電力電子變壓器故障下的運行策略

周 柯 ，涂春鳴 ，高立克 ，蘭 征 ，劉 鵬 ，胡洋凱

（1.廣西電網(wǎng)公司電力科學研究院，南寧 530023；2.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙410082）

引言

近年來，電力電子變換技術(shù)發(fā)展迅速，在電力系統(tǒng)中的最新運用——電力電子變壓器（power electronic transformer,PET）結(jié)合了高頻變壓器，能實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞，已得到了國內(nèi)外學者的火熱研究［1］。PET作為輸配電系統(tǒng)最基本的組成設(shè)備應(yīng)用于電網(wǎng)，突出特點在于對交流側(cè)電壓幅值和相位的實時控制，可實現(xiàn)變壓器原副方電壓、電流和功率的靈活調(diào)節(jié)，故具備解決電力系統(tǒng)中許多新課題的潛力，應(yīng)用前景廣闊［2］。

PET運行于電網(wǎng)的關(guān)鍵位置，穩(wěn)定運行對電力系統(tǒng)至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有對PET的研究主要是從其結(jié)構(gòu)優(yōu)化、算法控制、應(yīng)用場合以及其優(yōu)化電能等方面展開，卻鮮有對PET進行故障分析和故障處理的討論。

本文先簡要論述級聯(lián)型電力電子變壓器的基本運行原理，分析故障形式，將雙主動橋（dual active bridge，DAB）故障作為典型研究對象，提出故障檢測方法和應(yīng)對運行方案，最后進行了仿真驗證。

1 級聯(lián)型PET分析

1.1 基本運行原理

本文研究的級聯(lián)型電力電子變壓器分為3級：輸入級、隔離級和輸出級［3］。輸入級采用12級的級聯(lián)H橋整流拓撲，中間隔離級采用雙主動橋（dual active bridge，DAB）變換器拓撲，輸出級采用三相PWM逆變器拓撲，整體結(jié)構(gòu)見圖1。輸入級將一次側(cè)高壓工頻交流轉(zhuǎn)化為直流；隔離級變壓器原方進行DC/AC變換，將直流調(diào)制為高頻交流，經(jīng)高頻變壓器耦合，副方進行AC/DC變換，將高頻交流還原為直流，實現(xiàn)隔離和能量傳遞；輸出級將直流進行逆變，實現(xiàn)二次側(cè)低壓工頻交流輸出。輸入級采用級聯(lián)型拓撲，降低了功率器件的電壓應(yīng)力，提高了等效開關(guān)頻率，并降低了電流諧波率和濾波器的體積，同時可以實現(xiàn)高功率因數(shù)整流，保證一次側(cè)電壓電流同相位，降低傳輸損耗；隔離級的DAB拓撲則提高了整機效率，在大功率場合優(yōu)勢明顯；輸出級逆變器能改善非線性負載對電網(wǎng)電壓影響，對負載變化做出快速準確響應(yīng)。該拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯，是目前較為成熟的電力電子變壓器拓撲方案。

圖1 級聯(lián)型電力電子變壓器拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 故障模式分析

電力電子裝置主要由功率開關(guān)元件組成，包括主電路、控制電路和驅(qū)動電路等幾個部分，因此故障也同樣來自這幾個部分。但由于主電路的故障率在實際工作中更高，而其他部分相對而言可靠性較好,因此絕大多數(shù)的電力電子裝置故障研究都集中在主電路部分。主電路的故障可以分為參數(shù)性故障和結(jié)構(gòu)性故障。參數(shù)性故障指由于電路中器件參數(shù)（電阻阻值、電感感值、電容內(nèi)阻、開關(guān)參數(shù)等）偏離正常值而導(dǎo)致的故障，參數(shù)性故障通常采用參數(shù)辨識進行診斷；結(jié)構(gòu)性故障指由于電路中電力電子器件出現(xiàn)短路、斷路或由于驅(qū)動電路故障而導(dǎo)致電路拓撲發(fā)生變化的故障，由于保護電路發(fā)生動作諸如保險絲熔斷、斷路器跳閘等所致的電路拓撲變化也應(yīng)歸入結(jié)構(gòu)性故障。一般的電力電子電路故障均指結(jié)構(gòu)性故障［4-5］。

