基于MMC的配電網(wǎng)電力電子變壓器故障特性分析

周廷冬， 徐永海

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室， 華北電力大學(xué)， 北京 102206)

基于MMC的配電網(wǎng)電力電子變壓器故障特性分析

周廷冬， 徐永海

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室， 華北電力大學(xué)， 北京 102206)

介紹了配電網(wǎng)電力電子變壓器輸入級、隔離級和輸出級通常采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；選取了半橋子模塊型模塊化多電平換流器、雙有源橋和三相逆變器作為研究對象，基于PSCAD仿真平臺，搭建了10kV配電網(wǎng)電力電子變壓器仿真模型；對電力電子變壓器中可能出現(xiàn)的故障類型，包括交流輸入側(cè)故障、中壓直流側(cè)故障、低壓直流側(cè)故障以及功率開關(guān)元件故障等進行了理論分析與仿真驗證；對各類故障下電力電子變壓器的過電壓、過電流水平進行了分類統(tǒng)計，指出了對配電網(wǎng)電力電子變壓器影響較大的故障類型。

電力電子變壓器； 故障特性； 仿真分析； 過電壓； 過電流

1 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)，既可替代傳統(tǒng)變壓器提高電網(wǎng)的智能化水平，也可作為能源互聯(lián)網(wǎng)中的能量路由器實現(xiàn)電能在多源、多負(fù)荷之間的傳輸及變換。電力電子變壓器的概念自提出以來，得到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，目前的研究主要集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計[1,2]、控制策略[2-4]、新型功率器件應(yīng)用[5]、使用場合[6-8]以及電能優(yōu)化[9,10]等方面，而對其故障特性分析及保護技術(shù)方面的研究較少。配電網(wǎng)電力電子變壓器作為中低壓電網(wǎng)之間的接口，其故障對電網(wǎng)及用戶都有嚴(yán)重的影響，因此研究電力電子變壓器的故障特性及保護技術(shù)具有重要意義。

文獻[11]對電力電子變壓器中的功率開關(guān)元件在短路與開路故障下的故障特性進行了分析，但對其他故障類型如中壓和低壓直流母線故障沒有進行研究。文獻[12]對級聯(lián)H橋(Cascaded H Bridge，CHB)型電力電子變壓器中壓短路與過電壓特性進行了詳細(xì)分析，但對于研究相對較多的模塊化多電平(Modular Multilevel Converter，MMC)結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器沒有涉及?，F(xiàn)有文獻研究了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)中不同故障類型及故障特性，如子模塊故障特性及所引起的橋臂不對稱運行特性分析[13,14]、直流側(cè)故障特性分析[15,16]等。但MMC-HVDC不同于電力電子變壓器，各種故障下的故障特性會有相應(yīng)的變化，因此有必要對電力電子變壓器的故障特性進行詳細(xì)的分析。

本文基于PSCAD仿真平臺，搭建了MMC型的配電網(wǎng)電力電子變壓器仿真模型，對其在不同故障類型下的故障特性進行了理論與仿真分析，主要包括中壓交流側(cè)故障、中壓直流側(cè)故障、低壓直流側(cè)故障以及電力電子變壓器內(nèi)部不同位置下的功率開關(guān)短路與開路故障等，并對不同故障類型下電力電子變壓器的過電壓、過電流水平進行了分類統(tǒng)計，指出了對電力電子變壓器影響較大的故障類型，本文的故障分析結(jié)果可為相應(yīng)的保護配置及避雷器選型與絕緣配合提供依據(jù)。

2 電力電子變壓器基本原理

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電力電子變壓器目前主要有基于CHB結(jié)構(gòu)和基于MMC結(jié)構(gòu)的兩種拓?fù)洌渲谢贛MC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器可以顯著減少高頻變壓器以及功率開關(guān)的數(shù)量，體積和重量優(yōu)勢更加明顯[17]，具有更好的應(yīng)用前景。因此，本文選取MMC型的電力電子變壓器為研究對象，分析在不同故障類型下的故障特性。

本文所選取的基于MMC型的配電網(wǎng)電力電子變壓器拓?fù)淙鐖D1所示。電力電子變壓器分為輸入級、隔離級和輸出級，輸入級采用MMC結(jié)構(gòu)，子模塊選取半橋子模塊，隔離級采用雙有源橋(Dual Active Bridge，DAB)結(jié)構(gòu)，主要包括原副邊H橋和高頻變壓器，輸出級采用三相四線制逆變器，中性線經(jīng)低壓直流電容中點接地。

