周廷冬，徐永海

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

0 引 言

電力電子變壓器(Power Electronic Transformer, PET)，又稱為固態(tài)變壓器(Solid State Transformer, SST)，是一種利用電力變換技術(shù)和電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸與變換的新型變壓器，除具有傳統(tǒng)變壓器電壓變換、能量傳遞、電氣隔離等基本功能以外，還可實(shí)現(xiàn)潮流控制、無功補(bǔ)償以及電能質(zhì)量控制等多種功能[1-3]。電力電子變壓器作為能源互聯(lián)網(wǎng)中能源路由器的核心設(shè)備，對(duì)實(shí)現(xiàn)高低壓電網(wǎng)、交直流負(fù)荷、可再生能源等的互聯(lián)以及能量交換有著至關(guān)重要的作用。

目前，針對(duì)電力電子變壓器的研究主要集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略、新型功率器件應(yīng)用、使用場(chǎng)合以及電能優(yōu)化等方面，而對(duì)其故障特性分析及保護(hù)技術(shù)方面的研究較少。電力電子變壓器作為中低壓電網(wǎng)之間的接口，其故障對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行及用戶的供電可靠性都有極其嚴(yán)重的影響，因此，研究電力電子變壓器的故障特性及保護(hù)技術(shù)具有重要意義。

文獻(xiàn)[4]中對(duì)級(jí)聯(lián)H橋(Cascaded H Bridge，CHB)型電力電子變壓器的故障特性進(jìn)行了分析總結(jié)，但此分析結(jié)果只適用CHB結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器，而對(duì)研究相對(duì)較多的模塊化多電平(Modular Multilevel Converter，MMC)結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器拓?fù)錄]有涉及。目前，對(duì)于MMC的故障分析大多集中于直流側(cè)故障后的故障電流閉鎖[5-6]與子模塊故障后的不平衡控制策略[7-8]等方面，而分析其故障特性的研究相對(duì)較少，文獻(xiàn)[9]對(duì)模塊化多電平換流器高壓直流輸電系統(tǒng)(Modular Multilevel Converter Based High-Voltage Direct Current，MMC-HVDC)中MMC子模塊的故障特性進(jìn)行了總結(jié)，其研究成果可為MMC型電力電子變壓器的故障特性分析提供參考。文獻(xiàn)[10]對(duì)外部電網(wǎng)故障、雷擊過電壓及非理想負(fù)荷等對(duì)電力電子變壓器的影響及相應(yīng)的保護(hù)配置要求進(jìn)行了研究，但沒有分析電力電子變壓器本體故障時(shí)的故障特性與保護(hù)方案。

針對(duì)基于MMC的電力電子變壓器故障特性進(jìn)行了理論分析與仿真研究，對(duì)電力電子變壓器中功率元件短路與開路故障下的故障特性進(jìn)行了分析，基于PSCAD仿真平臺(tái)，進(jìn)行了所分析故障類型的仿真驗(yàn)證，證明了理論分析的正確性。

1 電力電子變壓器基本原理

電力電子變壓器由輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)構(gòu)成，其基本工作原理為：交流輸入電壓經(jīng)電力電子變壓器輸入級(jí)整流形成直流電壓，之后經(jīng)過隔離級(jí)逆變器調(diào)制成高頻方波利用高頻變壓器耦合到二次側(cè)，高頻方波經(jīng)過隔離級(jí)整流電路形成直流電壓，最后通過輸出級(jí)逆變電路輸出所需的交流電壓。其基本實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 AC-DC-AC型電力電子變壓器的實(shí)現(xiàn)原理

電力電子變壓器的輸入級(jí)有MMC結(jié)構(gòu)和CHB結(jié)構(gòu)，本文以研究相對(duì)較多的MMC型結(jié)構(gòu)為例分析其故障特性，同時(shí)，為使其具有直流故障閉鎖功能，選取鉗位雙子模塊作為分析對(duì)象，并采用工程中應(yīng)用較多的排序法實(shí)現(xiàn)子模塊電容的均壓，MMC及鉗位雙子模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。隔離級(jí)采用雙主動(dòng)橋(Dual Active Bridge，DAB)結(jié)構(gòu)，主要由高頻變壓器、原邊及副邊可控H全橋組成，其中原副邊H橋?qū)?yīng)橋臂觸發(fā)脈沖同步，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。電力電子變壓器輸出級(jí)采用的是三相逆變器結(jié)構(gòu)，其直流側(cè)接于隔離級(jí)多個(gè)DAB副邊H橋并聯(lián)形成的低壓直流母線。

