孫曉云 同向前 高 鑫

（1.西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 西安 710048 2.西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 西安 710054 3.國(guó)家電網(wǎng)公司西北分部 西安 710048）

1 引言

柔性直流輸電系統(tǒng)（Voltage Source Converters Based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC）是應(yīng)綠色電網(wǎng)、新能源發(fā)電并網(wǎng)要求而發(fā)展起來(lái)的一種新型直流輸電技術(shù)。以自關(guān)斷器件IGBT 構(gòu)成電壓源型換流器，結(jié)合脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功、無(wú)功功率的獨(dú)立控制，無(wú)需額外濾波裝置，具有設(shè)備功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。VSC-HVDC 由電壓源換流站（VSC）、交流系統(tǒng)和直流輸電系統(tǒng)三部分構(gòu)成。當(dāng)柔性直流輸電任何一部分出現(xiàn)故障時(shí)，構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備或組件都可能承受過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱等不正常應(yīng)力，如果未及時(shí)診斷故障、采取有效保護(hù)措施，嚴(yán)重情況下會(huì)損壞電壓源換流站中最為昂貴的全控電力電子器件或其他重要部件，由此造成柔性直流輸電系統(tǒng)不能快速恢復(fù)運(yùn)行，給用戶造成更大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此快速準(zhǔn)確地查找故障位置，進(jìn)而采取合理的策略保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)意義重大。

作為VSC-HVDC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交直流變換的關(guān)鍵器件，IGBT 閥體故障尤為值得關(guān)注。根據(jù)不同的失效后果，可將IGBT 閥故障分為短路失效故障和開(kāi)路失效故障[2-5]。IGBT 閥短路失效故障主要由誤驅(qū)動(dòng)、過(guò)電壓擊穿和熱擊穿所導(dǎo)致，若閥串聯(lián)組件中的某個(gè)開(kāi)關(guān)管發(fā)生短路失效故障，通過(guò)串聯(lián)器件的冗余可得到暫時(shí)性的解決。IGBT 閥開(kāi)路失效故障主要是由于器件燒毀或因觸發(fā)脈沖丟失導(dǎo)致整個(gè)閥臂無(wú)法開(kāi)通，若發(fā)生IGBT 閥開(kāi)路失效故障，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器的異常運(yùn)行。因此，準(zhǔn)確識(shí)別換流器的閥開(kāi)路失效位置至關(guān)重要。

目前，國(guó)內(nèi)外在柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)主要集中在VSC-HVDC 的數(shù)學(xué)模型、運(yùn)行特性、控制策略和保護(hù)方式等方面[6-10]，對(duì)于 VSCHVDC 系統(tǒng)故障類(lèi)型的診斷研究較少[11,12]，關(guān)于IGBT 閥故障診斷方面的研究鮮有論述。

本文主要研究了柔性直流輸電系統(tǒng)中IGBT 閥開(kāi)路失效的故障診斷問(wèn)題。首先仿真分析了 VSCHVDC 系統(tǒng)在IGBT 閥開(kāi)路失效故障時(shí)的電流響應(yīng)特性，研究了系統(tǒng)傳輸功率突變對(duì)網(wǎng)側(cè)交流電流波形的影響，利用短時(shí)傅里葉變換提取故障電流特征，提出一種基于故障電流特征的運(yùn)算簡(jiǎn)便快速的故障元件定位策略，結(jié)果驗(yàn)證了該算法能快速準(zhǔn)確地確定故障位置，并能有效避免因系統(tǒng)傳輸功率突變而引起的誤診斷問(wèn)題。

2 IGBT 閥開(kāi)路失效時(shí)的電流響應(yīng)特性

兩電平VSC-HVDC 系統(tǒng)拓?fù)鋱D及各物理量的參考方向如圖1 所示。設(shè)圖中左側(cè)的換流站為送端站，右側(cè)的換流站為受端站，相應(yīng)的物理量分別以下標(biāo)“1”和“2”表示。為分析方便，假設(shè)三相主電路參數(shù)完全相同，串聯(lián)電抗器等效電阻和電感分別為R和L，直流電容器等效電容為C，直流輸電線路等效電阻和電感分別為Rd和Ld。