圖1 基于MMC的電力電子變壓器拓?fù)銯ig.1 Topology of power electronic transformer based on MMC

2.2 仿真建模

本文基于PSCAD仿真平臺搭建了圖1所示的電力電子變壓器仿真模型。輸入級MMC選用半橋子模塊，采用基于dq變換的定中壓直流電壓雙環(huán)解耦控制策略，調(diào)制策略選取的是最近電平逼近的方法，并采用工程中應(yīng)用較多的排序法實現(xiàn)子模塊電容均壓。隔離級雙有源橋由串聯(lián)諧振的雙H橋構(gòu)成，多個雙有源橋采用的是輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)的連接方式，中壓側(cè)的每個變換器可以通過低壓側(cè)并聯(lián)的變換器進行能量交換，因此可以實現(xiàn)中壓直流側(cè)電容CM和低壓直流側(cè)電容CL上電壓的自動均衡[17]；原副邊H橋采用開環(huán)控制方式，且對應(yīng)的功率開關(guān)觸發(fā)脈沖同相位。輸出級三相逆變器采用雙閉環(huán)解耦控制策略和SPWM調(diào)制策略，在此不再詳述。本文所建立的電力電子變壓器仿真模型參數(shù)見表1，其中部分內(nèi)容參考文獻[17]中的模型給出。低壓側(cè)逆變器采用三相對稱負(fù)載。

表1 電力電子變壓器仿真模型參數(shù)Tab.1 Simulation model parameters of power electronic transformer

3 故障特性分析

電力電子變壓器由多級換流器構(gòu)成，故障類型較多，本文主要分析交流輸入側(cè)故障、中壓直流側(cè)故障、低壓直流側(cè)故障以及內(nèi)部不同位置的功率開關(guān)故障下電力電子變壓器的故障特性。

3.1 交流輸入側(cè)故障

交流輸入側(cè)故障主要有三相對稱故障和三相不對稱故障。三相對稱故障包括三相短路故障F11，三相短路接地故障F12；三相不對稱故障包括單相接地故障F13，兩相短路故障F14，兩相接地短路故障F15。交流輸入側(cè)采用中壓交流配電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛的接地變壓器接地[18]，接地及故障示意如圖2所示，有關(guān)接地變壓器的相關(guān)內(nèi)容可參考文獻[19]。

圖2 交流輸入側(cè)接地及故障示意圖Fig.2 Schematic diagram of AC input grounding and faults

按照表1中參數(shù)搭建仿真模型，電力電子變壓器所帶負(fù)載額定功率2.5MW，交流線路長度6km，等值電阻0.263Ω/km，等值電感1.108mH/km，仿真中設(shè)定距離電力電子變壓器3km處發(fā)生金屬性短路及接地故障，短路接觸電阻及接地電阻均為0.01Ω，MMC采用定直流電壓控制。選取交流側(cè)輸入線電壓G1、交流側(cè)輸入交流線電流峰值G2，中壓直流母線電壓G3、中壓直流母線電流G4，低壓直流母線電壓G5、低壓直流母線電流G6以及MMC子模塊電容電壓G7為觀測量，其額定功率狀態(tài)下的基準(zhǔn)值見表2。對上述5種交流側(cè)故障進行仿真，其過電壓、過電流水平(標(biāo)幺值)見表3，表中“—”表示未出現(xiàn)過電壓或過電流現(xiàn)象。

表2 額定功率時電壓電流基準(zhǔn)值Tab.2 Reference value of voltage and current at rated power

表3 交流輸入側(cè)故障下的過電壓和過電流水平Tab.3 Overvoltage and overcurrent levels under AC input fault

由表3可以看出，相間短路故障和相間短路接地故障相對于單相接地故障類型會造成嚴(yán)重的交流側(cè)輸入電流過流，輸入過電流保護應(yīng)動作，斷開交流側(cè)斷路器，MMC換流器閉鎖，以免橋臂出現(xiàn)過電流損壞功率開關(guān)。由于單相接地故障為電力系統(tǒng)中發(fā)生概率最高的故障類型，本文以單相接地故障為例進行深入分析。MMC的等效電路如圖3所示，圖3中ua、ub、uc表示交流側(cè)輸入相電壓瞬時值，uap、ubp、ucp表示MMC三相上橋臂電壓，uan、ubn、ucn表示MMC三相下橋臂電壓，iap、ibp、icp表示MMC三相上橋臂電流，ian、ibn、icn表示MMC三相下橋臂電流，Udc表示MMC直流側(cè)電壓。

圖3 MMC等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of MMC

以A相為例，MMC的數(shù)學(xué)模型可表示為：

(1)

