AC-DC-AC變換系統(tǒng)短路保護研究

李 陽，劉 健

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430000）

近年來，AC-DC-AC 變換系統(tǒng)以其能夠同時實現(xiàn)整流及逆變兩個功率變換過程，在電力系統(tǒng)電能變換方面的滲透水平不斷提高[1]，并廣泛應(yīng)用于可再生能源供電系統(tǒng)、柔性交流輸電系統(tǒng)、不間斷應(yīng)急電源、交直交變頻調(diào)速控制等領(lǐng)域[2-3]。然而，由于功率開關(guān)器件數(shù)量多、變換拓?fù)鋸?fù)雜、變換系統(tǒng)運行工況多變等因素的影響，使系統(tǒng)的保護研究和控制策略研究逐漸達到并重的趨勢，特別是針對系統(tǒng)短路這一高頻故障，如何突破傳統(tǒng)過流保護方法的制約、提高系統(tǒng)的抗擾性和故障檢測及切除時間至關(guān)重要[4-5]。

目前，對于AC-DC-AC 變換系統(tǒng)過流保護方法的研究主要集中在優(yōu)化控制策略、故障檢測算法、特定短路故障的暫態(tài)分析、過流保護算法改進等方面。文獻[6-7]對AC/DC 變換器應(yīng)用通用的或自補償?shù)倪^電流保護控制方案以提高其在啟動、動態(tài)響應(yīng)和過載保護過程中的性能和輸出電流精度，但是對突發(fā)性過流故障有效切除有一定的局限性。文獻[8]在傳統(tǒng)過流保護原理的基礎(chǔ)上采用瞬時過流保護IOP 和延遲過流保護DOP 兩段保護算法，以滿足保護系統(tǒng)的選擇性、快速性和可靠性，但是對故障判斷方式單一缺乏準(zhǔn)確性。文獻[9]提出了控保協(xié)同的保護策略，提升了對保護研究的理論高度，但是僅適用于單極接地的特性故障。本文基于現(xiàn)有對整流及逆變系統(tǒng)的過流保護研究，從AC-DC-AC 變換系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了存在于AC-DC 及DCAC 兩部分的功率開關(guān)器件、換流變壓器以及交直流線路的短路故障，提出了優(yōu)化的過流保護配置方案，實現(xiàn)了系統(tǒng)短路故障保護的有效性，為工程實際應(yīng)用提供了理論分析依據(jù)。

1 系統(tǒng)模型及短路機理

圖1為AC-DC-AC 變換系統(tǒng)拓?fù)鋱D，由電源、整流電路、直流濾波、逆變電路和交流輸出組成，完成對電網(wǎng)輸出的三相交流電先整流后逆變，然后驅(qū)動交流負(fù)載的功能。本拓?fù)渲饕譃? 個方面：整流部分采用三相變壓器和與之相連的2 個三相全橋不控整流電路組成多脈波整流，減少輸出諧波，并通過增加充電回路及di/dt 抑制電路實現(xiàn)濾波和均壓，完成直流濾波；逆變部分采用NPC 三電平逆變電路，其一相橋臂由4 個功率半導(dǎo)體開關(guān)（IGBT）和2 個鉗位二極管構(gòu)成，改善交流輸出波形質(zhì)量[10]。

圖1 AC-DC-AC 變換系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 AC-DC-AC transformation system topology diagram

根據(jù)變換系統(tǒng)的組成部分及各部分功能，本文將AC-DC-AC 變換系統(tǒng)的短路故障分為AC-DC 及DC-AC 兩部分進行分析。

1.1 AC-DC 短路故障特性分析

AC-DC 短路故障主要來自換流變壓器、二極管以及直流濾波部分。如圖1中k1、k2點所示，三繞組變壓器在一次側(cè)和二次側(cè)發(fā)生接地短路。由于一次側(cè)繞組采用星型聯(lián)結(jié)，接地短路會造成輸入電壓產(chǎn)生零序分量，并可能造成故障穿越的現(xiàn)象；當(dāng)變壓器閥側(cè)交流連接處k2發(fā)生接地故障時，由于繞組采用三角形接法，故隔離了零序分量向后傳遞[11]。

對于整流部分的二極管短路，分析得出相當(dāng)于變壓器二次側(cè)繞組在出線端口的相間短路。如下，對于三相橋式二極管整流橋來說，二極管導(dǎo)通順序為（6，1）→（1，2）→（2，3）→（3，4）→（4，5）→（5，6）如此循環(huán)。如圖2（a）所示為正常情況下開關(guān)（6，1）導(dǎo)通時電流的流通路徑。此時，若二極管5 發(fā)生短路故障（故障點k3所示），并假設(shè)故障發(fā)生時刻為（5，6）→（1，6）的開關(guān)過程中，將導(dǎo)致故障相橋臂直通，如圖2（b）所示，則相當(dāng)于變壓器繞組在出線端口A 和B 發(fā)生相間短路（如k4所示）。若故障點為k5，則相當(dāng)于變壓器二次側(cè)三角形連接繞組A、B 輸出端短路（如k6所示）。