圖1 VSC-HVDC 系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 The topology of VSC-HVDC system

以送端IGBT 閥VT11發(fā)生開(kāi)路失效故障為例，分析柔性直流輸電系統(tǒng)的三相交流電流響應(yīng)特性。

（1）當(dāng)ia1＞0 時(shí)，若VT11正常工作，電流ia1經(jīng)過(guò)兩個(gè)路徑形成通路。在VT11關(guān)斷、VT12導(dǎo)通時(shí)，ia1通過(guò)VT12正向續(xù)流；在VT11導(dǎo)通、VT12關(guān)斷時(shí)，ia1通過(guò)VD11正向續(xù)流。在ia1＞0 的整個(gè)區(qū)間VT11不參與電路運(yùn)行，VT11故障不影響電路拓?fù)錉顟B(tài)，電流ia1、ib1、ic1波形沒(méi)有畸變。

（2）當(dāng)ia1＜0 時(shí)，若VT11正常工作，電流ia1經(jīng)過(guò)兩個(gè)路徑形成通路。在VT11關(guān)斷、VT12導(dǎo)通時(shí)，ia1通過(guò)VD12形成通路反向續(xù)流；在VT11導(dǎo)通、VT12關(guān)斷時(shí)，ia1通過(guò)VT11形成通路反向續(xù)流。若VT11發(fā)生開(kāi)路故障，在VT11關(guān)斷、VT12導(dǎo)通時(shí)，ia1通過(guò)VD12反向續(xù)流，VT11故障不影響電路拓?fù)錉顟B(tài)；在VT11導(dǎo)通、VT12關(guān)斷時(shí)，因VT11的故障，ia1不能通過(guò)VT11反向續(xù)流，此時(shí)由于電感L1電流不能突變，VD12立即導(dǎo)通，ia1通過(guò)VD12反向續(xù)流。這樣，在ia1＜0 的整個(gè)區(qū)間，VD12一直導(dǎo)通。

基于PSCAD/EMTDC 軟件建立系統(tǒng)仿真模型，仿真條件為:交流系統(tǒng)線電壓為10kV；直流側(cè)額定電壓為20kV；交流側(cè)濾波電感為10mH；直流側(cè)電容為500μF；采用背靠背運(yùn)行方式，系統(tǒng)采取幅相控制策略，送端換流器采用定有功功率、定無(wú)功功率的控制方式，受端換流器采用定直流電壓、定無(wú)功功率的控制方式；仿真過(guò)程中有功功率設(shè)定為5MW，送端和受端的無(wú)功功率設(shè)定值均為2Mvar。圖2 給出了VT11在5.005s 發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)的交流電流及直流側(cè)電壓波形。

圖2 故障信號(hào)波形（ia1＞0,VT11閥故障）Fig.2 Fault signal waveforms（ia1＞0,breakdown of VT11）

由圖2 可知，在ia1＞0 時(shí)，VT11發(fā)生開(kāi)路故障，因VT11開(kāi)路不影響電路拓?fù)錉顟B(tài)，ia1在故障后的第一個(gè)正半周，送端交流電流波形未改變，系統(tǒng)仍正常運(yùn)行；當(dāng)ia1出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)后，IGBT 開(kāi)路故障改變了電路拓?fù)錉顟B(tài)，送端三相交流電流ia1、ib1、ic1都出現(xiàn)了直流分量。觀察圖2 發(fā)現(xiàn)，VT11開(kāi)路故障后，送端A 相電流ia1波形只有正半周，未出現(xiàn)從正半周轉(zhuǎn)換到負(fù)半周的狀況，原因是當(dāng)電流ia1從大于0的區(qū)間過(guò)渡到0 之后，因VT11故障且VD12處于截止?fàn)顟B(tài)，未形成ia1＜0 的電流回路，從而送端A 相電流只有正半周波形。