式中，U表示交流側(cè)相電壓有效值。正常運行情況下中壓直流母線正負(fù)極對假想中性點的電壓為：

(2)

在發(fā)生A相接地時A相電壓ua對地電壓變?yōu)?，因此，故障發(fā)生后的正負(fù)極對假想中性點的電壓變?yōu)椋?/p>

(3)

由式(3)可知，直流正負(fù)極母線電壓出現(xiàn)正弦波動，而由于正負(fù)極電壓波動同步，因而直流母線正負(fù)極間電壓不變。

交流側(cè)發(fā)生單相接地故障時的仿真結(jié)果如圖4所示，仿真中設(shè)定0.3s觸發(fā)故障，故障特性分析如下：

圖4 單相接地故障下電壓、電流波形圖Fig.4 Waveforms for single-phase to ground fault

(2)交流側(cè)單相接地故障后，由于交流側(cè)接地變壓器的存在使得直流系統(tǒng)的電位參考點發(fā)生變化，中壓直流母線的正負(fù)極直流電壓出現(xiàn)同步正弦波動現(xiàn)象，直流母線電壓最高可達到正常情況下的1.81倍，因而會對直流線路的絕緣水平提出考驗，而中壓直流母線正負(fù)極之間的直流電壓保持不變，因此不會對電力電子變壓器的隔離級和輸出級造成影響。

(3)故障點與接地變壓器形成零序電流回路，流過接地變壓器的零序電流增大并出現(xiàn)零序電壓。

由以上分析可知，交流輸入側(cè)發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)可正常運行，此時應(yīng)考慮中壓直流母線的過電壓水平與絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)；此外，對于接地變壓器而言，流過中性點的電流的持續(xù)時間通常被限值在數(shù)秒，當(dāng)中性點經(jīng)消弧線圈接地時持續(xù)時間通常為2h[19]，因而需要根據(jù)接地變壓器中性點的電流持續(xù)時間采取相應(yīng)的保護措施。

3.2 中壓直流側(cè)故障

中壓直流母線的故障類型主要包括單極接地故障F21、雙極短路故障F22和單極斷線故障F23，其中單極接地故障和單極斷線故障正負(fù)極直流母線分析過程類似，本文以正極直流母線為例進行分析，短路接觸電阻及接地電阻均為0.01Ω。上述三種直流側(cè)故障下的系統(tǒng)觀測量過電壓和過電流水平見表4，基準(zhǔn)值已在表2中給出。

表4 中壓直流側(cè)故障下的過電壓和過電流水平Tab.4 Overvoltage and overcurrent levels under medium voltage DC fault

單極接地故障時，由于交流側(cè)接地變壓器的作用會在接地變壓器和故障點之間形成零序電流通路，因而造成輸入電流和中壓直流母線過電流，此時MMC橋臂過電流保護應(yīng)動作，閉鎖MMC換流器，若為永久性故障，需斷開交流側(cè)斷路器進行檢修；由于MMC采用定直流電壓控制，因而在發(fā)生中壓直流側(cè)斷線故障后直流電壓基本保持恒定，未出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，直流側(cè)斷線一般為永久性故障，此時的功率傳輸已經(jīng)終止，需要斷開交流側(cè)斷路器進行停機檢修；直流側(cè)雙極短路故障為最嚴(yán)重的故障類型，以此為例進行分析。直流側(cè)雙極短路后的子模塊放電通路如圖5所示，單相等效模型如圖6所示，圖中UL表示橋臂電感電壓，UC表示子模塊電容等效電壓，UR表示放電回路等效電阻上的電壓。

圖5 MMC子模塊放電回路Fig.5 Sub module discharge circuit of MMC

圖6 單相等效電路Fig.6 Single phase equivalent circuit

根據(jù)文獻[15]中分析可知，該放電回路的電容電壓及放電電流可表示為：

(4)

式中

式中，L0表示MMC橋臂電感；IL表示故障前瞬間橋臂電感電流；N表示MMC橋臂半橋子模塊數(shù)。

由式(4)可知，故障后的放電電流為振蕩衰減的過程，在MMC不閉鎖的情況下，由于交流側(cè)可向直流側(cè)饋入電流，因而短路電流經(jīng)過衰減后最終會穩(wěn)定在一定值。

