柔性直流輸電功率模塊過(guò)壓保護(hù)誤動(dòng)原因分析及優(yōu)化

鐘昆禹，楊潔民，熊銀武，林毅

(中國(guó)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(duì)于常規(guī)直流輸電，柔性直流輸電具有占地面積小、可獨(dú)立控制有功功率與無(wú)功功率等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來(lái)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(yùn)，額定輸送功率為3 000 MW，由2個(gè)常規(guī)直流單元和1個(gè)柔性直流單元(以下簡(jiǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由多個(gè)功率模塊串聯(lián)而成，可實(shí)現(xiàn)直流功率正向和反向輸送、柔直單元靜止同步補(bǔ)償裝置(static synchronous compensation，STATCOM)、黑啟動(dòng)等運(yùn)行方式[10-12]。

魯西柔直單元的云南側(cè)和廣西側(cè)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(cè)采用壓接式電子注入增強(qiáng)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(cè)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(hù)的功能、配置及動(dòng)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(jí)保護(hù)動(dòng)作后果不出口閉鎖換流器，只是上傳功率模塊旁路請(qǐng)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(shè)置旁路機(jī)械開關(guān)，當(dāng)一功率模塊發(fā)生故障時(shí)將其旁路，而其余模塊繼續(xù)工作。當(dāng)旁路機(jī)械開關(guān)發(fā)生拒動(dòng)、未能有效旁路時(shí)，儲(chǔ)能電容器將持續(xù)儲(chǔ)能過(guò)壓，造成IGBT等元件擊穿甚至爆炸。為防范功率模塊過(guò)壓風(fēng)險(xiǎn)，需在閥控層級(jí)設(shè)置單個(gè)功率模塊過(guò)壓保護(hù)，檢測(cè)到電容電壓最大值超過(guò)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(yùn)行后，功率模塊過(guò)壓保護(hù)在2016年8月、2017年2月分別發(fā)生誤動(dòng)導(dǎo)致直流閉鎖，兩起運(yùn)行過(guò)程中過(guò)壓保護(hù)誤動(dòng)的現(xiàn)象類似，均為閥控系統(tǒng)判斷單個(gè)功率模塊過(guò)壓出口跳閘命令。本文介紹魯西柔直單元廣西側(cè)功率模塊過(guò)壓保護(hù)原理及配置，對(duì)誤動(dòng)事件原因進(jìn)行深入分析，并提出相應(yīng)改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(cè)功率模塊基本配置

魯西柔直單元廣西側(cè)換流閥共有6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由468個(gè)功率模塊組成，冗余度為6.9%。每個(gè)子模塊由2個(gè)焊接式IGBT串聯(lián)組成1個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，廣西側(cè)功率模塊半橋拓?fù)淙鐖D1所示：S1、S2為IGBT，D1、D2為反并聯(lián)二極管，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)直流儲(chǔ)能電容C；輔助元件包括旁路開關(guān)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(gè)功率模塊單元通過(guò)1對(duì)光纖接到閥控單元裝置(valve control monitor，VCM)上，實(shí)現(xiàn)功率模塊觸發(fā)、電容電壓檢測(cè)和功率模塊檢測(cè)。高位取能電源將直流電容上的電壓轉(zhuǎn)換成低壓，為控制板卡、驅(qū)動(dòng)板、采樣觸發(fā)板供電。

1.2 魯西柔直單元廣西側(cè)換流閥系統(tǒng)總體保護(hù)配置

為適應(yīng)柔性直流的各種運(yùn)行方式，魯西柔直單元廣西側(cè)閥及閥控的保護(hù)功能配置方式為分級(jí)配置，按照保護(hù)范圍劃分，分別為功率模塊級(jí)保護(hù)和閥控級(jí)保護(hù)[13-15]。

功率模塊級(jí)保護(hù)屬于單體保護(hù)，在功率模塊控制板(power module controller，PMC)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能電容電壓、單元驅(qū)動(dòng)板、接觸器輔助觸點(diǎn)、取能電源、電容壓力監(jiān)視繼電器等元件的檢測(cè)，檢測(cè)功率模塊故障類型，及時(shí)響應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率模塊單體的保護(hù)。

