)三相短路故障情況下，故障點(diǎn)離變換器越近，電壓跌落幅度越大，驗(yàn)證了式（8）直流母線電壓跌落幅度與故障點(diǎn)距雙向功率變換器交流出口距離成反比的結(jié)論。

圖12為交流子在單相接地故障下的BPC交流出口處傳輸功率變化曲線。仿真系統(tǒng)設(shè)置在0.4 s時(shí)發(fā)生單相接地故障，觀察圖中_output、_output波形，經(jīng)測量得其波動(dòng)周期為0.01 s，由此證實(shí)系統(tǒng)中傳輸功率因故障產(chǎn)生的負(fù)序分量引發(fā)二倍頻波動(dòng)。對于直流子網(wǎng)電容中性點(diǎn)直接接地的交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，正、負(fù)極電容電壓pn因接地故障的零序分量而受到工頻共模擾動(dòng)的影響，但對直流母線電壓的影響較小，其電壓偏移率僅為±0.465%，如圖13所示。

圖12 不對稱故障時(shí)的傳輸功率波形

圖13 接地故障時(shí)的直流子網(wǎng)電壓波形變化情況

圖14 不同故障類型下idc、uac諧波含量示意圖

直流子網(wǎng)故障時(shí)，交流子網(wǎng)正常運(yùn)行，雙向功率變換器工作在整流狀態(tài)，直流母線電壓為700 V。

圖15為直流子網(wǎng)極間短路故障下的交流電流響應(yīng)波形。由于在二極管同時(shí)導(dǎo)通階段交流子網(wǎng)等效為發(fā)生三相短路故障，交流電流也迅速增大為三相短路電流，隨著電流中非周期分量的衰減，三相電流穩(wěn)態(tài)下呈現(xiàn)正弦對稱波形。穩(wěn)態(tài)時(shí)計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果下的電流幅值分別為67.24 A、65.5 A，誤差為2.66%，基本符合式（25）電流表達(dá)式。

圖15 極間短路故障時(shí)的交流電流波形

圖16為直流子網(wǎng)單極接地時(shí)a相故障電流波形。根據(jù)3.2節(jié)分析，在交流饋流階段因二極管工作在不控整流的狀態(tài)，交流短路電流單向變化，計(jì)算結(jié)果中的故障電流峰值為76.1 A，略大于仿真結(jié)果的73.06 A，誤差為4.11%。

圖16 單極接地故障時(shí)的交流電流波形

由于理論分析時(shí)，不計(jì)及直流子網(wǎng)內(nèi)阻dc，若考慮其對短路電流的影響，短路電流的增長速度將慢于衰減速度。式（41）的電流表達(dá)式具體修正為

圖17 b相Ⅰ～Ⅵ階段交流電壓與故障電流的對應(yīng)關(guān)系

圖18將極間短路故障和單極接地故障的續(xù)流二極管電流波形進(jìn)行對比。直流子網(wǎng)兩類故障的暫態(tài)過程都經(jīng)歷了電容放電階段和交流饋流階段，但極間短路故障二極管電流相比于單極接地故障時(shí)出現(xiàn)急劇過電流的現(xiàn)象，約為正常運(yùn)行時(shí)的3倍。其不同之處在于盡管處于電容放電階段，兩類故障下的電容電壓都因系統(tǒng)欠阻尼狀態(tài)而滿足振蕩過零的條件，但單極接地時(shí)有交流子網(wǎng)支撐的非故障極電壓可維持dc不過零，從而不會(huì)進(jìn)入類似二極管同時(shí)導(dǎo)通的第Ⅲ階段，交流子網(wǎng)也不存在三相短路電流。

圖18 續(xù)流二極管電流波形

4 結(jié)論

本文基于雙向功率變換器連接交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)的交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行故障傳播機(jī)理研究，并在Matlab/Simulink平臺(tái)對理論推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，其故障相應(yīng)情況總結(jié)如下：

1）交流子網(wǎng)三相短路故障造成直流母線電壓跌落，且故障點(diǎn)距BPC越近，跌落幅度越大。此外，交流次諧波經(jīng)BPC變換到直流子網(wǎng)產(chǎn)生-1次諧波擾動(dòng)；直流次諧波經(jīng)BPC變換到交流子網(wǎng)分別產(chǎn)生-1、+1次諧波擾動(dòng)。

