VSC-HVDC系統中IGBT閥保護方案研究

張艷霞, 杜珊珊, 馬錦婷, 董廣浩

(天津大學 智能電網教育部重點實驗室,天津 300072)

0 引 言

基于電壓源換流器的高壓直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current transmission,VSC-HVDC)也被稱為柔性直流輸電,具有無換相失敗、可向無源電網供電、能獨立控制有功功率和無功功率、事故后能快速恢復供電等優點,越來越多地應用在電網互聯、風電場并網和孤島供電中。電壓源換流器是柔性直流輸電系統的核心設備,它使用全控型電力電子器件絕緣柵雙極晶體管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)實現電能的交直流變換。IGBT閥長期工作在高電壓大電流的環境下容易發生故障,其故障主要包括閥短路和閥開路。閥短路產生的過電流將導致換流器閉鎖,從而引起柔性直流輸電系統停運;閥開路則可能引起系統電壓和電流發生畸變,影響電能質量。因此,研究VSC-HVDC系統中IGBT閥的故障特征和保護原理對于保障電力系統的安全運行具有重要的理論意義和實用價值。

目前,針對VSC-HVDC系統中IGBT閥的故障分析主要集中在閥的交流出口故障和直流出口故障,對IGBT閥本身的故障分析較少。文獻[1-2]對兩電平電壓源換流器直流出口發生的雙極短路和單極接地故障進行分析,將整個故障過程分為電容放電、二極管續流和交流側電源饋流3個階段,分析了各階段直流線路電流的暫態特征,為研究直流線路保護提供了理論基礎。文獻[3]基于對換流器交流出口短路、IGBT閥短路和換流器直流出口短路的仿真結果,總結了故障后電壓和電流的變化規律,但仿真結果與實際有一定差距。文獻[4-5]針對換流器區內的不同短路分析了IGBT閉鎖后的電氣量特征,據此提出一種換流器區內短路的識別方法,不足之處是缺少對IGBT閉鎖前電氣量特征的分析。文獻[6]對IGBT閥本身短路進行分析,得到交流側電流增大且直流線路電流反向的故障特征,但缺少短路后閥換相過程對故障特征影響的分析。文獻[7]分析了IGBT閥開路后的交流側電流畸變和直流側電壓電流的波動,給出了直流側電壓和電流的表達式,并指出電流的畸變和波動特點在設計IGBT閥開路保護時值得關注。

VSC-HVDC系統中IGBT閥短路的保護主要采用過流保護,不僅能反應IGBT閥本身短路,也反應換流器交流出口短路和直流出口短路。針對保護原理單一的現狀,文獻[8]分析了光伏并網系統換流器區內IGBT閥短路、閥開路和交流出口不對稱短路時的直流側電流特征,在此基礎上提出一種基于基波和二次諧波的過電流保護方案,完善了換流器的保護配置,為進一步研究VSC-HVDC系統IGBT閥保護原理提供了借鑒。對于IGBT閥開路,目前研究主要集中在閥開路的診斷方法上。文獻[9]針對換流器的非破壞性故障如IGBT閥開路、交流側單相斷線等進行故障特征分析,提出一種基于交流側電流直流分量和直流側電流諧波分量的換流器故障診斷方法。文獻[10]研究了雙端VSC-HVDC系統中兩側換流器之間的傳遞特性,提出一種零標記法和相位法的IGBT閥開路故障診斷方案,能同時檢測本端和對端的IGBT閥開路,減少檢測裝置的數量。

本文以VSC-HVDC系統的三相兩電平換流器為研究對象,將正常運行時換流器的5種開關模式分為兩類工作狀態。以此為基礎分析不同工作狀態下IGBT閥短路和閥開路的電流流通路徑,研究故障后交流側電流和直流側電流的特征以及相互關系,提出將交流側三相電流采樣值分別與各自導通狀態函數相乘并求和后,與直流側電流構成差動電流,利用該差動電流反應IGBT閥短路和閥開路的保護方案。