圖2 電力電子變壓器輸入級(jí)結(jié)構(gòu)

圖3 雙主動(dòng)橋變換器結(jié)構(gòu)

2 故障特性分析

電力電子變壓器主要由多級(jí)換流環(huán)節(jié)構(gòu)成，功率開關(guān)元件眾多，其可靠性主要取決于這些換流器和功率開關(guān)。電力電子變壓器故障會(huì)對(duì)電網(wǎng)及用戶造成嚴(yán)重影響，因此，分析其功率開關(guān)故障后的特性，對(duì)電力電子變壓器而言至關(guān)重要。

功率開關(guān)的主要故障類型為短路故障和開路故障，其中短路故障發(fā)展迅速，通常在幾十個(gè)微秒內(nèi)即可將母線短路，造成嚴(yán)重后果。相比于短路故障，開路故障發(fā)生后可能不會(huì)立即造成系統(tǒng)停運(yùn)，并在非正常狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，但開路故障可能會(huì)造成電力電子變壓器中其他正常的功率開關(guān)承受過電壓、過電流等電應(yīng)力，從而引發(fā)其他功率開關(guān)故障[4]。

為便于分析，將電力電子變壓器中各個(gè)換流環(huán)節(jié)的連接關(guān)系用示意圖表示，并對(duì)其中的開關(guān)器件進(jìn)行編號(hào)，如圖4所示，圖中UC表示子模塊電容電壓，i表示橋臂電流，并定義此時(shí)圖中的電流方向?yàn)檎?，反之為?fù)。其中鉗位雙子模塊在正常工作狀態(tài)時(shí)，T15一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)為兩個(gè)半橋子模塊的級(jí)聯(lián)，其不同之處僅在于將T12和T14兩個(gè)功率開關(guān)的觸發(fā)脈沖對(duì)調(diào)。有關(guān)鉗位雙子模塊的直流故障閉鎖分析及電磁暫態(tài)等效模型可參考文獻(xiàn)[11-12]，此部分不是文章的重點(diǎn)，在此不再詳述。

圖4 電力電子變壓器換流器連接示意圖

2.1 MMC子模塊故障

對(duì)于模塊化多電平結(jié)構(gòu)，子模塊故障是其常見的故障類型之一，對(duì)于MMC型的電力電子變壓器，其子模塊故障會(huì)對(duì)隔離級(jí)和輸出級(jí)的輸入量產(chǎn)生影響，從而破壞電力電子變壓器的整體性能。文中以鉗位雙子模塊為例分析其故障特性，故障類型主要包括功率開關(guān)的短路與開路故障，其中鉗位雙子模塊實(shí)質(zhì)為兩個(gè)半橋子模塊級(jí)聯(lián)，因此針對(duì)橋臂中的功率開關(guān)只分析單個(gè)半橋子模塊即可。

(1)T11短路或D11短路。功率元件T11和D11任意一個(gè)短路，其效果是相同的，在T13導(dǎo)通時(shí)，會(huì)造成MMC子模塊橋臂直通，子模塊電容通過T11與T13迅速放電，導(dǎo)致電容電壓迅速下降，放電電流可以表示為：

(1)

式中VCSM表示MMC子模塊電容電壓；RIGBT表示IGBT的通態(tài)電阻；C表示子模塊電容值。對(duì)于電力電子變壓器而言，子模塊電容電壓等級(jí)通常在幾百到幾千伏，而IGBT的通態(tài)電阻只有幾個(gè)毫歐，因而此放電電流高達(dá)幾十到幾百千安，使得T11和T13承受嚴(yán)重的過電流，非故障的開關(guān)T13可能因此而損害。

MMC的單相數(shù)學(xué)模型[7]可表示為：

(2)

(3)

式中L0表示橋臂電感；ip、in分別表示上、下橋臂電流；up、un分別表示上、下橋臂電壓；Udc表示直流側(cè)電壓；uin表示交流輸入電壓；iin表示交流輸入電流；icir表示環(huán)流?；陂_關(guān)函數(shù)的MMC單個(gè)子模塊數(shù)學(xué)模型表示為:

