鐘昆禹，楊潔民，熊銀武，林毅

(中國南方電網(wǎng)公司超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400)

相對于常規(guī)直流輸電，柔性直流輸電具有占地面積小、可獨立控制有功功率與無功功率等優(yōu)點，近年來在實際工程中的應用越來越多[1-9]。云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)工程——魯西背靠背工程于2016年8月在云南省羅平縣全部投運，額定輸送功率為3 000 MW，由2個常規(guī)直流單元和1個柔性直流單元(以下簡稱“柔直單元”)組成，額定容量均為1 000 MW。柔直單元額定直流電壓為±350 kV，換流閥采用三相橋式全控整流/逆變電路，基于模塊化多電平(modular multilevel converter，MMC)拓撲結構，由多個功率模塊串聯(lián)而成，可實現(xiàn)直流功率正向和反向輸送、柔直單元靜止同步補償裝置(static synchronous compensation，STATCOM)、黑啟動等運行方式[10-12]。

魯西柔直單元的云南側和廣西側換流閥分別由不同廠家供貨，采用不同類型的功率器件。云南側采用壓接式電子注入增強柵晶體管(injection enhanced gate transistor，IEGT)，為失效短路型元件，在失效后呈短路狀態(tài)，與常規(guī)晶閘管特性類似；廣西側采用封裝式絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar thyristors，IGBT)，為失效開路型元件，在失效后呈開路狀態(tài)。根據(jù)其不同的失效特性，元件失效保護的功能、配置及動作后果存在較大差異。IEGT在失效后呈短路狀態(tài)，其功率模塊級保護動作后果不出口閉鎖換流器，只是上傳功率模塊旁路請求，并等待閥控下發(fā)旁路命令，執(zhí)行旁路命令將模塊旁路；IGBT在失效后呈開路狀態(tài)，需要設置旁路機械開關，當一功率模塊發(fā)生故障時將其旁路，而其余模塊繼續(xù)工作。當旁路機械開關發(fā)生拒動、未能有效旁路時，儲能電容器將持續(xù)儲能過壓，造成IGBT等元件擊穿甚至爆炸。為防范功率模塊過壓風險，需在閥控層級設置單個功率模塊過壓保護，檢測到電容電壓最大值超過定值后，下發(fā)閉鎖命令，并出口跳閘。

魯西柔性直流輸電工程投入運行后，功率模塊過壓保護在2016年8月、2017年2月分別發(fā)生誤動導致直流閉鎖，兩起運行過程中過壓保護誤動的現(xiàn)象類似，均為閥控系統(tǒng)判斷單個功率模塊過壓出口跳閘命令。本文介紹魯西柔直單元廣西側功率模塊過壓保護原理及配置，對誤動事件原因進行深入分析，并提出相應改進優(yōu)化設計。

1 魯西柔直單元功率模塊基本配置

1.1 魯西柔直單元廣西側功率模塊基本配置

魯西柔直單元廣西側換流閥共有6個橋臂，每個橋臂由468個功率模塊組成，冗余度為6.9%。每個子模塊由2個焊接式IGBT串聯(lián)組成1個半橋結構，廣西側功率模塊半橋拓撲如圖1所示：S1、S2為IGBT，D1、D2為反并聯(lián)二極管，同時并聯(lián)一個直流儲能電容C；輔助元件包括旁路開關K、旁路晶閘管T、放電電阻R等。功率模塊IGBT額定耐受電壓3.3 kV、額定電流1.5 kA。每個功率模塊單元通過1對光纖接到閥控單元裝置(valve control monitor，VCM)上，實現(xiàn)功率模塊觸發(fā)、電容電壓檢測和功率模塊檢測。高位取能電源將直流電容上的電壓轉換成低壓，為控制板卡、驅(qū)動板、采樣觸發(fā)板供電。

1.2 魯西柔直單元廣西側換流閥系統(tǒng)總體保護配置

為適應柔性直流的各種運行方式，魯西柔直單元廣西側閥及閥控的保護功能配置方式為分級配置，按照保護范圍劃分，分別為功率模塊級保護和閥控級保護[13-15]。

功率模塊級保護屬于單體保護，在功率模塊控制板(power module controller，PMC)實現(xiàn)，通過對儲能電容電壓、單元驅(qū)動板、接觸器輔助觸點、取能電源、電容壓力監(jiān)視繼電器等元件的檢測，檢測功率模塊故障類型，及時響應動作，實現(xiàn)對功率模塊單體的保護。