電力電子變壓器作為復(fù)雜的電力電子裝置，其故障模式屬于前文所述的基本形式。根據(jù)圖1所示的12級級聯(lián)型PET拓撲結(jié)構(gòu)，其可能發(fā)生的故障分為3類，其中第1類為參數(shù)性故障，它包括拓撲結(jié)構(gòu)中的電容、電感的數(shù)值偏離正常；第2類為結(jié)構(gòu)性故障，它包括3級拓撲結(jié)構(gòu)內(nèi)所有IGBT和2極管可能出現(xiàn)的短路和斷路而造成的故障；第3類則為隔離級中高頻變壓器的內(nèi)部故障［6］。從分析可以看出，隔離級DAB環(huán)節(jié)由于有更多的功率開關(guān)元件，且包含高頻變壓器，存在第2類和第3類故障可能性，出現(xiàn)故障的可能性更大。故本文針對DAB環(huán)節(jié)的故障形式及故障下運行方式進行重點研究。

2 DAB模塊故障分析

DAB由功率開關(guān)元件和高頻變壓器兩部分組成，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，故障分析從這兩部分展開。

圖2 雙主動橋DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 功率開關(guān)元件故障

功率開關(guān)元件其故障模式主要為開路與短路，產(chǎn)生原因和電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力、熱應(yīng)力和開關(guān)器件內(nèi)部非線性效應(yīng)有關(guān)。

功率開關(guān)元件故障直接表現(xiàn)為電路中電力電子器件的不可控通斷，造成電路拓撲變化，與電路中非開關(guān)器件無關(guān)。若能將任意時刻電路中功率開關(guān)元件的通斷狀態(tài)確定，就能確定電路任意時刻的拓撲結(jié)構(gòu)［8］。利用功率開關(guān)元件的通斷狀態(tài)，可知電路狀態(tài)變量，通過監(jiān)測這些狀態(tài)變量即可確定拓撲。監(jiān)測變量可以是電壓、電流，也可以是電阻、功率、頻率、諧波含量等，選擇何種變量監(jiān)測需要根據(jù)電路情況決定。針對DAB拓撲結(jié)構(gòu)，選擇開關(guān)支路電流作為判據(jù)：如果該支路的電流在一個時間段內(nèi)為零，可推斷該開關(guān)器件在該時間段內(nèi)處于關(guān)斷狀態(tài)；如果該支路的電流非零，則可認為該器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，這里電流為零的概念應(yīng)理解為電流的絕對值不大于器件漏電流。因此，檢測所有開關(guān)器件支路的電流信號就能確定電路中各個開關(guān)的通斷狀態(tài)，完成電路拓撲辨識［7］，實現(xiàn)電路故障診斷。

以一級DAB為例，高頻變壓器原、副邊類似于DC-DC環(huán)節(jié)［9-10］，每個開關(guān)器件由一個全控器件和一個二極管反并聯(lián)而成，其故障存在3種可能：①全控器件或二極管短路故障；②全控器件斷路；③二極管斷路。高頻變壓器原邊電路故障情況如表1所示。

表1 故障特征表

表1中存在空集φ，它表示電路中所有器件均關(guān)斷時的情況。因此系統(tǒng)拓撲可以由此辨識，電路的 拓 撲 形 式 有 ：D1D4、T2T3、T1T4、D2D3、S1T2T3、S2T1T4、S3T1T4、S4T2T3、S1D2T3、S2D1T4、S3T1D4、S4T2D3、D1T2、D2T1、D3T4、D4T3。對應(yīng)每個狀況都會不同的電流狀態(tài)，其對應(yīng)的電流狀態(tài)羅列如表2所示。

表2 電路狀態(tài)判斷表

同理，高頻變壓器副邊功率開關(guān)元件的通斷情況能相似推導(dǎo)。通過監(jiān)測高頻變壓器原、副邊電力電子器件的電流狀態(tài)完成功率開關(guān)器件故障檢測并判斷電路故障原因，實現(xiàn)電路拓撲辨識，形成故障信息并反饋給控制單元。