閥控級(jí)保護(hù)屬于換流閥整體保護(hù)，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(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)橋臂電流、直流正負(fù)極電壓和電流、功率模塊電容電壓等電氣量的測(cè)量和邏輯判斷，當(dāng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致?lián)Q流閥橋臂電流過(guò)大或功率模塊電壓過(guò)高時(shí)，可通過(guò)相關(guān)保護(hù)閉鎖跳閘，以保護(hù)換流閥的安全。為了確保閥及閥控的安全穩(wěn)定運(yùn)行，考慮子模塊的冗余情況和閥控系統(tǒng)自身狀況設(shè)置相應(yīng)保護(hù)，可細(xì)分為電氣量保護(hù)與非電氣量保護(hù)兩大類[16-17]。

1.3 PMC工作原理

PMC主要負(fù)責(zé)接收閥控指令、控制功率模塊IGBT開通關(guān)斷、檢測(cè)故障、實(shí)時(shí)反饋直流電壓、監(jiān)測(cè)故障及系統(tǒng)的工作狀態(tài)等。當(dāng)單元出現(xiàn)故障，觸發(fā)保護(hù)邏輯，確保本單元在單元故障情況下，旁路功率模塊。正常運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能電容的電壓測(cè)量在PMC中實(shí)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(zhuǎn)換模塊，滿足該板卡內(nèi)部全部電壓需求。PMC板卡結(jié)構(gòu)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(dòng)板及其他元件的回報(bào)信號(hào)產(chǎn)生IGBT保護(hù)邏輯及驅(qū)動(dòng)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(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)運(yùn)放電路

圖2 PMC板卡結(jié)構(gòu)Fig.2 PMC board structure

后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(guān)觸發(fā)電路為旁路開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，閉合旁路開關(guān)。

2 魯西柔直單元功率模塊過(guò)壓保護(hù)配置及動(dòng)作邏輯

2.1 魯西柔直單元廣西側(cè)功率模塊過(guò)壓保護(hù)配置

魯西柔直單元廣西側(cè)功率模塊過(guò)壓保護(hù)在功率模塊級(jí)和閥控級(jí)分別進(jìn)行了配置，在功率模塊級(jí)設(shè)置了兩段過(guò)壓保護(hù)，在閥控級(jí)配置了閥控級(jí)過(guò)壓保護(hù)，具體見(jiàn)表1，其中，Uset1、Uset2、Uset3分別為模塊級(jí)過(guò)壓保護(hù)I段、II段及閥控級(jí)橋臂功率模塊過(guò)壓保護(hù)中的模塊電容電壓閾值。

閥控級(jí)橋臂功率模塊過(guò)壓保護(hù)邏輯如圖3所示。

圖3 橋臂功率模塊過(guò)壓保護(hù)邏輯Fig.3 Over-voltage protection logic of bridge arm power modules

2.2 功率模塊過(guò)壓保護(hù)運(yùn)作過(guò)程

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

表1 功率模塊過(guò)壓保護(hù)配置Tab.1 Configuration ofover-voltage protection of power modules

2.2.1 旁路開關(guān)拒動(dòng)，電容電壓升高

若旁路開關(guān)拒動(dòng)，由于模塊發(fā)出旁路請(qǐng)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(guān)拒動(dòng)后模塊內(nèi)電流回路如圖4所示：若橋臂電流方向?yàn)閳D中黑色實(shí)線箭頭方向，則電流將通過(guò)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?yàn)閳D中灰色虛線箭頭方向，則電流將通過(guò)二極管D2流通。因此，旁路開關(guān)拒動(dòng)后，模塊內(nèi)電容將進(jìn)入持續(xù)充電狀態(tài)，電容電壓不斷上升。當(dāng)電容電壓達(dá)到2.15 kV時(shí)，將開通下管IGBT(T2)進(jìn)入下一個(gè)階段。

圖4 旁路開關(guān)拒動(dòng)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(dāng)IGBT閉鎖且電壓第1次超過(guò)2.15 kV時(shí)，開通下管IGBT(T2)；當(dāng)電壓下降到1 kV以下時(shí)，關(guān)斷下管IGBT；因過(guò)壓開通下管IGBT將計(jì)數(shù)1次，置位過(guò)壓觸發(fā)下管標(biāo)志位，如果模塊不斷電重啟進(jìn)行復(fù)位，電壓再次上升至大于2.15 kV時(shí)不再開通下管IGBT，設(shè)置該功能的目的在于防止在旁路未閉合的時(shí)間內(nèi)電容電壓過(guò)高。