閥控級保護屬于換流閥整體保護，在控制屏主控箱的中央處理器和輔助功能板(auxiliary function boar，AFB)及光纖分配屏的閥組控制功能板(valve group control board，VGCB)上實現(xiàn)，通過對橋臂電流、直流正負極電壓和電流、功率模塊電容電壓等電氣量的測量和邏輯判斷，當出現(xiàn)故障導致?lián)Q流閥橋臂電流過大或功率模塊電壓過高時，可通過相關保護閉鎖跳閘，以保護換流閥的安全。為了確保閥及閥控的安全穩(wěn)定運行，考慮子模塊的冗余情況和閥控系統(tǒng)自身狀況設置相應保護，可細分為電氣量保護與非電氣量保護兩大類[16-17]。

1.3 PMC工作原理

PMC主要負責接收閥控指令、控制功率模塊IGBT開通關斷、檢測故障、實時反饋直流電壓、監(jiān)測故障及系統(tǒng)的工作狀態(tài)等。當單元出現(xiàn)故障，觸發(fā)保護邏輯，確保本單元在單元故障情況下，旁路功率模塊。正常運行時，儲能電容的電壓測量在PMC中實現(xiàn)，PMC由高位自取能電源提供直流供電，PMC中配有多種電壓轉換模塊，滿足該板卡內(nèi)部全部電壓需求。PMC板卡結構如圖2所示。

可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)控制芯片根據(jù)驅(qū)動板及其他元件的回報信號產(chǎn)生IGBT保護邏輯及驅(qū)動邏輯，接收閥控命令，向閥控系統(tǒng)上傳功率模塊狀態(tài)；A/D芯片將電壓傳感器輸出的電壓模擬信號經(jīng)過兩級運放電路

圖2 PMC板卡結構Fig.2 PMC board structure

后轉換為數(shù)字信號并上送到CPLD芯片；閥控下發(fā)旁路命令至CPLD芯片，由旁路開關觸發(fā)電路為旁路開關產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，閉合旁路開關。

2 魯西柔直單元功率模塊過壓保護配置及動作邏輯

2.1 魯西柔直單元廣西側功率模塊過壓保護配置

魯西柔直單元廣西側功率模塊過壓保護在功率模塊級和閥控級分別進行了配置，在功率模塊級設置了兩段過壓保護，在閥控級配置了閥控級過壓保護，具體見表1，其中，Uset1、Uset2、Uset3分別為模塊級過壓保護I段、II段及閥控級橋臂功率模塊過壓保護中的模塊電容電壓閾值。

閥控級橋臂功率模塊過壓保護邏輯如圖3所示。

圖3 橋臂功率模塊過壓保護邏輯Fig.3 Over-voltage protection logic of bridge arm power modules

2.2 功率模塊過壓保護運作過程

當魯西柔性直流工程廣西側功率模塊發(fā)生內(nèi)部故障時，將向閥控系統(tǒng)請求旁路，收到閥控下發(fā)的旁路命令后將閉合旁路開關，此后橋臂電流經(jīng)由旁路開關流通。若旁路開關拒動，將先后經(jīng)歷第一次過壓、緩慢自放電降壓、第二次過壓后跳閘的過程[18]。詳細過程如下。

表1 功率模塊過壓保護配置Tab.1 Configuration ofover-voltage protection of power modules

2.2.1 旁路開關拒動，電容電壓升高

若旁路開關拒動，由于模塊發(fā)出旁路請求后將閉鎖模塊內(nèi)IGBT的觸發(fā)脈沖，則流入模塊的電流將因橋臂電流方向不同而存在不同的電流路徑。旁路開關拒動后模塊內(nèi)電流回路如圖4所示：若橋臂電流方向為圖中黑色實線箭頭方向，則電流將通過二極管D1不斷流入電容，持續(xù)給電容充電；若橋臂電流方向為圖中灰色虛線箭頭方向，則電流將通過二極管D2流通。因此，旁路開關拒動后，模塊內(nèi)電容將進入持續(xù)充電狀態(tài)，電容電壓不斷上升。當電容電壓達到2.15 kV時，將開通下管IGBT(T2)進入下一個階段。

圖4 旁路開關拒動后模塊內(nèi)電流回路Fig.4 Current circuit in modules after operating failure of bypass switch

2.2.2 開通下管IGBT，電容電壓下降

當IGBT閉鎖且電壓第1次超過2.15 kV時，開通下管IGBT(T2)；當電壓下降到1 kV以下時，關斷下管IGBT；因過壓開通下管IGBT將計數(shù)1次，置位過壓觸發(fā)下管標志位，如果模塊不斷電重啟進行復位，電壓再次上升至大于2.15 kV時不再開通下管IGBT，設置該功能的目的在于防止在旁路未閉合的時間內(nèi)電容電壓過高。