從圖2 還看出，送端換流器發(fā)生IGBT 閥開(kāi)路故障后，受端換流器三相交流電流ia2、ib2、ic2也出現(xiàn)了直流分量；且直流電壓udc2出現(xiàn)了基頻波動(dòng)，波動(dòng)幅度達(dá)到額定值的3%?？蓮念l譜分析的角度分析該現(xiàn)象:送端故障相電流的直流分量和二次諧波電流及非故障相電流的直流分量，通過(guò)PWM 調(diào)制在直流電流中產(chǎn)生基頻波動(dòng)；直流電流的基頻波動(dòng)通過(guò)直流電容器的充放電將引起直流電壓基頻波動(dòng)；直流電壓的基頻波動(dòng)再通過(guò)PWM 的調(diào)制，引起受端電壓交流側(cè)輸出直流分量和二次諧波分量，進(jìn)而導(dǎo)致三相交流電流產(chǎn)生了直流分量和二次諧波分量，由于受端電感的濾波作用，受端交流電流的二次諧波分量的幅值很小。

如果 VSC-HVDC 系統(tǒng)受端換流器的上橋臂IGBT 閥出現(xiàn)開(kāi)路失效故障，受端故障相電流也會(huì)出現(xiàn)畸變，在一個(gè)工頻周期只有正半周，而該側(cè)另兩相交流電流包含直流分量；同時(shí)受端換流器的故障會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電壓出現(xiàn)基頻波動(dòng)，進(jìn)一步影響到送端換流器，使其三相交流電流也出現(xiàn)直流分量。系統(tǒng)受端發(fā)生 IGBT 的開(kāi)路故障特性與送端發(fā)生IGBT 的開(kāi)路故障特性基本相同，因篇幅所限，本文沒(méi)有給出受端IGBT 閥開(kāi)路失效故障時(shí)的仿真結(jié)果。

3 基于標(biāo)幺化直流分量的故障診斷方法

由上述器件開(kāi)路故障時(shí)的電流響應(yīng)特性可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的上橋臂器件發(fā)生故障，該故障相電流只有正半周，直流分量大于零，當(dāng)系統(tǒng)的下橋臂器件發(fā)生故障，該故障相電流只有負(fù)半周，直流分量小于零。依據(jù)這種故障運(yùn)行特性，以交流側(cè)三相電流的直流分量為故障診斷變量，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生開(kāi)路故障，并確定故障所在位置。

設(shè)x(n)為VSC-HVDC 網(wǎng)側(cè)送端（受端）任意一相電流信號(hào)的采樣值，N為交流電流基波信號(hào)一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。以式（1）實(shí)時(shí)計(jì)算信號(hào)的直流分量，再用式（2）實(shí)時(shí)計(jì)算信號(hào)的絕對(duì)值直流分量，最后標(biāo)幺化處理交流電流的直流分量，得到故障診斷變量如式（3）所示。

如果VSC-HVDC 系統(tǒng)正常運(yùn)行，網(wǎng)側(cè)交流電流信號(hào)只有基波分量，故障診斷變量E(n) 約為0。當(dāng)系統(tǒng)一側(cè)換流器出現(xiàn)IGBT 閥開(kāi)路失效時(shí)，若上橋臂故障，該故障相的診斷變量為1，若下橋臂故障，該故障相的診斷變量為-1；因交流側(cè)采用三相三線制，三相交流電流中的直流分量之和為零，該側(cè)非故障相電流直流分量大小約為故障相的一半，標(biāo)幺化處理后的非故障相診斷變量范圍在（0，±d1）（d1＜1）。而對(duì)于沒(méi)有故障的另一側(cè)換流器來(lái)說(shuō)，由于受到故障的影響，三相電流均出現(xiàn)直流分量，但該側(cè)每一相交流電流在一個(gè)周期內(nèi)既有正的幅值也有負(fù)的幅值，標(biāo)幺化處理的診斷變量范圍在（0，±d2）（d2＜1）。圖3 給出了交流電流故障診斷變量范圍d1、d2隨參數(shù)I/IN（I為交流電流有效值，IN為額定電流有效值）變化的曲線，由圖3 可看出故障診斷變量的幅值范圍基本不受電流幅值的影響，d1約為0.8，d2約為0.91。所以交流側(cè)的故障診斷變量E(n)是十分可靠的診斷變量，僅依據(jù)系統(tǒng)送端（受端）交流電流診斷變量E(n)的大小，就能夠正確判別故障IGBT 的所在位置。