開通下管IGBT后，橋臂電流通過(guò)導(dǎo)通的T2與D2流通，而電容通過(guò)放電電阻形成一階零輸入響應(yīng)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(gè)54 kΩ電阻并聯(lián))，電容值C=12 mF，由式(1)計(jì)算可得到電容電壓從2.15 kV下降至1 kV所需時(shí)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(shí)際下降時(shí)間與理論計(jì)算時(shí)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(shí)刻電壓值；U1為放電結(jié)束時(shí)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(shí)間。

2.2.3 關(guān)斷下管IGBT，電容電壓再次升高至過(guò)壓保護(hù)定值出口跳閘

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

圖5為旁路開關(guān)拒動(dòng)典型錄波圖。直流電流Idc=1 000 A，假設(shè)從圖5中實(shí)線游標(biāo)開始計(jì)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值I0計(jì)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(jì)算得到。錄波中實(shí)線游標(biāo)時(shí)刻電容電壓u0=1.696 kV，至跳閘時(shí)刻時(shí)間約為10 ms，則由式(2)可得到在跳閘時(shí)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(chǎng)故障分析

兩起運(yùn)行過(guò)程中功率模塊過(guò)壓保護(hù)誤動(dòng)故障的現(xiàn)象類似，均為閥控系統(tǒng)判斷單個(gè)功率模塊過(guò)壓觸發(fā)了出口跳閘命令。現(xiàn)場(chǎng)檢查及分析錄波情況如下。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)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(bào)輕微故障，在數(shù)十毫秒后立即向閥控系統(tǒng)發(fā)模塊過(guò)壓請(qǐng)求故障跳閘信號(hào)。跳閘后，現(xiàn)場(chǎng)檢查故障功率模塊旁路開關(guān)處于合位狀態(tài)，功率模塊已被正常旁路，故障模塊儲(chǔ)能電容的電壓測(cè)量值達(dá)到2.703 kV。儲(chǔ)能電容電壓測(cè)量流程如圖6所示，使用萬(wàn)用表測(cè)試采樣電阻、兩級(jí)運(yùn)放以及A/D采樣芯片，經(jīng)測(cè)量，進(jìn)入A/D芯片之前的電壓均正常，進(jìn)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(guò)壓保護(hù)誤動(dòng)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(duì)應(yīng)的電容電壓變化率(du/dt)達(dá)到2.194 kV/ms，遠(yuǎn)高于正常充電時(shí)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(jì)算，在0.5 ms時(shí)刻功率模塊電容能夠充到的最大電壓為1.672 kV，遠(yuǎn)低于電壓測(cè)量值(2.703 kV)。

圖5 旁路開關(guān)拒動(dòng)典型錄波圖Fig.5 Typicalwave recording diagram of operating failure of bypass switch

圖6 儲(chǔ)能電容電壓測(cè)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(dǎo)致了采樣錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)重新焊接之后采樣功能恢復(fù)正常。

根據(jù)上述分析，判斷導(dǎo)致閥控級(jí)橋臂功率模塊過(guò)壓保護(hù)的直接原因是功率模塊控制板卡的A/D芯片輸出電壓測(cè)量值異常，達(dá)到閥控級(jí)功率模塊過(guò)壓保護(hù)定值后，閥控出口閉鎖換流閥。

3.4 功率模塊過(guò)壓保護(hù)運(yùn)作過(guò)程原因分析

功率模塊過(guò)壓I段、II段及閥控級(jí)橋臂功率模塊過(guò)壓保護(hù)三者為配合關(guān)系：當(dāng)單個(gè)功率模塊內(nèi)部故障導(dǎo)致電容電壓上升時(shí)，功率模塊應(yīng)首先閉鎖本功率模塊并合上旁路開關(guān)；當(dāng)電壓快速上升達(dá)到II段保護(hù)定值且旁路開關(guān)暫未合到位時(shí)，將觸發(fā)本功率模塊下管IGBT，儲(chǔ)能電容電壓降至1 kV時(shí)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(guān)拒動(dòng)，儲(chǔ)能電容電壓將繼續(xù)上升，達(dá)到2.2 kV時(shí)應(yīng)向閥控系統(tǒng)請(qǐng)求閉鎖換流閥，閉鎖直流單元。本次故障在功率模塊報(bào)故障后0.5 ms即上升至2.703 kV，已達(dá)到功率模塊過(guò)壓II段保護(hù)定值，功率模塊下管已觸發(fā)，并下發(fā)合旁路開關(guān)命令，但電壓值仍保持2.703 kV，達(dá)到時(shí)間定值后出口跳閘。