1 VSC-HVDC系統中IGBT閥的故障分析

1.1 換流器正常運行的兩類工作狀態

圖1為采用三相兩電平換流器的VSC-HVDC送端系統接線圖。每相由上、下兩橋臂構成,每個橋臂由一組可關斷器件IGBT和續流二極管組成。圖中:ea、eb、ec為交流等值系統的三相電勢;L為換相電抗;CTa、CTb、CTc為換流器交流側的三相電流互感器,規定電流流入換流器為正;Udc為直流側電壓;O為直流側接地點;CTdP為直流線路高壓端電流互感器,規定電流流入直流線路為正;CTdN為直流線路低壓端電流互感器,規定電流流出直流線路為正;直流端口用直流電動勢Eeq和阻抗Zeq串聯等效。

圖1 采用三相兩電平換流器的VSC-HVDC送端系統接線Fig.1 Wiring diagram of VSC-HVDC rectifier side using three-phase two-level converter

圖2給出了換流器的正弦脈寬調制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)波形,調制波幅值Urm和載波幅值UΔm之比為調制比M,三相調制波相對于三相交流電勢的角度為調制角δ,正常運行時滿足:0.5≤M≤1,-15°≤δ≤15°[11-13]。

圖2 換流器的SPWM波形及區間劃分情況Fig.2 SPWM waveform and interval division of the converter

根據ea、eb、ec的過零點,將一個工頻周期按照60°間隔劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ共6個區間。以區間Ⅰ(ea>0,eb<0,ec>0)為例,當載波比N=12時,該區間依據調制信號的不同可劃分為13個時段。每個時段內,閥導通情況由其承受電壓的正負和調制信號共同決定,當承受正向電壓且橋臂導通信號為1時導通。表1給出了區間Ⅰ內不同時段下閥的導通情況。

表1 區間Ⅰ內不同時段下閥的導通情況

由表1可知,任一時刻每相橋臂都有1個IGBT或1個二極管導通,但13個時段內的開關模式只有[111]、[101]、[001]、[000]、[100]共5種類型,且當載波比N增大時,雖然區間內劃分時段個數會增加,但開關模式依然是這5種。而這5種開關模式對每相而言,只存在2種工作狀態:1)上橋臂導通;2)下橋臂導通。將換流器的5種開關模式分為兩類工作狀態可以簡化故障后的復雜分析過程。

1.2 正常運行時直流側電流與交流側三相電流采樣值的關系

對于SPWM,其開關函數Sk(k=a、b、c)描述為

(1)

式中:Sk=1表示上橋臂IGBT或二極管導通;Sk=0表示下橋臂IGBT或二極管導通。Sk的波形如圖3所示。

圖3 SPWM調制下的換流器開關函數SkFig.3 Switching functions of the converter Sk under SPWM modulation

在分析過程中忽略開關函數高頻分量,主要考慮其低頻分量的作用。通過傅里葉分解,SPWM調制下開關函數的直流分量及基波分量為:

(2)

式中Sa、Sb、Sc分別稱為a、b、c相的導通狀態函數。

將交流側三相電流分別與各自導通狀態函數相乘并求和后得

(3)

式中Im、φ為a相電流的幅值和初相角。

在換流閥導通換相的過程中,未經電容濾波的直流側電流idP依據不同導通模式被調制為不同相電流的瞬時值、瞬時值的相反值或者0。以區間I為例:當換流器工作于模式1 [111]時,idP=ia+ib+ic=0;當換流器工作于模式2 [101]時,idP=ia+ic=-ib;當換流器工作于模式3[001]時,idP=ic;當換流器工作于模式4[000]時,idP=0;當換流器工作于模式5[100]時,idP=ia。因此,未經電容濾波的直流側電流idP在一個工頻周期內的波形如圖4所示。

圖4 一個工頻周期內未經電容濾波的直流側電流idPFig.4 DC side current without capacitor filtering within a power frequency cycle

經電容濾波后的直流側電流IdP可看作是一個工頻周期內idP求平均值得到的。因此可得:系統正常運行時,交流側三相電流與各自導通狀態函數相乘并求和后的數值與直流側電流在數值上相等,即直流側電流IdP和交流側三相電流之間滿足以下平衡關系[14-16]:

IdP=Saia+Sbib+Scic。

(4)

由式(3)和式(4)可知:1)正常運行時交流側三相電流與各自導通狀態函數相乘并求和后的數值與調制比M、調制角δ和Im、φ相關,而直流側電流IdP在數值上與其相等;2)該求和后的數值與時刻t無關。這意味著正常運行時,任意時刻的交流側三相電流采樣值與各自導通狀態函數相乘并求和后的數值均與直流側電流相等。

1.3 IGBT閥短路分析

IGBT閥短路主要由誤驅動、絕緣損壞、閥臂閃絡等原因引起。不同時刻發生故障對應換流器的工作狀態不同,則故障后的電氣量特征也不同。因此,下文以a相下橋臂閥VT4短路為例,在兩類工作狀態下進行分析。

1)a相上橋臂導通。

在區間Ⅰ內,調制信號[101]、[111]和[100]都屬于這類工作狀態。以[101]為例,正常運行時閥VD1、VD5、VD6導通。此狀態下若VT4短路,則負極電容電壓udcN與a相電壓ua相等,VD1因承受反壓截止,由于調制信號未變閥VT1導通,導致a相上下橋臂同時導通。短路電流流通路徑如圖5所示,故障電流有2條流通路徑:回路①是交流等值系統向短路點提供的電流;回路②是直流電容的放電電流,一部分經閥VT1和VT4形成回路,另一部分經直流側形成回路。

圖5 區間Ⅰ內調制信號為[101]時,VT4短路的電流流通路徑Fig.5 Current paths of VT4 short circuit when the modulation signal is [101] in interval Ⅰ

回路①相當于交流等值系統出口三相短路,其短路電流為:

(5)

式中ωL為換相電抗的等值阻抗。

將交流側三相電流與各自導通狀態函數相乘并求和后得

(6)

回路②電容放電電流經閥VT1和VT4形成回路的這部分數值大,經直流側形成回路的那部分數值較小。顯然,直流側電流IdP和交流側三相電流之間不再滿足式(4)的平衡關系。

2)a相下橋臂導通。

在區間Ⅰ內,調制信號[001]和[000]屬于這類工作狀態。以[001]為例,正常運行時閥VT4、VD5、VD6導通。此狀態下若VT4短路,電流流通路徑和正常運行時相同,如圖6所示,直流側電流IdP和交流側三相電流之間依然滿足式(4)的平衡關系。

圖6 區間Ⅰ內調制信號為[001]時,VT4短路的電流流通路徑Fig.6 Current paths of VT4 short circuit when the modulation signal is [001] in interval Ⅰ

綜上分析得出以下結論:1)IGBT閥短路后,交、直流電流之間的關系與故障相橋臂導通狀態有關。當IGBT閥短路發生在對側橋臂導通時,交流側三相電流與各自導通狀態函數相乘并求和后的數值與直流側電流不相等。當IGBT閥短路發生在本橋臂導通時,交流側三相電流與各自導通狀態函數相乘并求和后的數值與直流側電流仍相等。2)隨著調制信號變化,交、直流電流之間的關系在上面兩種狀態之間切換。

1.4 IGBT閥開路分析

換流器中IGBT閥開路通常由于機械失效或控制系統丟失脈沖所導致。由于每個橋臂由IGBT和二極管反并聯組成,因此,分析下文IGBT閥開路按照橋臂上導通器件是IGBT還是二極管進行。

1)a相上橋臂導通。

圖7 區間Ⅰ內調制信號為[101]時,VT4開路的電流流通路徑Fig.7 Current paths of VT4 open circuit when the modulation signal is [101] in interval Ⅰ

圖8 區間Ⅳ內調制信號[110]時,VT4開路的電流流通路徑Fig.8 Current paths of VT4 open circuit when the modulation signal is [110] in interval Ⅳ

2)a相下橋臂導通。

圖9 區間Ⅳ內調制信號[011]時,VT4開路的電流流通路徑Fig.9 Current path of VT4 open circuit when the modulation signal is [011] in interval Ⅳ