(4)

(5)

式中Spi表示子模塊的開關(guān)函數(shù)(p表示上橋臂；i表示子模塊編號(hào))；C表示子模塊電容；ucpi表示該子模塊電容電壓；ui子模塊輸出電壓。則該橋臂所有子模塊的開關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)模型可表示為：

(6)

T11短路或D11短路后，子模塊電容迅速放電，其電壓ucpi迅速下降，根據(jù)式(6)可知，過快的電容電壓變化率將引起上橋臂電流的增大，根據(jù)式(4)，上橋臂電流增大會(huì)使得MMC環(huán)流增大以及輸入電流波動(dòng)，并通過式(2)最終引起直流電壓的波動(dòng)。

當(dāng)T13短路或D13短路時(shí)同樣也會(huì)造成橋臂直通故障，故障特性與T11短路或D11短路相同。

(2)T11開路故障。若此時(shí)半橋子模塊工作在切除狀態(tài)時(shí)(T13導(dǎo)通)，則半橋子模塊和正常時(shí)相同；若半橋子模塊工作在充放電狀態(tài)(T11導(dǎo)通)，當(dāng)橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，則此時(shí)子模塊通過續(xù)流二極管D11正常工作，若橋臂電流方向?yàn)樨?fù)，由于T11開路，不能形成放電回路，橋臂電流將直接流過D13，因此，在此故障下，子模塊電容將只能充電而不能放電，由于排序均壓作用，當(dāng)電容電壓上升到一定值時(shí)不再對(duì)電容充電，但此時(shí)本應(yīng)該T11導(dǎo)通，子模塊對(duì)外呈現(xiàn)電壓UC，由于T11開路故障，導(dǎo)致子模塊對(duì)外呈現(xiàn)電壓為0，因此會(huì)造成MMC三相不平衡，子模塊電壓嚴(yán)重偏離正常值，產(chǎn)生較大的環(huán)流。此故障情況下的電流通路如圖5所示。

圖5 T11開路故障時(shí)子模塊電流通路

(3)T13開路故障。若此時(shí)子模塊工作在充放電狀態(tài)(T11導(dǎo)通)，則子模塊特性與正常時(shí)相同；若此時(shí)子模塊工作在切除狀態(tài)(T13導(dǎo)通)，當(dāng)橋臂電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，可通過續(xù)流二極管D13切除，與正常時(shí)特性相同，若橋臂電流方向?yàn)檎?，由于T13開路，橋臂電流將通過D11對(duì)電容進(jìn)行充電，對(duì)外呈現(xiàn)電壓為UC，而非0，因而也會(huì)產(chǎn)生三相電壓不平衡，產(chǎn)生環(huán)流。由于均壓作用，電容電壓會(huì)在額定值附近波動(dòng)。此故障情況下的電流通路如圖6所示。

圖6 T13開路故障時(shí)子模塊電流通路

(4)D11開路故障。D11開路會(huì)導(dǎo)致MMC半橋子模塊在橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)失去充電通路。T13導(dǎo)通時(shí)，子模塊正常切除，T11導(dǎo)通時(shí)，若此時(shí)橋臂電流方向?yàn)檎?，由于D11開路，電流失去通路，則此時(shí)電流會(huì)迅速降為0，橋臂電流中斷，根據(jù)式(2)可知，橋臂電流的突然中斷會(huì)在橋臂電感中產(chǎn)生過電壓沖擊，并最終導(dǎo)致直流側(cè)電壓出現(xiàn)過電壓沖擊。此外故障橋臂的電流中斷會(huì)使得MMC故障相上下橋臂的電抗器不再是并聯(lián)關(guān)系，造成三相橋臂電感不對(duì)稱，由此引發(fā)有功無功及直流電壓的二倍頻波動(dòng)[9]。若此時(shí)橋臂電流方向?yàn)樨?fù)，則此時(shí)電容通過T11放電，由于此故障時(shí)，電容失去充電通路會(huì)使得電容電壓持續(xù)下降，會(huì)造成三相電壓不均衡，產(chǎn)生環(huán)流。此故障情況下的電流通路如圖7所示。