2.2 高頻變壓器故障

PET中高頻變壓器故障的研究主要是基于各種運行情況下的仿真模型，其中包括正常運行、空載合閘、匝間短路和匝地短路，然后對仿真得到的電氣量進行分析，提出故障判據(jù)。由于本文重點在于判斷PET的故障，并設(shè)計相應(yīng)的故障運行策略，故只需研究高頻變壓器故障時的故障特征，不需要研究故障機理。選取變壓器原、副邊電流作為監(jiān)測變量，利用電流差動判斷高頻變壓器故障與否，其原理如圖3所示。

圖3 電流差動監(jiān)測原理

首先，高頻變壓器原、副邊電流i1、i2經(jīng)電流互感器 TA1、TA2 變換后得到測量電流 iⅠ、iⅡ，對 iⅠ、iⅡ分別進行傅里葉分解后，兩相比較得到信號作為故障判據(jù)，TA1、TA2的變比比值等于高頻變壓器變比。高頻變壓器正常工作時，最后得到的信號應(yīng)該為零。

高頻變壓器在各種運行情況，即包括正常運行、空載合閘、匝間短路、匝地短路四種工況條件下仿真實驗，對電流監(jiān)測量iⅠ、iⅡ的分析比較可以判斷故障。通過分析，正常運行工況下，電流監(jiān)測量iⅠ、iⅡ主要是由奇數(shù)次波分量合成，且 iⅠ、iⅡ的各次分量相等；空載合閘工況下，電流監(jiān)測量iⅠ、iⅡ產(chǎn)生畸變，奇數(shù)次波分量衰減很多，但iⅠ、iⅡ的各次分量相近；匝間短路工況下，從3次波開始，iⅠ的奇數(shù)次波分量遠遠小于iⅡ的奇數(shù)次波分量；匝地短路工況下，iⅠ直流分量遠遠大于 iⅡ的直流分量， 同時，iⅠ各次奇數(shù)波分量遠遠小于iⅡ的各次奇數(shù)波分量。

由此，將電流監(jiān)測量 iⅠ、iⅡ傅里葉分解后，分別比較iⅠ、iⅡ的直流分量和各次奇數(shù)波分量即可有效判定PET中的高頻變壓器是否故障。

3 故障運行策略

為保證DAB發(fā)生故障時PET正常運行，并快速恢復(fù)故障，需將故障級DAB快速切除。余下級DAB配合級聯(lián)H橋整流器共同維持交流側(cè)和直流側(cè)各項性能指標合格，不對電網(wǎng)造成負面影響。

判斷DAB環(huán)節(jié)故障與否，主要依靠檢測DAB中高頻變壓器原、副邊的電流情況以及功率開關(guān)元件上的電流情況。

DAB裝置正常運行時，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制，其控制策略如圖4所示。同時，監(jiān)測DAB裝置中開關(guān)器件電流和高頻變壓器內(nèi)部電流，通過監(jiān)測機制判定DAB故障。發(fā)生故障后，將監(jiān)測信息匯總、分析故障原因，反饋至控制單元，控制系統(tǒng)迅速回應(yīng)。運行策略切換為故障策略，控制故障級DAB對應(yīng)的級聯(lián)H橋整流器進入旁路工作狀態(tài)，以完成故障級DAB快速切除。同時，良好控制余下DAB與級聯(lián)H橋整流器，維持PET不停機穩(wěn)定運行。切除流程如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)控制策略

圖5 故障切除流程

若要故障級DAB切離系統(tǒng)，需對故障級H橋整流器進行控制，使其進入旁路工作狀態(tài)，從而達到目的，其控制原理如圖6所示。

圖6 DAB切除控制策略

單級H橋整流器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示，若流過H橋整流器的電流Is為正，圖7中的SA導(dǎo)通，SB、SC、SD均關(guān)斷；若流過H橋整流器的電流Is為負，圖1 中的 SB導(dǎo)通，SA、SC、SD均關(guān)斷。 無論流入故障級整流橋的電流Is為正向還是反向，都能使故障級整流器上橋臂功率開關(guān)元件SA和SB配合導(dǎo)通，同時其下橋臂功率開關(guān)元件SC和SD封鎖阻斷。這樣，整流橋后級裝置進入旁路狀態(tài)，從而使故障級DAB切除出裝置。