圖7 過(guò)壓保護(hù)誤動(dòng)錄波圖Fig.7 Wave recording diagram of over-voltage protection malfunction

閥控級(jí)功率模塊過(guò)壓保護(hù)的判據(jù)為任意一個(gè)功率模塊的電容電壓大于2.2 kV，且功率模塊旁路開關(guān)為分位，延時(shí)2 ms后即出口跳閘。由于電容電壓測(cè)量值僅采用單路測(cè)量回路，當(dāng)電壓測(cè)量值發(fā)生突變時(shí)，雖然過(guò)壓模塊I段保護(hù)會(huì)下令合旁路開關(guān)，但從下發(fā)合閘命令到檢測(cè)合閘到位一般需要15 ms的時(shí)間，遠(yuǎn)大于閥控級(jí)功率模塊過(guò)壓保護(hù)的2 ms延時(shí)。一旦電容電壓測(cè)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?yàn)殚y控級(jí)功率模塊過(guò)壓保護(hù)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(dǎo)致滿足出口條件，造成換流閥跳閘故障。

4 改進(jìn)措施及仿真分析

4.1 改進(jìn)思路

4.1.1 功率器件應(yīng)優(yōu)先考慮故障后自然短路(而非開路)的類型

對(duì)魯西柔直單元云南側(cè)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(dòng)也可以長(zhǎng)期運(yùn)行；因此，建議新建柔性直流工程換流閥功率模塊選型時(shí)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(shè)置直接導(dǎo)致直流閉鎖的保護(hù)功能，減少功率模塊故障對(duì)系統(tǒng)的影響。

4.1.2 功率模塊不應(yīng)設(shè)置單一元件故障即導(dǎo)致直流閉鎖的保護(hù)功能

設(shè)備元器件故障存在偶發(fā)性、突然性的特點(diǎn)，柔直換流器采用多達(dá)數(shù)千個(gè)功率模塊，單一功率模塊單一元件異常不可避免；因此，不應(yīng)設(shè)置單一功率模塊單一元件故障即導(dǎo)致直流閉鎖的保護(hù)功能。如果必須設(shè)置，則功率單元內(nèi)相應(yīng)測(cè)量、保護(hù)元件應(yīng)按照“三取二”原則設(shè)置，防止單一元件異常導(dǎo)致直流閉鎖。

4.1.3 魯西柔直單元廣西側(cè)模塊增加防誤判據(jù)，提高保護(hù)可靠性

對(duì)魯西柔直單元廣西側(cè)閥控級(jí)橋臂功率模塊過(guò)壓保護(hù)的改進(jìn)措施，應(yīng)以消除因功率模塊控制板采樣異常導(dǎo)致的模塊過(guò)壓跳閘問(wèn)題，又不會(huì)引起不可控風(fēng)險(xiǎn)為原則，通過(guò)修改PMC程序來(lái)避免采樣回路錯(cuò)誤引起的跳閘。

功率模塊過(guò)壓保護(hù)II段的動(dòng)作邏輯為：PMC在功率模塊故障后電壓上升至2.15 kV時(shí)觸發(fā)下管IGBT，形成電容放電回路，此時(shí)即使沒(méi)有旁路，功率模塊電壓也會(huì)停止上升。在模塊故障5 ms后旁路開關(guān)閉合，此后電壓更不會(huì)上升。因此在下管IGBT和旁路開關(guān)不同時(shí)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(shí)過(guò)壓。而且下管IGBT會(huì)一直觸發(fā)，直到模塊電壓低于過(guò)電壓觸發(fā)下限值。下管IGBT一直觸發(fā)的這段時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于等待判斷旁路拒動(dòng)故障的15 ms，因此在這期間也不應(yīng)有大電壓。