圖7 D11開路故障時(shí)子模塊電流通路

(5)D13開路故障。D13開路時(shí)，子模塊擁有充放電通路，橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，子模塊正常工作，T13導(dǎo)通時(shí)也可切除子模塊，但當(dāng)橋臂電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，T11導(dǎo)通可實(shí)現(xiàn)子模塊正常放電，但是T13導(dǎo)通時(shí)，電流通路被阻斷，電流迅速將為0，電流中斷，產(chǎn)生較大的電壓沖擊。此故障情況下的電流通路如圖8所示。

圖8 D13開路故障時(shí)子模塊電流通路

(6)T15短路或D15短路。T15短路或D15短路造成的結(jié)果是相同的。由于鉗位雙子模塊在正常工作時(shí)T15一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此T15短路對(duì)正常運(yùn)行時(shí)的MMC沒有影響。當(dāng)發(fā)生直流側(cè)故障時(shí)，需要閉鎖T15，若T15短路，則交流側(cè)向直流側(cè)饋入電流時(shí)，鉗位雙子模塊對(duì)外呈現(xiàn)電壓為0，而正常時(shí)應(yīng)對(duì)外呈現(xiàn)單個(gè)電容電壓UC，根據(jù)文獻(xiàn)[11]，以ab相為例，交流側(cè)向直流側(cè)饋入電流的基本條件為：

Uab>2NUc

(7)

式中N為MMC橋臂中鉗位雙子模塊個(gè)數(shù)，而正常運(yùn)行下的調(diào)制策略，通常調(diào)制比小于等于1，因此滿足：

(8)

式中Um為相電壓峰值；Uabm為線電壓峰值。由于T15短路無法閉鎖，因此鉗位雙子模塊直流故障閉鎖功能失效。此情況下的直流側(cè)故障電流通路如圖9所示。

圖9 T15短路時(shí)直流側(cè)故障電流通路

(7)T15開路故障。若橋臂電流方向?yàn)檎?，由于D15的續(xù)流作用，其電流通路與T15正常時(shí)相同。若橋臂電流方向?yàn)樨?fù)，則故障前后電容狀態(tài)如表1所示，C1表示前級(jí)子模塊電容，C2表示后級(jí)子模塊電容。由表1可知，由于T15開路使得鉗位雙子模塊的兩個(gè)電容均失去放電通路，故障特性與T11開路故障類似。

表1 T15開路故障前后電容狀態(tài)

(8)D15開路故障。若橋臂電流方向?yàn)樨?fù)，則鉗位雙子模塊與正常工作狀態(tài)相同。若橋臂電流方向?yàn)檎?，由于D15開路使得電流失去續(xù)流通路，電流中斷，產(chǎn)生沖擊過電壓，故障特性與D11開路故障分析結(jié)果相同。

(9)D16或D17短路故障。D16或D17短路會(huì)導(dǎo)致子模塊電容發(fā)生短路故障，使得T15承受過電流應(yīng)力，有可能致其損壞。

2.2 隔離級(jí)H橋故障

由于隔離級(jí)原副邊都是可控全橋結(jié)構(gòu)，各個(gè)開關(guān)管的故障特性類似，因此只分析原邊和副邊各一個(gè)開關(guān)故障后的特性即可。

(1)T21短路或D21短路。此時(shí)會(huì)造成橋臂直通，輸入級(jí)子模塊電容通過T21和T23短路，MMC子模塊電容電壓迅速下降，造成此橋臂開關(guān)過電流，電流表達(dá)式可見式(1)。故障特性與T11短路或D11短路分析結(jié)果類似。

(2)T21開路故障。由于T21開路，因此無法通過T21和T24將電能傳遞到變壓器，T22和T23導(dǎo)通時(shí)H橋與正常情況下相同，T22和T23關(guān)斷時(shí)，電流通過D21和D24續(xù)流，因此，此全橋變換器轉(zhuǎn)變?yōu)榘霕蜃儞Q器，輸出電壓比原先低了一倍。由于其他變壓器可正常工作，此故障對(duì)中低壓直流母線電壓影響不大，但有可能是其他高頻變壓器過負(fù)荷運(yùn)行。

