錢承源

（泰西中學 山東 肥城 271600）

VSC-HVDC中換流器故障診斷方法

錢承源

（泰西中學 山東 肥城 271600）

基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術（VSC-HVDC）以其優(yōu)良的特性得到了快速發(fā)展和廣泛應用。本文根據(jù)VSC-HVDC中換流器部分在發(fā)生各種故障時直流電壓的不同特性，提出了換流器故障分類與診斷方法，在PSCAD/EMTDC中建立了VSC-HVDC等值系統(tǒng)模型并進行仿真分析。仿真結果表明，該方法能有效診斷換流器內(nèi)部故障，具有較好的應用前景。

VSC-HVDC；換流器；故障診斷

1 引言

上世紀90年代后期發(fā)展的柔性直流輸電（VSC-HVDC）技術是一種靈活、經(jīng)濟和環(huán)保的輸電方式。VSC-HVDC中采用全控電力電子器件，取代了傳統(tǒng)HVDC中的半控器件，得到了快速發(fā)展。與傳統(tǒng)HVDC相比，VSC-HVDC可以向無源網(wǎng)絡供電，具有有功功率與無功功率獨立調(diào)節(jié)的特點，且同等容量下其換流站的占地面積顯著小于傳統(tǒng)HVDC換流站[1]。

圖1 VSC-HVDC等值系統(tǒng)模型

由于柔性直流輸電系統(tǒng)所具有的獨特技術優(yōu)點，其應用領域廣闊，如實現(xiàn)非同步聯(lián)網(wǎng)，連接分布電源，向城市中心送電，向遠方孤立負荷點送電等。1997年，ABB公司在瑞典中部的Hallsjon和Grangesberg之間建成首條工業(yè)試驗工程。至今，國內(nèi)外已有多條輸電工程相繼投入運行，比如：2000年美國Eagle Pass直流工程實現(xiàn)了美國電網(wǎng)與墨西哥電網(wǎng)互聯(lián)；2005年挪威Troll A工程利用VSC-HVDC向海上石油鉆井平臺供電；2013年南澳多端柔性直流輸電示范工程建成使用，將南澳風力發(fā)電所貢獻的電能聯(lián)入內(nèi)地電網(wǎng)[2-4]。

柔性直流輸電技術在多個領域占有重要地位，是城市中心供電，非同步聯(lián)網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。換流器是柔性直流輸電系統(tǒng)中的核心部分，復雜且器件成本高，其過壓和過流能力差，易發(fā)生各種故障且維護困難。如果不能及時排查換流器故障，造成的后果將不堪設想。因此，對柔性直流輸電換流器故障的檢測尤為重要，是不可忽視的必要工作。

開展換流器部分的故障檢測技術的研究，通過提取換流器故障特征，以準確地確定故障類型和位置，可以為后續(xù)保護裝置動作提供有效信息，從而保障系統(tǒng)的安全可靠運行。因此，對VSC-HVDC中換流器故障診斷的方法進行探索研究是非常有意義的。

本文主要研究柔性直流輸電換流器故障的檢測方法，通過理論分析和模型構建，對波形數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)對故障的診斷。

2 故障分類與診斷方法

電壓源換流器是VSC-HVDC系統(tǒng)中的實現(xiàn)交直流變換的核心裝置，其故障主要分為三類：

（1）換流器交流側出口故障；

（2）換流器內(nèi)部故障；

（3）直流側故障。

對于換流器內(nèi)部故障，可分為3種常見類型：

（1）單相IGBT器件開路故障；

（2）單相IGBT器件短路故障；

（3）橋臂直通故障。

系統(tǒng)正常運行時，直流電壓、有功功率和無功功率都穩(wěn)定在其設定值，采用合適的控制策略來改變直流電壓、有功功率和無功功率的設定值，可以改變整個系統(tǒng)的運行特性。

系統(tǒng)傳輸功率的變化會影響可測量故障信號的準確性。系統(tǒng)發(fā)生故障時，若依據(jù)系統(tǒng)的有功功率和無功功率的變化特性診斷故障類型，診斷結果有賴于傳輸功率[5]，其適用性較差；若采用直流電壓的變化特性作為反映系統(tǒng)故障的檢測信號，由于其幅值僅僅受設定值的影響，有功功率和無功功率設定值對直流電壓的幅值的影響相對較小，其診斷結果適用性較好。