改進(jìn)思路為：檢測(cè)過(guò)壓，檢測(cè)旁路開關(guān)是否發(fā)生拒動(dòng)，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(qǐng)過(guò)壓跳閘。在閥控中設(shè)置的過(guò)壓(大于2.2 kV)延時(shí)2 ms跳閘保護(hù)，該設(shè)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(guān)拒動(dòng)故障檢測(cè)的等待時(shí)間設(shè)置為15 ms，是因?yàn)榕月烽_關(guān)的輔助觸點(diǎn)為常閉機(jī)械觸點(diǎn)，常閉觸點(diǎn)打開時(shí)，會(huì)有機(jī)械抖動(dòng)，盡管要求機(jī)械開關(guān)的抖動(dòng)時(shí)間應(yīng)小于13 ms，但為了防止誤判，對(duì)反饋觸點(diǎn)狀態(tài)判斷前的等待時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為15 ms。在15 ms之后判斷該輔助觸點(diǎn)是否打開，并且在3 ms之內(nèi)持續(xù)判斷該觸點(diǎn)的狀態(tài)，以確認(rèn)主觸點(diǎn)閉合。如果15 ms后旁路開關(guān)確實(shí)沒(méi)有閉合，引起電容器電壓升高，損壞IGBT，此時(shí)閥控仍會(huì)發(fā)出跳閘指令將故障隔離。

閥控級(jí)功率模塊過(guò)壓保護(hù)定值修改后的邏輯如圖8所示。

a)功率模塊檢測(cè)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(cè)模塊電壓是否大于2.18 kV，如果是，則在15 ms后開始檢測(cè)是否發(fā)生拒動(dòng)故障。拒動(dòng)故障的判斷方式為：檢測(cè)到旁路沒(méi)有閉合的信號(hào)并經(jīng)過(guò)3 ms濾波，則判為拒動(dòng)故障。如果沒(méi)有拒動(dòng)故障則將低于跳閘定值的電壓

圖8 優(yōu)化后的過(guò)壓保護(hù)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(cè)到拒動(dòng)故障則將實(shí)際采樣得到的電壓值送至閥控系統(tǒng)。

b)如果檢測(cè)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(shí)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(guò)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(shí)電壓值。

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

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化后邏輯的正確性，進(jìn)行如下測(cè)試。

4.3.1 電壓達(dá)到2.18 kV后，旁路開關(guān)正常合閘

旁路開關(guān)正常合閘試驗(yàn)波形如圖9所示。大約在電壓達(dá)到2.18 kV后11.08 ms，旁路開關(guān)輔助觸點(diǎn)動(dòng)作。從圖9可以看出，反饋觸點(diǎn)在規(guī)定的15 ms之內(nèi)返回，此時(shí)即使功率模塊電壓上升至過(guò)壓值，閥控也不會(huì)發(fā)出跳閘信號(hào)，閥控收到的功率模塊電壓為1.499 kV。該試驗(yàn)驗(yàn)證了當(dāng)旁路開關(guān)正常動(dòng)作時(shí)，即便A/D采樣回路存在故障也不會(huì)使閥控申請(qǐng)?zhí)l。

4.3.2 電壓達(dá)到2.18 kV后，旁路開關(guān)未正常合閘

旁路開關(guān)未正常合閘試驗(yàn)波形如圖10所示。

圖9 旁路開關(guān)正常合閘試驗(yàn)波形Fig.9 Test waveform of bypass switch in normal closing after optimization

圖10 旁路開關(guān)未正常合閘試驗(yàn)波形Fig.10 Test waveform of bypass switch in failed closing

從圖10可以看出，反饋觸點(diǎn)在規(guī)定的15 ms之內(nèi)未返回，再經(jīng)過(guò)3 ms濾波判斷出拒動(dòng)故障，此時(shí)功率模塊電壓上升至過(guò)壓值，閥控發(fā)出跳閘信號(hào)，閥控收到的功率模塊電壓是真實(shí)過(guò)壓值。系統(tǒng)已經(jīng)按照設(shè)置的邏輯執(zhí)行了相應(yīng)的動(dòng)作，動(dòng)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(shí)施后，未再發(fā)生功率模塊過(guò)壓保護(hù)誤動(dòng)事件，有效提升了柔直單元運(yùn)行可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)封裝式IGBT所構(gòu)成的MMC功率模塊過(guò)壓保護(hù)策略存在誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，提出了一種功率模塊過(guò)壓保護(hù)優(yōu)化策略。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，電壓采樣異常時(shí)，在旁路開關(guān)正常合閘或拒動(dòng)的情況下，該策略能有效地保護(hù)功率模塊及防止拒動(dòng)。通過(guò)在魯西柔性直流輸電工程中的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了該策略的可行性和有效性。