(3)T21和D21開路故障。此時(shí)變壓器無法通過D21和D24續(xù)流，變壓器磁通歸零，變壓器偏磁嚴(yán)重，直至飽和。變壓器原邊可視為短路，當(dāng)T22和T23導(dǎo)通時(shí)，會(huì)造成子模塊電容短路，電容電壓迅速下降，T22和T23過流，MMC三相不平衡，產(chǎn)生環(huán)流，故障特性與T11短路或D11短路分析結(jié)果類似。

(4)T31短路或D31短路。DAB的開關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)模型可表示為：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中S1i、S2i分別表示DAB原、副邊H橋的開關(guān)狀態(tài)；u1i、u2i分別表示高頻變?cè)?、副邊電壓；i1i、i2i分別表示高頻變?cè)?、副邊電流；ucLi表示DAB低壓側(cè)電容電壓；k表示高頻變壓器變比。此故障會(huì)造成橋臂直通，由于隔離級(jí)所有副邊H橋電容并聯(lián)，導(dǎo)致低壓直流母線雙極短路，DAB低壓電容迅速放電，電壓降低，根據(jù)式(13)可知，低壓側(cè)電容電壓降低會(huì)導(dǎo)致MMC子模塊電壓降低；同時(shí)，T31還會(huì)與T33形成變壓器副邊繞組短路回路，導(dǎo)致高頻變過流，根據(jù)式(12)可知高頻變過電流則會(huì)導(dǎo)致MMC子模塊電容電流增大，再通過式(3)和式(6)分析得知，子模塊電壓的異常導(dǎo)致MMC環(huán)流增大。

(5)T31開路且D31開路。此故障下副邊全橋整流器變?yōu)榘霕蛘髌鳎儔浩鞲边呺娔苤挥幸话肽軅鬟f到電容，會(huì)造成電容欠壓，故障前由T31和T34流向低壓直流母線的電流全部由T32和T33傳輸，可能造成T32和T33過電流，與之對(duì)應(yīng)導(dǎo)通的原邊T22和T23也可能會(huì)過流。

(6)D31開路故障。由于D13開路致使T31正常導(dǎo)通時(shí)，仍然沒有續(xù)流通路，此時(shí)的故障特性與T31開路且D31開路相同。

2.3 輸出級(jí)故障

(1)T61短路或D61短路。此故障會(huì)導(dǎo)致逆變器橋臂直通，由于隔離級(jí)所有副邊H橋電容并聯(lián)，導(dǎo)致低壓直流母線雙極短路，T61和T64承受嚴(yán)重過電流，低壓直流母線電壓被拉低。此外，由于低壓直流電容放電電流增大，該放電電流也會(huì)通過隔離級(jí)副邊H橋傳遞到高頻變及原邊H橋，因此會(huì)造成隔離級(jí)H橋和高頻變過電。該故障分析過程與T31短路或D31短路分析類似，不再詳述;

(2)T61開路故障。此故障下逆變器無法通過T61的導(dǎo)通使得A相輸出正脈沖而只能輸出負(fù)脈沖，此時(shí)由于逆變器采用多路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其他逆變器會(huì)增大輸出電流以彌補(bǔ)故障逆變器的功率缺額，可能會(huì)導(dǎo)致其他逆變器過載，危及系統(tǒng)安全;

(3)D61開路故障。D61開路使得T61失去續(xù)流通路，逆變器A相只能輸出正脈沖而不能輸出負(fù)脈沖，故障特性與T61開路類似，不再贅述。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證上述分析的正確性，基于PSCAD仿真平臺(tái)，搭建了10 kV/1 MVA的電力電子變壓器仿真模型，對(duì)上述故障類型進(jìn)行了仿真。仿真模型中輸入級(jí)MMC每橋臂采用5個(gè)鉗位雙子模塊將10 kV交流電壓整流為±10 kV的直流電壓，之后經(jīng)雙主動(dòng)橋變換為750 V直流電壓，最后經(jīng)過三相逆變器輸出380 V交流電壓。

MMC橋臂電感設(shè)為32 mH，子模塊電容為1 mF，輸出級(jí)直流母線電容為24 mF，低壓交流負(fù)載為0.144 Ω，約為1 MW，仿真中均設(shè)定在0.15 s發(fā)生故障。