VT4導通:區間Ⅰ內時段③、④、⑤、⑨、⑩,區間Ⅱ內時段④、⑩,區間Ⅲ內時段④、⑩、都屬于這類情況。圖10給出了區間Ⅰ內[001]的電流流通路徑,VT4開路后a相電流變為0,但b、c兩相電流和直流側電流IdP保持不變。顯然,直流側電流IdP和交流側三相電流不再滿足式(4)的平衡關系。

圖10 區間Ⅰ內調制信號[001]時,VT4開路的電流流通路徑Fig.10 Current paths of VT4 open circuit when the modulation signal is [001] in interval Ⅰ

綜上分析可得出以下結論:1)IGBT閥開路后,交、直流電流之間的關系不僅與開路前橋臂導通狀態有關,還與橋臂上導通器件有關。如果IGBT閥開路前橋臂上是二極管導通,則交流側三相電流與各自導通狀態函數相乘并求和后的數值與直流側電流仍相等。如果IGBT閥開路前橋臂上是IGBT導通,則交流側三相電流與各自導通狀態函數相乘并求和后的數值與直流側電流不相等。2)隨著調制信號變化,交、直流電流之間的關系在上面兩種狀態之間切換。

2 IGBT閥保護的新方案

根據上述分析可知:換流器IGBT閥發生短路或開路故障后,交流側三相電流與直流側電流之間不總是滿足平衡關系,而是在平衡和不平衡兩種狀態之間切換。表2和表3分別列出了閥VT4短路和開路后一個工頻周期內兩者之間的關系。由表可知,一個工頻周期內,隨著閥的狀態切換可分為78個時段,IGBT閥短路后有42個時段不滿足式(4)的平衡關系,共計10.77 ms;而IGBT閥開路時有10個時段不滿足式(4)的平衡關系,共計2.56 ms。

表2 VT4短路后一個周期內不同時段下的兩側電流關系

表3 VT4開路后一個周期內不同時段下的兩側電流關系

因此,本文基于VSC-HVDC系統中IGBT閥兩側電流定義差動電流為

Idiff=||IdP|-|Saia+Sbib+Scic||。

(7)

式中:Sa、Sb、Sc分別為式(2)給出的a、b、c相的導通狀態函數;ia、ib、ic分別為交流側三相電流的采樣值;IdP為直流側電流的采樣值。

反應IGBT閥故障的保護判據為

Idiff≥Iset,持續2.5 ms。

(8)

式中保護整定值按照躲開外部故障最大不平衡電流整定Iset=KrelIunb.max,可靠系數Krel取1.1～1.3。而最大不平衡電流按躲開直流線路短路電流IdP.max的5%整定即Iunb.max=0.05IdP.max?？紤]到閥開路時只有2.56 ms滿足判據,因此為保證閥開路時保護可靠動作,要求采樣頻率在2 kHz以上。

目前的IGBT閥保護采用過流保護,存在以下缺點:1)只反應閥短路不反應閥開路[9,11];2)換流器交流出口和直流出口短路時,只要電流超過整定值都會誤動作,不具有選擇性[12]。而本文提出的保護方案不僅能反應閥短路,而且能反應閥開路。在換流器交流出口、直流出口故障時,保護不誤動作。本文保護的動作流程如圖11所示。

圖11 保護動作流程圖Fig.11 Action flowchart of protection

3 仿真驗證

為了驗證本文所提保護方案的有效性,基于PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建柔性直流輸電系統仿真模型如圖12所示,仿真參數列于表4。故障發生時刻設置為0.8 s,仿真過程未設置閥閉鎖,采樣頻率為4 kHz。

表4 VSC-HVDC系統參數Table 4 VSC-HVDC system parameters

圖12 基于兩電平VSC的雙端柔性直流輸電系統仿真模型Fig.12 Simulation model of double-terminal flexible DC transmission system based on two-level VSC