開通下管IGBT后，橋臂電流通過導通的T2與D2流通，而電容通過放電電阻形成一階零輸入響應RC放電回路，不斷釋放電容能量，電容電壓下降。其中，電阻值R=54/2 kΩ(2個54 kΩ電阻并聯(lián))，電容值C=12 mF，由式(1)計算可得到電容電壓從2.15 kV下降至1 kV所需時間t=248 s。由于模塊電容充電速度較快，考慮到器件參數(shù)誤差，電壓實際下降時間與理論計算時間之間的差值在可接受的誤差范圍內(nèi)。

(1)

式中：U0為放電起始時刻電壓值；U1為放電結束時刻電壓值；R為放電回路電阻值；C為放電回路電容值；t為電壓下降時間。

2.2.3 關斷下管IGBT，電容電壓再次升高至過壓保護定值出口跳閘

關斷下管IGBT后，模塊內(nèi)電流回路仍按圖4所示的實線路徑流通，電容電壓將再次升高，由于錄波中只能通過電容電壓最大值通道監(jiān)測模塊過壓情況，因此只能觀察到從1.6 kV(額定電壓)開始上升至過壓跳閘的過程。

圖5為旁路開關拒動典型錄波圖。直流電流Idc=1 000 A，假設從圖5中實線游標開始計算電容電壓上升情況，A相交流電流iac=1 560 A·sin(100πt+α)(其中α為初相角)可由起始點對應的電流值I0計算得到。則A相上橋臂電流iau=780 A·sin(100πt+α)+333.3 A，電容電壓u可由式(2)計算得到。錄波中實線游標時刻電容電壓u0=1.696 kV，至跳閘時刻時間約為10 ms，則由式(2)可得到在跳閘時刻電容電壓u=2.387 kV，低于IGBT耐受電壓，可保證IGBT元件的安全。

(2)

(3)

3 現(xiàn)場故障分析

兩起運行過程中功率模塊過壓保護誤動故障的現(xiàn)象類似，均為閥控系統(tǒng)判斷單個功率模塊過壓觸發(fā)了出口跳閘命令?，F(xiàn)場檢查及分析錄波情況如下。

3.1 現(xiàn)場檢查情況

根據(jù)事件記錄，故障功率模塊先向閥控系統(tǒng)報輕微故障，在數(shù)十毫秒后立即向閥控系統(tǒng)發(fā)模塊過壓請求故障跳閘信號。跳閘后，現(xiàn)場檢查故障功率模塊旁路開關處于合位狀態(tài)，功率模塊已被正常旁路，故障模塊儲能電容的電壓測量值達到2.703 kV。儲能電容電壓測量流程如圖6所示，使用萬用表測試采樣電阻、兩級運放以及A/D采樣芯片，經(jīng)測量，進入A/D芯片之前的電壓均正常，進入A/D芯片之后電壓存在放大現(xiàn)象。

3.2 故障錄波分析

圖 7為過壓保護誤動錄波圖。由圖7可知，故障功率模塊的電容電壓在0.5 ms內(nèi)從1.608 kV上升至2.703 kV，對應的電容電壓變化率(du/dt)達到2.194 kV/ms，遠高于正常充電時最大電壓變化率(50.58 V/ms)。按照故障期間的最大電流1.567 kA計算，在0.5 ms時刻功率模塊電容能夠充到的最大電壓為1.672 kV，遠低于電壓測量值(2.703 kV)。

圖5 旁路開關拒動典型錄波圖Fig.5 Typicalwave recording diagram of operating failure of bypass switch

圖6 儲能電容電壓測量流程Fig.6 Voltage measurementflow chart of energy storage capacitor

3.3 解體檢查情況

解體檢查發(fā)現(xiàn)A/D芯片電壓輸出管腳虛焊，導致了采樣錯誤，經(jīng)過重新焊接之后采樣功能恢復正常。

根據(jù)上述分析，判斷導致閥控級橋臂功率模塊過壓保護的直接原因是功率模塊控制板卡的A/D芯片輸出電壓測量值異常，達到閥控級功率模塊過壓保護定值后，閥控出口閉鎖換流閥。