圖3 參數(shù)d1、d2與I/IN的關(guān)系Fig.3 The relationship between I/INand d1,d2

4 故障診斷方法的改進(jìn)

VSC-HVDC 系統(tǒng)靈活運(yùn)行，通過(guò)改變有功功率、無(wú)功功率參數(shù)可快速調(diào)整傳輸功率。若有功功率、無(wú)功功率參數(shù)突然改變時(shí)，在控制策略的作用下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整，出現(xiàn)暫態(tài)運(yùn)行狀況，其網(wǎng)側(cè)交流電流會(huì)發(fā)生改變。如圖4 所示，3.5s 時(shí)系統(tǒng)發(fā)送端傳輸功率從-4MW、-2.5Mvar 突變?yōu)?4MW、-2.5Mvar，系統(tǒng)傳輸功率突變，出現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)的情況，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，在一段時(shí)間內(nèi)（＞20ms）送端電流幅值一直大于零或一直小于零，該側(cè)交流電流的故障相診斷變量E(n) 為±1，因此，如果僅依賴E(n) 則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的診斷結(jié)果，必須對(duì)診斷方法進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 潮流反轉(zhuǎn)時(shí)電流波形Fig.4 The AC current of power flow inversion

在信號(hào)時(shí)頻分析中，短時(shí)傅里葉變換是研究非平穩(wěn)信號(hào)廣泛使用的方法[13,14]，基本思想是使用一個(gè)隨時(shí)間滑動(dòng)的分析窗對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行加窗截?cái)嗵幚?，將非平穩(wěn)信號(hào)分解成一系列近似平穩(wěn)的短時(shí)信號(hào)，然后用傅里葉變換理論分析各短時(shí)平穩(wěn)信號(hào)的頻譜，從而將時(shí)域和頻域綜合起來(lái)描述觀察信號(hào)的時(shí)頻聯(lián)合特征，構(gòu)成信號(hào)的時(shí)頻譜。因?yàn)閂SC-HVDC 系統(tǒng)傳輸功率經(jīng)常改變，系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)交流電流是隨時(shí)間變化的非平穩(wěn)信號(hào)，其頻譜特性也隨時(shí)間的變化而變化。因此利用短時(shí)傅里葉變換滑動(dòng)分析網(wǎng)側(cè)交流電流，提取出有效特征，以此特征作為輔助的故障診斷變量，判斷系統(tǒng)是否處在傳輸功率突變的暫態(tài)運(yùn)行過(guò)程，從而避免因系統(tǒng)傳輸功率突變引起的誤診斷問(wèn)題。

定義一個(gè)時(shí)域離散信號(hào)x(n)(n=0,1,…,L) 的短時(shí)傅里葉變換[13]為

式中，g(m)為窗函數(shù)；ω為連續(xù)頻率變量。

設(shè)x(n) 為送端（受端）任意一相電流信號(hào)的采樣值，若信號(hào)基波周期的采樣點(diǎn)數(shù)為N（L≥N），選取窗函數(shù)g(m) 為矩形窗序列RN(m)，利用N點(diǎn)離散傅里葉變換計(jì)算交流電流x(n) 的短時(shí)傅里葉變換，實(shí)時(shí)分析計(jì)算x(n)在（n，n+N-1）區(qū)間內(nèi)頻譜特性，信號(hào)第n+N-1 點(diǎn)基波分量為

