VSC-HVDC中换流器故障诊断方法

钱承源

（泰西中学 山东 肥城 271600）

VSC-HVDC中换流器故障诊断方法

钱承源

（泰西中学 山东 肥城 271600）

基于电压源换流器的高压直流输电技术（VSC-HVDC）以其优良的特性得到了快速发展和广泛应用。本文根据VSC-HVDC中换流器部分在发生各种故障时直流电压的不同特性，提出了换流器故障分类与诊断方法，在PSCAD/EMTDC中建立了VSC-HVDC等值系统模型并进行仿真分析。仿真结果表明，该方法能有效诊断换流器内部故障，具有较好的应用前景。

VSC-HVDC；换流器；故障诊断

1 引言

上世纪90年代后期发展的柔性直流输电（VSC-HVDC）技术是一种灵活、经济和环保的输电方式。VSC-HVDC中采用全控电力电子器件，取代了传统HVDC中的半控器件，得到了快速发展。与传统HVDC相比，VSC-HVDC可以向无源网络供电，具有有功功率与无功功率独立调节的特点，且同等容量下其换流站的占地面积显著小于传统HVDC换流站[1]。

图1 VSC-HVDC等值系统模型

由于柔性直流输电系统所具有的独特技术优点，其应用领域广阔，如实现非同步联网，连接分布电源，向城市中心送电，向远方孤立负荷点送电等。1997年，ABB公司在瑞典中部的Hallsjon和Grangesberg之间建成首条工业试验工程。至今，国内外已有多条输电工程相继投入运行，比如：2000年美国Eagle Pass直流工程实现了美国电网与墨西哥电网互联；2005年挪威Troll A工程利用VSC-HVDC向海上石油钻井平台供电；2013年南澳多端柔性直流输电示范工程建成使用，将南澳风力发电所贡献的电能联入内地电网[2-4]。

柔性直流输电技术在多个领域占有重要地位，是城市中心供电，非同步联网的重要环节。换流器是柔性直流输电系统中的核心部分，复杂且器件成本高，其过压和过流能力差，易发生各种故障且维护困难。如果不能及时排查换流器故障，造成的后果将不堪设想。因此，对柔性直流输电换流器故障的检测尤为重要，是不可忽视的必要工作。

开展换流器部分的故障检测技术的研究，通过提取换流器故障特征，以准确地确定故障类型和位置，可以为后续保护装置动作提供有效信息，从而保障系统的安全可靠运行。因此，对VSC-HVDC中换流器故障诊断的方法进行探索研究是非常有意义的。

本文主要研究柔性直流输电换流器故障的检测方法，通过理论分析和模型构建，对波形数据进行分析，实现对故障的诊断。

2 故障分类与诊断方法

电压源换流器是VSC-HVDC系统中的实现交直流变换的核心装置，其故障主要分为三类：

（1）换流器交流侧出口故障；

（2）换流器内部故障；

（3）直流侧故障。

对于换流器内部故障，可分为3种常见类型：

（1）单相IGBT器件开路故障；

（2）单相IGBT器件短路故障；

（3）桥臂直通故障。

系统正常运行时，直流电压、有功功率和无功功率都稳定在其设定值，采用合适的控制策略来改变直流电压、有功功率和无功功率的设定值，可以改变整个系统的运行特性。

系统传输功率的变化会影响可测量故障信号的准确性。系统发生故障时，若依据系统的有功功率和无功功率的变化特性诊断故障类型，诊断结果有赖于传输功率[5]，其适用性较差；若采用直流电压的变化特性作为反映系统故障的检测信号，由于其幅值仅仅受设定值的影响，有功功率和无功功率设定值对直流电压的幅值的影响相对较小，其诊断结果适用性较好。

根据故障发生后直流电压幅值的大小以及具体波形的谐波含量，可以快速诊断故障类型。配合必要的信号处理方式，提取各个频率成分的信号信息，可进一步实现故障的准确定位。

3 系统建模与故障仿真

3.1 建立模型

在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件环境下，建立VSCHVDC等值系统模型，如图1所示。

设置送、受端交流系统额定电压为110kV，频率为50Hz。变压器的额定容量为6.3MVA，变比为110kV/10kV。送、受端交流系统和变压器的损耗的等效电阻为0.314Ω，交流侧滤波电感为0.01H，直流侧电容为2000μF。

等值系统模型中的整流部分采用定有功功率、定无功功率控制方式，其有功功率设定为5MW，无功功率设定为0MVar；逆变部分采用定直流电压、定无功功率的控制方式，直流电压设定为20kV，无功功率设定为0MVar[6-7]。

3.2 仿真分析

系统正常运行时，直流侧电压幅值稳定于20kV，如图2中（a）所示；若系统在1.60s时刻发生单相IGBT器件开路故障，由图2中（b）可以看出，故障后直流侧电压幅值在设定值20kV附近上下波动；若系统在1.60s时刻发生单相IGBT器件短路故障，由图2中（c）可以看出，故障后直流侧电压幅值瞬时降低至0附近，并会出现向上的毛刺；若系统在1.60s发生桥臂直通故障，由图2中（d）可以看出，故障后直流侧电压幅值瞬时降低至0，并在此后完全稳定于0。

图2 直流侧电压波形

因此，直流电压幅值可以作为故障诊断的检测信号。系统发生故障时，直流电压信号波形的改变可以直接反映系统的运行状态。首先根据直流侧电压幅值的衰减程度进行初步判断：若直流侧电压在其设定值小幅度波动，则可以判断是换流器内部的IGBT发生开路故障；若直流侧电压大幅度衰减至0，则可以判断为换流器内部的IGBT发生短路故障或桥臂直通故障。然后再根据故障后直流电压波形的谐波含量判断：若谐波含量大则判断为单相IGBT器件短路故障，若无谐波则判断为桥臂直通故障。最后可以配合必要的信号处理方式，提取各个频率成分的具体信号信息，进一步进行故障定位。

4 结语

VSC-HVDC中换流器的故障诊断尤为重要。本文研究了故障分类与诊断方法，建立了VSC-HVDC等值系统仿真模型。仿真结果表明：以直流电压的变化特性作为反映系统故障的检测信号，可以有效进行系统换流器内部的故障诊断，为后续的保护装置动作提供有效信息，从而保障系统的安全可靠运行。

[1]乐波，梅念，刘思源，等．柔性直流输电技术综述[J]．中国电业(技术版)，2014，(05)：43-47．

[2]汤广福，贺之渊，滕乐天，等．电压源换流器高压直流输电技术最新研究进展[J]．电网技术，2008，(22)：39-44+89．

[3]胡航海，李敬如，杨卫红，等．柔性直流输电技术的发展与展望[J]．电力建设，2011，32(05)：62-66．

[4]汤广福，贺之渊，徐政，等．柔性直流输电基础理论研究[R]．北京：中国电力科学研究院．2008．

[5]孙晓云，同向前，尹军．电压源换流器高压直流输电系统中换流器故障仿真分析及其诊断[J]．高电压技术，2012，38(06)：1383-1390．

[6]张建坡，赵成勇，孙一莹，等．基于电压源换流器型直流输电拓扑结构和调制策略[J]，电网技术，2013，37(06)：1732-1738．

[7]王国强，王志新，李爽．模块化多电平变流器的直接功率控制仿真研究[J]．中国电机工程学报，2012，32(06)：64-71．

TM721.1 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2018）02-0071-03

钱承源（2000-），男，汉族，山东省泰安市肥城市，就读于泰西中学，高中在读，研究方向是电力系统及其自动化。