3.4 功率模塊過壓保護運作過程原因分析

功率模塊過壓I段、II段及閥控級橋臂功率模塊過壓保護三者為配合關系：當單個功率模塊內(nèi)部故障導致電容電壓上升時，功率模塊應首先閉鎖本功率模塊并合上旁路開關；當電壓快速上升達到II段保護定值且旁路開關暫未合到位時，將觸發(fā)本功率模塊下管IGBT，儲能電容電壓降至1 kV時停止觸發(fā)下管IGBT，此階段約需248 s；若本功率模塊下管IGBT故障或旁路開關拒動，儲能電容電壓將繼續(xù)上升，達到2.2 kV時應向閥控系統(tǒng)請求閉鎖換流閥，閉鎖直流單元。本次故障在功率模塊報故障后0.5 ms即上升至2.703 kV，已達到功率模塊過壓II段保護定值，功率模塊下管已觸發(fā)，并下發(fā)合旁路開關命令，但電壓值仍保持2.703 kV，達到時間定值后出口跳閘。

圖7 過壓保護誤動錄波圖Fig.7 Wave recording diagram of over-voltage protection malfunction

閥控級功率模塊過壓保護的判據(jù)為任意一個功率模塊的電容電壓大于2.2 kV，且功率模塊旁路開關為分位，延時2 ms后即出口跳閘。由于電容電壓測量值僅采用單路測量回路，當電壓測量值發(fā)生突變時，雖然過壓模塊I段保護會下令合旁路開關，但從下發(fā)合閘命令到檢測合閘到位一般需要15 ms的時間，遠大于閥控級功率模塊過壓保護的2 ms延時。一旦電容電壓測量值出現(xiàn)異常增大，將直接出口閉鎖換流器。因此，本次故障的根本原因為閥控級功率模塊過壓保護配置缺少防誤判據(jù)，未能防止電壓采樣回路單一元件異常即導致滿足出口條件，造成換流閥跳閘故障。

4 改進措施及仿真分析

4.1 改進思路

4.1.1 功率器件應優(yōu)先考慮故障后自然短路(而非開路)的類型

對魯西柔直單元云南側功率模塊采用故障后自然短路的功率器件，即使功率模塊故障后旁路模塊拒動也可以長期運行；因此，建議新建柔性直流工程換流閥功率模塊選型時優(yōu)先考慮故障后自然短路(而非開路)的類型，后續(xù)不需設置直接導致直流閉鎖的保護功能，減少功率模塊故障對系統(tǒng)的影響。

4.1.2 功率模塊不應設置單一元件故障即導致直流閉鎖的保護功能

設備元器件故障存在偶發(fā)性、突然性的特點，柔直換流器采用多達數(shù)千個功率模塊，單一功率模塊單一元件異常不可避免；因此，不應設置單一功率模塊單一元件故障即導致直流閉鎖的保護功能。如果必須設置，則功率單元內(nèi)相應測量、保護元件應按照“三取二”原則設置，防止單一元件異常導致直流閉鎖。

4.1.3 魯西柔直單元廣西側模塊增加防誤判據(jù)，提高保護可靠性

對魯西柔直單元廣西側閥控級橋臂功率模塊過壓保護的改進措施，應以消除因功率模塊控制板采樣異常導致的模塊過壓跳閘問題，又不會引起不可控風險為原則，通過修改PMC程序來避免采樣回路錯誤引起的跳閘。

功率模塊過壓保護II段的動作邏輯為：PMC在功率模塊故障后電壓上升至2.15 kV時觸發(fā)下管IGBT，形成電容放電回路，此時即使沒有旁路，功率模塊電壓也會停止上升。在模塊故障5 ms后旁路開關閉合，此后電壓更不會上升。因此在下管IGBT和旁路開關不同時失效的前提下，在這期間出現(xiàn)的大于2.2 kV的電壓均非真實過壓。而且下管IGBT會一直觸發(fā)，直到模塊電壓低于過電壓觸發(fā)下限值。下管IGBT一直觸發(fā)的這段時間遠遠大于等待判斷旁路拒動故障的15 ms，因此在這期間也不應有大電壓。

改進思路為：檢測過壓，檢測旁路開關是否發(fā)生拒動，如果正常合閘，則判斷功率模塊電壓正常，向閥控系統(tǒng)上傳正常電壓值；如果未正常合閘，仍由閥控申請過壓跳閘。在閥控中設置的過壓(大于2.2 kV)延時2 ms跳閘保護，該設置不需改變，仍沿用原值。