中壓直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障下的仿真結(jié)果如圖7所示，仿真中設(shè)定0.3s觸發(fā)故障。故障后MMC子模塊電容通過直流側(cè)短路路徑迅速放電，子模塊電壓與直流母線電壓迅速降為0，中壓直流母線與交流側(cè)輸入電流出現(xiàn)嚴(yán)重過電流，橋臂中的功率開關(guān)承受巨大的電應(yīng)力，電力電子變壓器輸入級與隔離級之間的功率傳輸終止，交流側(cè)輸入電壓被拉低，交流電壓電流故障特征近似于發(fā)生三相短路故障。中壓直流側(cè)雙極短路故障使得MMC上下橋臂均會出現(xiàn)嚴(yán)重的過電流并引起輸入過電流，需要開啟子模塊過流保護并斷開交流側(cè)斷路器，以免危及交流系統(tǒng)。

圖7 中壓直流側(cè)雙極短路故障下電壓、電流波形Fig.7 Waveforms for medium voltage DC pole to pole fault

3.3 低壓直流側(cè)故障

低壓直流側(cè)故障類型與中壓直流側(cè)類似，主要包括單極接地故障F31、雙極短路故障F32和單極斷線故障F33。對低壓直流側(cè)的三種故障類型進行仿真分析，短路接觸電阻及接地電阻均為0.01Ω，其系統(tǒng)觀測量過電壓和過電流水平見表5，基準(zhǔn)值同表2。

表5 低壓直流側(cè)故障下的過電壓和過電流水平Tab.5 Overvoltage and overcurrent levels under low voltage DC fault

低壓直流側(cè)雙極短路故障會造成低壓直流母線的支撐電容短路，電容放電，電壓迅速下降并產(chǎn)生嚴(yán)重的過電流，進而引起中壓直流母線及交流輸入側(cè)均出現(xiàn)嚴(yán)重的過電流，此時低壓過流保護應(yīng)在電流高于允許值之前動作，否則會引起中壓直流側(cè)以及交流輸入側(cè)過電流；低壓直流母線斷線故障會立即終止功率傳輸，引起短暫的直流電壓波動，不會產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓和過電流現(xiàn)象，但與輸出級的功率傳輸終止，需斷開低壓直流側(cè)斷路器進行檢修，若低壓直流側(cè)有直流負(fù)荷，電力電子變壓器仍可正常運行；低壓直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時，由于低壓直流側(cè)電容采用的是電容中點接地的方式，因此故障接地點會與電容中點形成短路回路，接地極一側(cè)電容短路迅速放電并伴隨較為嚴(yán)重的過電流，接地極電壓降至0，非故障極電壓升至故障前的2倍，此時低壓直流側(cè)電壓緊靠非故障極一側(cè)的電容支撐，因而此電容的電壓也會升高至故障前的2倍，需配置低壓直流電容的過電壓保護，以免其長期承受過電壓應(yīng)力而損壞，進而引發(fā)雙極短路故障；低壓直流側(cè)的放電電流同樣也會引起中壓直流側(cè)以及交流輸入側(cè)過電流。低壓直流側(cè)發(fā)生單極接地故障下的仿真結(jié)果如圖8所示，仿真中設(shè)定0.3s觸發(fā)故障。

圖8 低壓直流側(cè)單極接地故障下電壓、電流波形Fig.8 Waveforms for low voltage DC pole to ground fault

3.4 功率開關(guān)故障

電力電子變壓器中存在眾多功率開關(guān)(IGBT和續(xù)流二極管)，其故障會對電力電子變壓器的可靠性有嚴(yán)重的影響，因此，分析其功率開關(guān)故障后的特性，對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，故障位置包括輸入級MMC子模塊、隔離級原邊及副邊H橋、輸出級逆變器，本文按照圖1中所規(guī)定的元件編號選取以下故障類型：T11短路或D11短路F41，T11開路F42，T12開路F43，D11開路F44，D12開路F45，T21短路或D21短路F46，T21開路F47，T21和D21開路F48；T31短路或D31短路F49，T31和D31開路F410，D31開路F411；T41短路或D41短路F412，T41開路F413，D41開路F414。對上述功率開關(guān)元件的故障類型進行仿真分析，得出系統(tǒng)過電壓和過電流水平見表6，基準(zhǔn)值同表2。

表6 功率開關(guān)故障下的過電壓和過電流水平Tab.6 Overvoltage and overcurrent levels under power switch fault