2）直流子網(wǎng)極間短路故障時(shí)，交流子網(wǎng)可等效為三相短路故障的狀態(tài)；直流子網(wǎng)單極接地故障時(shí)，續(xù)流二極管工作在不控整流的狀態(tài)，且因其單向?qū)ㄗ饔檬沟媒涣鞫搪冯娏鞑ㄐ尾辉俪尸F(xiàn)正弦變化。同時(shí)，理論推導(dǎo)的短路電流表達(dá)式計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差不超過5%。此外，經(jīng)過對比兩類故障下的續(xù)流二極管電流波形，極間短路故障相比于單極接地時(shí)的故障電流急劇增加，更易損壞開關(guān)器件。

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Fault Propagation Mechanism of Hybrid Microgrid with Neutral Grounding of DC Side Capacitor

Zhang Yi1Zhang Baifu1Han Xiaoqing1Ren Chunguang1Zhao Zhibo2

（1. Shanxi Key Laboratory of Power System Operation and Control Taiyuan University of Technology Taiyuan 030001 China 2. School of Resources and Geosciences China University of Mining and Technology Xuzhou 221000 China）

The AC-DC hybrid microgrid will become an important development form of the future power grid due to the efficient renewable energy consumption performance. However, the interconnection structure of AC-DC hybrid microgrid complicates the fault response and decreases the system robustness. In this paper, the typical structure of hybrid microgrid includes AC sub-grid, DC sub-grid, and a bidirectional power converter (BPC), and the response characteristics of non-fault sub-grid to fault are analyzed. The systematic and complete fault response characteristic analysis results can provide a theoretical basis for the design of hybrid microgrid cooperative control or cooperative protection strategy under fault conditions.

The harmonic frequency change principle and the transient process of the fault loop caused by the propagation of fault components between sub-grids under typical fault conditions are analyzed in this paper. On this basis, the voltage and current expressions of the AC and DC sub-grids are deduced respectively with the consideration of the system interconnection structure. And then, the response results of the non-faulty sub-grid to the faulty sub-grid are obtained, which reveals the fault propagation mechanism of the hybrid microgrid. In the state of AC sub-grid fault, the harmonic transformation process caused by the propagation of negative sequence components and zero sequence components generated by symmetrical faults and asymmetric faults through BPC is deeply analyzed, and the general harmonic transformation expression is given. For the inter pole short-circuit fault and single pole grounding fault of DC sub-grid, this paper analyzes the transient process of short-circuit current loop in different stages, and deduces the expression of AC short-circuit current affected by DC sub-grid faults. The magnitude of the short-circuit current under a single-pole grounding fault is related to the BPC switch state. And the short-circuit current is characterized in the form of a piecewise function, by dividing the switch state of BPC, Furthermore, an AC-DC hybrid microgrid model is built and simulated for different fault types based on the Matlab/Simulink platform. And the following conclusions can be drawn：

1) DC bus voltage drop will be caused by three phase short-circuit fault. And the closer the faulted point is to BPC, the greater the drop amplitude is. In addition, (+1)-th harmonics will be generated in DC sub-grid, when the n-th harmonic on the AC sub-grid is converted to DC sub-grid. And the (+1)-th harmonics in DC sub-grid will react to the AC sub-grid and generate (±1)-th harmonics.

2) AC sub-grid can be equivalent to the state of three-phase short-circuit fault, when a inter pole short-circuit occurs in DC sub-grid. In case of single pole grounding fault of DC sub-grid, the freewheeling diode works in the state of uncontrolled rectification, and the AC short-circuit current waveform no longer presents sinusoidal changes due to the unidirectional conduction. At the same time, the error between theoretical derivation and simulation results is less than 5%. Compared with the fault current of single-pole grounding, the fault current increases more rapidly in the inter pole short-circuit fault state by comparing the freewheeling diode current waveforms under two types of faults, which is more likely to damage the switching device.

AC-DC hybrid microgrid, bidirectional power converter, fault propagation, mechanism analysis

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220834

TM713

國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U1910216）和山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃青年科學(xué)研究項(xiàng)目（202203021212288）資助。

2022-05-16

2022-07-30

張 一 女，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榻恢绷骰旌衔㈦娋W(wǎng)、雙向功率變換器控制。E-mail：m13115202590@163.com

張佰富 男，1992年生，講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制，新能源發(fā)電與智能電網(wǎng)等。E-mail：zhangbaifu92@163.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）