信號(hào)x(n) 第n+N點(diǎn)基波分量為

式（6）中，令m+1=m'，進(jìn)一步得到

若系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，網(wǎng)側(cè)交流電流x(n) 是周期為N的周期序列，對(duì)信號(hào)在任意周期的求和結(jié)果相同，將式（7）的求和區(qū)間改在主值區(qū)間，推出

從式（8）看到，若系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)交流電流x(n) 第n+N點(diǎn)與第n+N-1 點(diǎn)的基波相位差為2π/N。

由上述分析推導(dǎo)看出，如果系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，交流電流x(n)前后兩點(diǎn)的基波相位差為2π/N，而系統(tǒng)傳輸功率突變時(shí)，任一相交流電流x(n) 前后兩點(diǎn)的基波相位差就會(huì)出現(xiàn)較大變化。因此，本文依據(jù)網(wǎng)側(cè)交流電流的基波分量相位差判定系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。首先根據(jù)式（5）、式（6）的定義，用式（9）計(jì)算交流電流第n+N-1 點(diǎn)基波相位θ(n+N-1)，用式（10）計(jì)算交流電流第n+N點(diǎn)基波相位θ(n+N)，然后用式（11）計(jì)算得到交流電流基波分量前后兩點(diǎn)間的相位差β(n+N)，最后用式（12）確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。如果網(wǎng)側(cè)送端（受端）三相交流電流的相位差β(n+N) 在給定范圍內(nèi)，相位差診斷變量P(n+N) 全部都是1，認(rèn)為系統(tǒng)此刻處于穩(wěn)定運(yùn)行，否則判定系統(tǒng)處于傳輸功率突變的暫態(tài)運(yùn)行。

式（12）中，選取門(mén)限值β1、β2，考慮到系統(tǒng)出現(xiàn)IGBT 閥開(kāi)路故障時(shí)，盡管基波相位差幅值會(huì)出現(xiàn)小幅度變化，但仍需被判定為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，所以根據(jù)IGBT 閥開(kāi)路故障情況下故障相電流基波相位差出現(xiàn)波動(dòng)的范圍，選取門(mén)限經(jīng)驗(yàn)值β1約為β2約為

根據(jù)前面仿真結(jié)果得知，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)傳輸功率突變的情況時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，如果僅依賴標(biāo)幺化直流分量E(n)易出現(xiàn)錯(cuò)誤診斷現(xiàn)象。為此增加基波電流相位差P(n)作為故障診斷輔助變量，判斷系統(tǒng)是否處在傳輸功率突變的暫態(tài)運(yùn)行，從而避免誤診、提高故障診斷的準(zhǔn)確度。綜上所提出的故障定位方法流程如下:首先用式（9）～式（12）實(shí)時(shí)計(jì)算網(wǎng)側(cè)送端（受端）交流電流的故障診斷變量Pai、Pbi、Pci(i=1,2)，如果網(wǎng)側(cè)送端（受端）任一相交流電流的相位差診斷變量不等于1，判定系統(tǒng)處于傳輸功率的突變過(guò)程中；如果網(wǎng)側(cè)送端（受端）三相交流電流的相位差故障診斷變量均為1，判定系統(tǒng)不是處于傳輸功率突變過(guò)程中，然后再用式（1）～式（3）計(jì)算網(wǎng)側(cè)送端（受端）交流電流的故障診斷變量Eai、Ebi、Eci(i=1,2)，確定IGBT 閥的故障位置?？紤]到圖3 給出的非故障相故障診斷變量E(n)范圍及實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行噪聲的影響，設(shè)閾值δ=0.96，故障診斷變量Eai、Ebi、Eci(i=1,2) 和Pai、Pbi、Pci(i=1，2) 與IGBT 閥故障位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)下表。