針對(duì)上述故障類型分別進(jìn)行了仿真，并對(duì)電力電子變壓器的主要故障特性進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，表中“√”表示故障前后特征明顯，“×”表示故障前后無差別或差別很小。

表2 電力電子變壓器故障特性統(tǒng)計(jì)

其中以T11為代表的短路故障會(huì)形成橋臂直通，產(chǎn)生過電流沖擊，以D11為代表的開路故障則會(huì)造成電流斷續(xù)，產(chǎn)生過電壓沖擊，此類故障需重點(diǎn)關(guān)注。由于故障類型較多且部分故障特性相同，本文選取具有代表性的故障類型給出仿真結(jié)果。

(1)T11短路或D11短路。圖10所示為T11發(fā)生短路故障后的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，在0.15 s發(fā)生故障瞬間，子模塊電容放電沖擊電流可達(dá)40 kA，故障子模塊電容電壓迅速降為0，由此引發(fā)MMC三相不平衡，其他子模塊電壓不均衡，產(chǎn)生環(huán)流，并引起輸入過流。受子模塊電壓影響，中壓、低壓直流電壓出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)波;

圖10 T11短路時(shí)仿真結(jié)果

(2)D11開路故障。圖11所示為D11發(fā)生開路故障后的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，在0.15 s發(fā)生故障后，子模塊電容將失去充電通路，電容電壓無法維持恒定，將持續(xù)降低，由此引發(fā)三相不平衡，產(chǎn)生環(huán)流。此外，由于出現(xiàn)橋臂電流的斷續(xù)現(xiàn)象，在橋臂電感的作用下，橋臂電流的快速變化導(dǎo)致中壓直流母線出現(xiàn)嚴(yán)重的過電壓沖擊并伴隨電壓波動(dòng)；

圖11 D11開路時(shí)仿真結(jié)果

(3)T31短路或D31短路。圖12所示為T31發(fā)生短路后的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，在0.15 s故障發(fā)生后，會(huì)與T33形成變壓器副邊繞組短路回路，導(dǎo)致高頻變過電流，幅值可達(dá)2 kA左右，嚴(yán)重超過了高頻變的額定電流。此外，高頻變過電流引起相應(yīng)的輸入級(jí)MMC子模塊電容過電流，子模塊電壓被拉低，進(jìn)而出現(xiàn)輸入級(jí)三相不平衡；

(4)T61短路或D61短路。圖13所示為T61發(fā)生短路故障后的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，在0.15 s故障發(fā)生后，由于逆變器形成橋臂直通，低壓直流母線短路，母線電壓在T64導(dǎo)通時(shí)迅速降為零，與之對(duì)應(yīng)的交流輸出電壓A相也因T61短路而只能輸出正脈沖。低壓直流的放電電流通過隔離級(jí)副邊H橋傳遞到高頻變及原邊H橋，因此會(huì)造成隔離級(jí)H橋和高頻變過電流，并引發(fā)輸入過電流。

圖12 T31短路時(shí)仿真結(jié)果

圖13 T61短路時(shí)仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

電力電子變壓器主要有多個(gè)換流器構(gòu)成，功率開關(guān)元件眾多，換流器和功率開關(guān)故障會(huì)影響電力電子變壓器的可靠性。為此，文中對(duì)電力電子變壓器輸入級(jí)MMC、隔離級(jí)DAB的兩端H橋及輸出級(jí)逆變器中的功率開關(guān)短路和開路后的故障特性進(jìn)行了理論分析，為驗(yàn)證理論分析的正確性，基于PSCAD仿真平臺(tái)搭建了電力電子變壓器模型，對(duì)所分析的故障類型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并進(jìn)行了故障特性統(tǒng)計(jì)。功率開關(guān)短路故障通常會(huì)形成橋臂直通，產(chǎn)生嚴(yán)重的過電流沖擊；功率開關(guān)開路故障則會(huì)改變故障前電流的流通路徑，輸入級(jí)MMC產(chǎn)生三相不平衡，甚至出現(xiàn)電流斷續(xù)，造成過電壓沖擊，隔離級(jí)高頻變出現(xiàn)過電流，輸出級(jí)電壓畸變等。電力電子變壓器故障特性分析結(jié)果對(duì)后續(xù)相應(yīng)的保護(hù)配置及避雷器選型等都具有一定的指導(dǎo)意義。