當直流線路出口雙極短路時,交流側電流和直流側電流如圖13所示。交流側的穩態短路電流為正常運行時的5倍,直流側的穩態短路電流IdP為正常運行時的3.6倍。按照本文的整定原則,反應IGBT閥故障保護的整定值Iset=0.05KrelIdP.max=0.05×1.15×3.6=0.20 pu。

圖13 直流線路出口雙極短路后的交直流兩側電流Fig.13 Current on both sides of AC and DC after a bipolar short circuit at DC line outlet

a相上橋臂VT1短路后的交流側電流、直流側電流及差動電流如圖14所示。VT1短路后a相的上、下橋臂同時導通,這使得直流正負極連通,相當于換流器交流出口發生了三相短路,因此三相電流明顯增大,經過渡過程后進入穩態。故障后直流電容放電使得直流側電流IdP反向急劇增大,經過渡過程后也進入穩態。在故障后的一個工頻周期內,差動電流IdP≥Iset超過2.5 ms,保護可靠動作。

圖14 VT1短路后的交直流兩側電流和差動電流Fig.14 Current on both sides of AC and DC and differential current after VT1 short circuit

a相下橋臂閥VT4短路后的交流側電流、直流側電流及差動電流如圖15所示。VT4短路也相當于換流器交流出口發生三相短路,交流側三相電流均有增大;故障初始時刻直流電容放電使得直流側電流IdP反向急劇增大,穩態后IdP約為正常運行時的2.5倍且極性一直為負。在故障后一個工頻周期內,差動電流IdP≥Iset超過2.5 ms,保護可靠動作。

圖15 VT4短路后的交直流兩側電流和差動電流Fig.15 Current on both sides of AC and DC and differential current after VT4 short circuit

a相上橋臂VT1開路后的交流側電流、直流側電流及差動電流如圖16所示。交流側三相電流中都包含直流分量,原因是:VT1開路時,VT1和VD4的開關特性均失效,故障相電流只能通過VT4和VD1流通,因此故障相電流ia≥0,其包含的直流分量也為正,而b、c兩相電流包含的直流分量為a相的1/2。在故障后的一個工頻周期內,差動電流IdP≥Iset超過2.5 ms,保護可靠動作。但由于故障發生時刻正好處在VT1不導通的半個周期內,因此保護動作比下橋臂VT4開路時稍慢。

圖16 VT1開路后的交直流兩側電流和差動電流Fig.16 Current on both sides of AC and DC and differential current after VT1 open circuit

圖17給出了a相下橋臂閥VT4開路后的交流側電流、直流側電流及差動電流。交流側三相電流均有增大,但沒有閥短路增大得多,且三相電流均產生了直流偏置,其中故障相的直流分量最明顯。此情況下,VT4和VD1開關特性失效,故障相電流只流過VT1和VD4,故ia≤0,其包含的直流分量也為負,b、c兩相電流包含的直流分量為a相的1/2。直流側電流IdP除了恒定的直流分量還增加了基波分量。在故障后的一個工頻周期內,差動電流IdP≥Iset超過2.5 ms,保護可靠動作。

圖17 VT4開路后的交直流兩側電流和差動電流Fig.17 Current on both sides of AC and DC and differential current after VT4 open circuit

4 結 論

1)IGBT閥短路后,交、直流電流之間的關系只與故障相橋臂的導通狀態有關。若對側橋臂導通時閥短路,則交流側三相電流與各自導通狀態函數相乘并求和后的數值與直流側電流不相等。若本橋臂導通時閥短路,則兩者仍相等。

2)IGBT閥開路后,交、直流電流之間的關系不僅與開路前橋臂導通狀態有關,還與橋臂上導通器件有關。如果閥開路前橋臂上是二極管導通,則交流側三相電流與各自導通狀態函數相乘并求和后的數值與直流側電流仍相等。若閥開路前橋臂上是IGBT導通,則兩者不相等。

3)本文將交流側三相電流與各自導通狀態函數相乘并求和后,再與直流側電流構成差動電流,提出一種IGBT閥保護方案,既能反應閥短路又能反應閥開路,彌補了現有的IGBT過電流保護及其他研究方案不能反應閥開路的不足。