5 診斷方法的仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述故障診斷方法在柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的準(zhǔn)確性和可靠性，搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。仿真過(guò)程中模擬柔性直流輸電系統(tǒng)傳輸功率的突變過(guò)程，VSC-HVDC 系統(tǒng)在3.5s 時(shí)出現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)，發(fā)送端傳輸功率參數(shù)從-5MW、-3Mvar 突變?yōu)?MW、-3Mvar，3.8s 時(shí)送端電壓換流器的IGBT 閥VT13發(fā)生失效開(kāi)路故障，仿真結(jié)果如圖5～圖8 所示。

表 故障診斷變量與IGBT 故障元件的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab. The relationship between IGBT fault and diagnosis variables

圖5 送端換流器仿真結(jié)果Fig.5 The simulation results of sending end

圖6 受端換流器仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results of receiving end

圖7 基于標(biāo)幺化直流分量的故障診斷結(jié)果Fig.7 Diagnosis results based on per-unit DC component

圖8 基于改進(jìn)標(biāo)幺化直流分量的故障診斷結(jié)果Fig.8 Diagnosis results based on modified per-unit DC component

圖5 給出了VSC-HVDC 的送端換流器的仿真結(jié)果，由圖5 可以看出當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，網(wǎng)側(cè)交流電流動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，送端電流波形在一段時(shí)間內(nèi)（＞20ms）只有正幅值（或負(fù)幅值）。由送端三相電流的標(biāo)幺化直流量Ea1、Eb1、Ec1及基波信號(hào)相位差角度βa1、βb1、βc1可看到，因交流電流動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，送端電流標(biāo)幺化直流量約在3.55s時(shí)為±1，相應(yīng)基波信號(hào)的相位差角度發(fā)生很大變化，不再是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的（采樣周期N=100），而遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)閾值設(shè)定范圍圖6 給出了受端換流器的仿真結(jié)果，由受端電流的標(biāo)幺化直流量Ea2、Eb2、Ec2及基波信號(hào)相位差角度βa2、βb2、βc2可看出，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，受端電流波形受到影響出現(xiàn)波動(dòng)，基波信號(hào)的相位差角度也出現(xiàn)較大變化，但標(biāo)幺化直流量依然在（0,±0.91）范圍內(nèi)。

基于標(biāo)幺化直流分量的故障診斷結(jié)果如圖7 所示，由圖7 可以看出，只依靠標(biāo)幺化直流分量作為故障診斷變量，在系統(tǒng)出現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)期，系統(tǒng)送端故障標(biāo)志出現(xiàn)了錯(cuò)誤信息，表明該方法發(fā)生錯(cuò)誤診斷結(jié)果。

基于改進(jìn)的標(biāo)幺化直流分量方法的故障定位結(jié)果如圖8 所示，由圖8 可以看到，在系統(tǒng)潮流反轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)期，系統(tǒng)送端故障標(biāo)志未出現(xiàn)錯(cuò)誤定位信息，3.812s 時(shí)送端故障標(biāo)志突變，表明IGBT 閥VT13出現(xiàn)開(kāi)路故障。該方法約需12ms 方能正確診斷故障IGBT 的位置。

在本文提出的診斷方法中，診斷所用時(shí)間與系統(tǒng)故障時(shí)刻所在相電流的相角有關(guān)，其診斷時(shí)間具有非線性。圖9 給出了IGBT 閥VT13發(fā)生故障時(shí)，診斷時(shí)間隨故障時(shí)刻所在相電流相角γ(0～2π) 的變化曲線，由圖9 可以看出，本文提出的算法可在23ms 以內(nèi)定位出IGBT 故障位置。

圖9 相角γ 與診斷時(shí)間的關(guān)系Fig.9 The relationship between γ and diagnosis time

6 結(jié)論

（1）當(dāng)電壓源換流器某相上橋臂IGBT 閥發(fā)生開(kāi)路失效故障時(shí)，該相交流電流只有正半周，負(fù)半周電流為零；當(dāng)下橋臂IGBT 閥發(fā)生開(kāi)路失效故障時(shí)，該相交流電流只有負(fù)半周，正半周電流為零。