圖7 H橋整流器拓撲

故障級旁路后，要正常運行的余下級裝置共同維持PET穩(wěn)定運行以保證交流側(cè)和直流側(cè)各項性能指標合格。改變余下級裝置控制策略可達到目的。仍然保持電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)控制，調(diào)制波生成方式不變。載波相應(yīng)做出變化，重新計算余下級載波移相角，改變與之比較的三角載波，控制策略如圖8所示。設(shè)置載波切換開關(guān)，PET裝置正常運行時使用載波1，若裝置發(fā)生故障形成故障信號后則切換至載波2，在故障發(fā)生時迅速動作改變與調(diào)制波相比較的載波以完成控制，使整流橋輸出到達穩(wěn)定。

圖8 載波切換策略

4 實驗仿真

利用PSCAD/EMTDC仿真軟件建立圖1所示12級級聯(lián)型電力電子變壓器模型，驗證某一級DAB故障產(chǎn)生后切除運行的實驗效果。電網(wǎng)額定電壓為6 kV，額定頻率為50 Hz，仿真中公共電網(wǎng)采用理想電壓源。

在t=0.5 s時，某級DAB發(fā)生故障，輸入級交流側(cè)電壓 Vs波形如圖9（a）所示，圖9（b）為故障發(fā)生時刻局部放大。

圖9 輸入級交流側(cè)電壓波形

輸入級交流側(cè)電流Is波形如圖10（a）所示，圖10（b）為故障發(fā)生時刻局部圖。

圖10 輸入級交流側(cè)電流波形

輸入級交流側(cè)電壓Vs和電流Is波形合圖如圖11 所示，圖11（a）為整體，圖11（b）為故障發(fā)生時刻局部放大，為便于直觀分析，其中電流為放大50倍后的效果。

圖11 輸入級交流側(cè)電壓和電流波形

由圖9～圖11 可以看出，在 t=0.5 s，故障引起輸入電流變化，峰值增大了0.5倍。PET在1.5個電網(wǎng)周期內(nèi)檢測出故障并調(diào)整控制策略，將輸入電流調(diào)整至正常水平，維持功率因數(shù)運行。

故障級旁路后，余下級裝置需維持PET穩(wěn)定運行。直流側(cè)電壓總電壓波形如圖12所示，某運行級直流側(cè)電壓波形如圖13所示，故障級直流側(cè)電壓波形如圖14所示。

圖12 輸入級直流側(cè)總電壓波形

圖13 某運行級直流側(cè)電壓波形

圖14 故障級直流側(cè)電壓波形

從圖12～圖14可以看出，在0.5 s發(fā)生故障后，各級直流側(cè)電壓需進行調(diào)整，余下各級的直流側(cè)電壓在開關(guān)器件耐壓范圍內(nèi)小幅提升，維持直流側(cè)總電壓不變?？傠妷涸谡{(diào)整時出現(xiàn)了輕微波動，1.5個電網(wǎng)周期后重新恢復(fù)至正常水平。

逆變器輸出電壓波形如圖15（a）所示，圖15（b）為故障發(fā)生時刻局部放大。

圖15 逆變器輸出電壓波形

仿真可看出，由于良好的控制策略，三相輸出電壓在故障前后無變化，DAB故障切除時不影響后級電路運行，故PET能維持電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

5 結(jié)語

本文分析了級聯(lián)型PET的故障形式，將DAB故障作為典型對象研究。提出一種DAB故障檢測方法和應(yīng)對運行方案，切除故障級DAB，并平穩(wěn)調(diào)整運行策略，利用余下級裝置維持PET運行。使得PET能在故障情況下穩(wěn)定運行，維修時對電網(wǎng)運行零影響。對提出的方案進行了仿真驗證。仿真結(jié)果驗證了該方案的有效性。

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