4.2 優(yōu)化策略

經(jīng)分析，旁路開關拒動故障檢測的等待時間設置為15 ms，是因為旁路開關的輔助觸點為常閉機械觸點，常閉觸點打開時，會有機械抖動，盡管要求機械開關的抖動時間應小于13 ms，但為了防止誤判，對反饋觸點狀態(tài)判斷前的等待時長設置為15 ms。在15 ms之后判斷該輔助觸點是否打開，并且在3 ms之內(nèi)持續(xù)判斷該觸點的狀態(tài)，以確認主觸點閉合。如果15 ms后旁路開關確實沒有閉合，引起電容器電壓升高，損壞IGBT，此時閥控仍會發(fā)出跳閘指令將故障隔離。

閥控級功率模塊過壓保護定值修改后的邏輯如圖8所示。

a)功率模塊檢測到模塊電壓上升到2.180 kV，那么模塊內(nèi)部在15 ms內(nèi)持續(xù)檢測模塊電壓是否大于2.18 kV，如果是，則在15 ms后開始檢測是否發(fā)生拒動故障。拒動故障的判斷方式為：檢測到旁路沒有閉合的信號并經(jīng)過3 ms濾波，則判為拒動故障。如果沒有拒動故障則將低于跳閘定值的電壓

圖8 優(yōu)化后的過壓保護邏輯Fig.8 Over-voltage protection logic after optimization

值(采用1.5 kV)送至閥控系統(tǒng)；如果檢測到拒動故障則將實際采樣得到的電壓值送至閥控系統(tǒng)。

b)如果檢測到電壓低于2.18 kV或在大于2.18 kV之后又回到2.18 kV以下，則將功率模塊電壓真實值上送閥控系統(tǒng)。

c)如果模塊采樣電壓大于2.18 kV的現(xiàn)象不能維持超過15 ms，也將低于跳閘定值的電壓值送至閥控系統(tǒng)。后續(xù)如果電壓小于2.18 kV，則向閥控系統(tǒng)上送功率模塊真實電壓值。

該邏輯在PMC上進行程序修改，只需利用已有的旁路拒動故障判斷方式，并增加一路12位的計數(shù)器和若干單位的寄存器即可完成邏輯判斷。與閥控級程序修改的方式相比，功率模塊只需對自身采集到的電壓值進行判斷，占用資源較少，易于實現(xiàn)。而且每個功率模塊的程序相同，修改后在廠內(nèi)就可以完成相應的測試，確保修改后程序邏輯正確、功率模塊正常工作。

4.3 試驗驗證

為了驗證優(yōu)化后邏輯的正確性，進行如下測試。

4.3.1 電壓達到2.18 kV后，旁路開關正常合閘

旁路開關正常合閘試驗波形如圖9所示。大約在電壓達到2.18 kV后11.08 ms，旁路開關輔助觸點動作。從圖9可以看出，反饋觸點在規(guī)定的15 ms之內(nèi)返回，此時即使功率模塊電壓上升至過壓值，閥控也不會發(fā)出跳閘信號，閥控收到的功率模塊電壓為1.499 kV。該試驗驗證了當旁路開關正常動作時，即便A/D采樣回路存在故障也不會使閥控申請?zhí)l。

4.3.2 電壓達到2.18 kV后，旁路開關未正常合閘

旁路開關未正常合閘試驗波形如圖10所示。

圖9 旁路開關正常合閘試驗波形Fig.9 Test waveform of bypass switch in normal closing after optimization

圖10 旁路開關未正常合閘試驗波形Fig.10 Test waveform of bypass switch in failed closing

從圖10可以看出，反饋觸點在規(guī)定的15 ms之內(nèi)未返回，再經(jīng)過3 ms濾波判斷出拒動故障，此時功率模塊電壓上升至過壓值，閥控發(fā)出跳閘信號，閥控收到的功率模塊電壓是真實過壓值。系統(tǒng)已經(jīng)按照設置的邏輯執(zhí)行了相應的動作，動作邏輯正確。

4.4 優(yōu)化效果

該優(yōu)化策略于2017年3月在魯西柔直單元實施后，未再發(fā)生功率模塊過壓保護誤動事件，有效提升了柔直單元運行可靠性。

5 結束語

本文針對封裝式IGBT所構成的MMC功率模塊過壓保護策略存在誤動風險，提出了一種功率模塊過壓保護優(yōu)化策略。系統(tǒng)仿真結果表明，電壓采樣異常時，在旁路開關正常合閘或拒動的情況下，該策略能有效地保護功率模塊及防止拒動。通過在魯西柔性直流輸電工程中的實際應用，驗證了該策略的可行性和有效性。