由表6可知，T21短路或D21短路、T31短路或D31短路以及T41短路或D41短路的情況下會造成輸入電流、中壓直流電流以及低壓直流均出現(xiàn)較為嚴(yán)重的過電流現(xiàn)象，其本質(zhì)在于此類故障下均會導(dǎo)致?lián)Q流器出現(xiàn)橋臂直通，所連接的電容或直流母線形成短路回路而迅速放電所致；T11短路或D11短路則會形成MMC子模塊電容的放電回路，子模塊電壓迅速下降，從而引起中壓直流母線電壓出現(xiàn)過電壓波動。幾種功率開關(guān)短路故障下的放電回路如圖9所示，其中T31短路或D31短路以及T41短路或D41短路下的情況與T21短路或D21短路類似，在此只給出T21短路的情況。

圖9 功率開關(guān)短路時的放電回路Fig.9 Discharge circuit for power switch short circuit

圖9所示的電容放電回路中，由于IGBT中存在的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得其導(dǎo)通時具有極低的通態(tài)電阻，而對于配電網(wǎng)電力電子變壓器而言，子模塊電容及隔離級電容電壓等級通常在數(shù)百伏到幾千伏，因而此放電電流可高達幾十到幾百千安，使得非故障的開關(guān)可能因此而損害。功率開關(guān)短路故障發(fā)展迅速，通過軟件保護的方法很難實現(xiàn)及時的過流保護，一般需要采用硬件保護的方法實現(xiàn)，如IGBT的短路保護、過溫保護。

相比于短路故障，開路故障發(fā)生后可能不會立即造成系統(tǒng)停運，并在非正常狀態(tài)下穩(wěn)定運行一段時間，但開路故障可能會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。

4 結(jié)論

針對MMC型配電網(wǎng)電力電子變壓器可能出現(xiàn)的故障類型，包括交流輸入側(cè)故障、中壓直流側(cè)故障、低壓直流側(cè)故障以及功率開關(guān)元件故障等，本文進行了理論與仿真分析，指出了在上述故障下電力電子變壓器的故障特性。

(1)交流輸入側(cè)相間短路及相間短路接地故障會形成較為嚴(yán)重的過電流現(xiàn)象，單相接地故障會在故障接地點與交流側(cè)接地變壓器之間形成零序電流回路，由于輸入線電壓不變，因而電力電子變壓器仍可持續(xù)運行一段時間，但需要考慮中壓直流母線的絕緣水平，并根據(jù)接地變壓器中性點短路電流持續(xù)時間采取相應(yīng)的保護措施。

(2)中壓直流側(cè)單極接地故障同樣會在故障接地點與接地變壓器之間形成零序回路，因而造成輸入電流和中壓直流母線過電流，雙極短路故障是中壓直流側(cè)最為嚴(yán)重的故障類型，MMC子模塊電容通過直流側(cè)短路路徑迅速放電，中壓直流母線與交流側(cè)輸入電流出現(xiàn)嚴(yán)重過電流。

(3)低壓直流側(cè)單極接地與雙極短路都會形成低壓側(cè)支撐電容的放電回路，產(chǎn)生嚴(yán)重的過電流現(xiàn)象，此外，單極接地還會使得非故障極一側(cè)電容電壓升高至故障前的2倍。

(4)T21短路或D21短路、T31短路或D31短路以及T41短路或D41短路會造成橋臂直通，造成輸入電流、中壓直流電流以及低壓直流均出現(xiàn)較為嚴(yán)重的過電流現(xiàn)象，功率開關(guān)的開路故障則會使得其他正常的開關(guān)承受額外的過電壓、過電流應(yīng)力。

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Fault characteristic analysis of power electronic transformer based on MMC in distribution network

ZHOU Ting-dong， XU Yong-hai

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University， Beijing 102206， China)

The topology structures of the input stage，isolation stage and output stage of power electronic transformer in distribution network were introduced．Using the type of half bridge modular multilevel converter sub-module，the dual active bridge and three-phase inverter as the research object，the simulation model of 10kV distribution network power electronic transformer was built based on PSCAD simulation platform．The theoretical analysis and simulation verification of the possible fault types in power electronic transformer were carried out，including AC input fault，medium voltage DC side fault，low voltage DC fault and power switch component fault，etc．The overvoltage and overcurrent level of power electronic transformer under various faults were classified and tallied．The fault types which have greater impact on power electronic transformer in distribution network were pointed out.

power electronic transformer； fault characteristic； simulation analysis； overvoltage； overcurrent

2016-12-20

北京市自然科學(xué)基金項目(3172036)

周廷冬(1989-)， 男， 山東籍， 碩士研究生， 研究方向為電力電子變壓器保護與控制; 徐永海(1966-)， 男， 河南籍， 教授， 博士生導(dǎo)師， 研究方向為電力電子技術(shù)、 電能質(zhì)量分析與控制。

TM4

A

1003-3076(2017)05-0034-08