（2）若VSC-HVDC 任一側(cè)換流器發(fā)生IGBT 閥開(kāi)路失效故障時(shí)，兩側(cè)換流器的三相交流電流均會(huì)出現(xiàn)直流電流分量，但故障相電流具有最大直流分量。

（3）若VSC-HVDC 任一側(cè)換流器發(fā)生IGBT 閥開(kāi)路失效故障時(shí)，在直流電壓中一定包含基頻波動(dòng)分量。

（4）以網(wǎng)側(cè)交流電流的基波信號(hào)相位差和標(biāo)幺化直流量作為診斷變量，能夠快速準(zhǔn)確診斷出IGBT閥故障，并能避免因傳輸功率突變而引起的誤診斷現(xiàn)象。

[1]同向前,伍文俊,任碧瑩.電壓源換流器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[2]湯廣福.基于電壓換流器的高壓直流輸電技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.

[3]Lu Bin,Sharma Santosh K.A literature review of IGBT fault diagnostic and protection methods for power inverters[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2009,45(5):1770-1777.

[4]Sleszynski W,Nieznanski J,Cichowski A.Opentransistor fault diagnostics in voltage-source inverters by analyzing the load currents[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(11):4681-4688.

[5]王磊,趙雷霆,張鋼,等.電壓型PWM 整流器的開(kāi)關(guān)器件斷路故障特征[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010,25(7):108-115.Wang Lei,Zhao Leiting,Zhang Gang,et al.Analysis of fault characteristics after the breakdown of power switches in voltage-source PWM rectifiers[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(7):108-116.

[6]楊杰,鄭健超,湯廣福,等.電壓源換相 HVDC 站內(nèi)交流母線故障特性及保護(hù)配合[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(6):44-48.Yang Jie,Zheng Jianchao,Tang Guangfu,et al.Internal AC bus fault characteristics of VSC-HVDC system and protection coordination[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(6):44-48.

[7]張靜,徐政,陳海榮.VSC-HVDC 系統(tǒng)啟動(dòng)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(9):159-165.Zhang Jing,Xu Zheng,Chen Hairong.Startup procedures for the VSC-HVDC system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(9):159-165.

[8]Du Cuiqing,Agneholm Evert,Olsson Gustaf.Use of VSC-HVDC for industrial systems having onsite generation with frequency control[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2008,23(4):2233-2240.

[9]Flourentzou Nikolas,Agelidis Assilios G,Demetriades Georgios D.VSC-based HVDC power transmission systems:an overview[J].IEEE Transaction on Power Electronics,2009,24(4):592-602.

[10]Ning Dalong,Tong Xiangqian,Shen Ming,et al.The experiments of voltage balancing methods in IGBTs series connection[C].Power and Energy Engineering Conference,Chengdu,China,2010:1-4.

[11]李志雄,嚴(yán)新平.獨(dú)立分量分析和流形學(xué)習(xí)在VSC-HVDC 系統(tǒng)故障診斷的應(yīng)用[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,45(2):44-48.Li Zhixiong,Yan Xinping.Independent component analysis and manifold learning with applications to fault diagnosis of VSC-HVDC systems[J].Journal of Xi’an Jiaotong University,2011,45(2):44-48.

[12]孫曉云,同向前,尹軍.VSC-HVDC 系統(tǒng)換流器故障仿真分析及診斷方法的研究[J].高電壓技術(shù),2012,38(6):1383-1390.Sun Xiaoyun,Tong Xiangqian,Yin Jun.Simulation analysis and diagnosis method research on the converter fault in VSC-HVDC system[J].High Voltage Engineering,2012,38(6):1383-1390.

[13]王宏禹,邱天爽,陳喆.非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)分析與處理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

[14]奧本海姆A V,謝佛R W,巴克J R.離散時(shí)間信號(hào)處理[M].劉樹(shù)堂,等譯.西安:西安交通大學(xué)出版社,2004.