根據(jù)故障發(fā)生后直流電壓幅值的大小以及具體波形的諧波含量，可以快速診斷故障類型。配合必要的信號處理方式，提取各個頻率成分的信號信息，可進一步實現(xiàn)故障的準確定位。

3 系統(tǒng)建模與故障仿真

3.1 建立模型

在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件環(huán)境下，建立VSCHVDC等值系統(tǒng)模型，如圖1所示。

設置送、受端交流系統(tǒng)額定電壓為110kV，頻率為50Hz。變壓器的額定容量為6.3MVA，變比為110kV/10kV。送、受端交流系統(tǒng)和變壓器的損耗的等效電阻為0.314Ω，交流側濾波電感為0.01H，直流側電容為2000μF。

等值系統(tǒng)模型中的整流部分采用定有功功率、定無功功率控制方式，其有功功率設定為5MW，無功功率設定為0MVar；逆變部分采用定直流電壓、定無功功率的控制方式，直流電壓設定為20kV，無功功率設定為0MVar[6-7]。

3.2 仿真分析

系統(tǒng)正常運行時，直流側電壓幅值穩(wěn)定于20kV，如圖2中（a）所示；若系統(tǒng)在1.60s時刻發(fā)生單相IGBT器件開路故障，由圖2中（b）可以看出，故障后直流側電壓幅值在設定值20kV附近上下波動；若系統(tǒng)在1.60s時刻發(fā)生單相IGBT器件短路故障，由圖2中（c）可以看出，故障后直流側電壓幅值瞬時降低至0附近，并會出現(xiàn)向上的毛刺；若系統(tǒng)在1.60s發(fā)生橋臂直通故障，由圖2中（d）可以看出，故障后直流側電壓幅值瞬時降低至0，并在此后完全穩(wěn)定于0。

圖2 直流側電壓波形

因此，直流電壓幅值可以作為故障診斷的檢測信號。系統(tǒng)發(fā)生故障時，直流電壓信號波形的改變可以直接反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)。首先根據(jù)直流側電壓幅值的衰減程度進行初步判斷：若直流側電壓在其設定值小幅度波動，則可以判斷是換流器內(nèi)部的IGBT發(fā)生開路故障；若直流側電壓大幅度衰減至0，則可以判斷為換流器內(nèi)部的IGBT發(fā)生短路故障或橋臂直通故障。然后再根據(jù)故障后直流電壓波形的諧波含量判斷：若諧波含量大則判斷為單相IGBT器件短路故障，若無諧波則判斷為橋臂直通故障。最后可以配合必要的信號處理方式，提取各個頻率成分的具體信號信息，進一步進行故障定位。

4 結語

VSC-HVDC中換流器的故障診斷尤為重要。本文研究了故障分類與診斷方法，建立了VSC-HVDC等值系統(tǒng)仿真模型。仿真結果表明：以直流電壓的變化特性作為反映系統(tǒng)故障的檢測信號，可以有效進行系統(tǒng)換流器內(nèi)部的故障診斷，為后續(xù)的保護裝置動作提供有效信息，從而保障系統(tǒng)的安全可靠運行。

[1]樂波，梅念，劉思源，等．柔性直流輸電技術綜述[J]．中國電業(yè)(技術版)，2014，(05)：43-47．

[2]湯廣福，賀之淵，滕樂天，等．電壓源換流器高壓直流輸電技術最新研究進展[J]．電網(wǎng)技術，2008，(22)：39-44+89．

[3]胡航海，李敬如，楊衛(wèi)紅，等．柔性直流輸電技術的發(fā)展與展望[J]．電力建設，2011，32(05)：62-66．

[4]湯廣福，賀之淵，徐政，等．柔性直流輸電基礎理論研究[R]．北京：中國電力科學研究院．2008．

[5]孫曉云，同向前，尹軍．電壓源換流器高壓直流輸電系統(tǒng)中換流器故障仿真分析及其診斷[J]．高電壓技術，2012，38(06)：1383-1390．

[6]張建坡，趙成勇，孫一瑩，等．基于電壓源換流器型直流輸電拓撲結構和調(diào)制策略[J]，電網(wǎng)技術，2013，37(06)：1732-1738．

[7]王國強，王志新，李爽．模塊化多電平變流器的直接功率控制仿真研究[J]．中國電機工程學報，2012，32(06)：64-71．

TM721.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0071-03

錢承源（2000-），男，漢族，山東省泰安市肥城市，就讀于泰西中學，高中在讀，研究方向是電力系統(tǒng)及其自動化。