圖2 二極管正常及短路情況電流通路Fig.2 Diode normal and short circuit case current path

如圖1中I 回路所示，直流母線部分作為前端整流和逆變輸出的中間部分，電路中分布著直流濾波電容、di/dt 抑制電路等，由多種原因可造成直流母線回路的短路故障。此時，直流母線電壓會迅速下降至零，并伴隨變壓器一次側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重過流。

1.2 DC-AC 短路故障特性分析

DC-AC 短路故障主要來自IGBT 及逆變輸出線路上。IGBT 功率單元短路，如圖1中k8點所示。首先結(jié)合IGBT 的輸出特性，當(dāng)其發(fā)生短路后，集射極電壓UCE 會迅速減小到幾乎等于直流母線電壓，IGBT 從正向阻斷區(qū)進入飽和區(qū)，集電極電流IC 激增，產(chǎn)生功率損耗，還可能伴隨結(jié)溫升高使其失效。其次，以A 相為例，根據(jù)開關(guān)的導(dǎo)通順序，假設(shè)在IGBT 開關(guān)S2a、S3a導(dǎo)通（輸出0 電平）向S3a、S4a導(dǎo)通期間，IGBT 開關(guān)S2a發(fā)生短路，則會發(fā)生鉗位二極管與橋臂之間形成回路燒毀器件，或是導(dǎo)致短路電流流過直流電容而燒毀電容，如圖3所示。

圖3 IGBT 正常及短路情況電流通路Fig.3 IGBT normal and short circuit case current path

對于逆變輸出部分，考慮三相短路和單相接地短路，如圖1中k9、k10所示。在發(fā)生三相短路后，首先逆變側(cè)交流電壓會跌落或不平衡，導(dǎo)致導(dǎo)通角α減小，換流閥提前觸發(fā)后導(dǎo)致直流母線上的電流上升；隨后會在整流側(cè)定電流控制的調(diào)節(jié)作用下下降，最后衰減到零[12]。直流側(cè)電流和三相電流都會隨故障后時刻發(fā)生變化，并且三相短路電流的大小跟隨直流電流的變化而變化。而對于單相接地短路，由于濾波電容中性點接地，逆變橋輸出側(cè)將明顯出現(xiàn)零序電壓和零序電流。

2 系統(tǒng)保護算法

本文在對AC-DC-AC 變換系統(tǒng)的AC-DC（整流）和DC-AC（逆變）兩部分存在的典型短路故障特性與機理進行分析后，歸納得出短路故障主要發(fā)生在系統(tǒng)的移相變壓器、功率開關(guān)器件、直流母線以及逆變橋輸出線路上，為實現(xiàn)對系統(tǒng)整體短路保護的有效性和快速性，本文提出應(yīng)對功率開關(guān)器件、大功率變壓器設(shè)備以及交直流輸電線路短路故障的多重復(fù)合過流保護算法，包含零序電壓/電流保護、改進復(fù)合電壓過流保護及基于直流母線方向低電壓保護，并給出相應(yīng)的保護判據(jù)、整定原則以及保護邏輯圖。

2.1 零序電壓/電流保護

針對移相變壓器一次側(cè)星型聯(lián)結(jié)繞組發(fā)生的單相接地故障，為防止故障產(chǎn)生的零序過電壓對系統(tǒng)造成威脅，采用零序電壓保護。其中零序電壓取自一次側(cè)繞組自產(chǎn)零序電壓，當(dāng)其值大于整定值并經(jīng)整定延時后，零序電壓保護動作警告，判別邏輯如圖4所示。

圖4 零序過電壓保護邏輯框圖Fig.4 Block diagram of zero sequence overvoltage protection logic

針對DC-AC 部分逆變橋輸出線路單相接地故障，為防止由于濾波器的中性點接地而產(chǎn)生零序電壓和零序電流，增加零序電流保護，其邏輯框圖如圖5所示。其動作判據(jù)如式（1）、式（2）所示，式中I0是濾波器中性點對地電流，I0set1、I0set2分別是零序過流保護電流I 段、II 段整定值，Tset1、Tset2分別是I 段、II 段延時時間整定值。

圖5 零序過電流保護邏輯框圖Fig.5 Zero sequence overcurrent protection logic block diagram

第Ⅰ段：

第Ⅱ段：

2.2 改進復(fù)合電壓過流保護

移相變壓器作為整流設(shè)備的電源變壓器，具有原邊輸入交流，而副邊通過整流元件后輸出直流的特性，且閥側(cè)電壓的調(diào)壓范圍大，運行過程中變壓器的變比和網(wǎng)側(cè)電流變化范圍大。故此，傳統(tǒng)的變壓器縱聯(lián)差動保護，會因變壓器接線方式、電流互感器誤差、勵磁涌流等原因引起不平衡電流，故不適用于移相變壓器的保護。針對移相變壓器的相間短路故障以及二極管短路故障，采用由過流元件、低電壓元件、負(fù)序電壓元件共同構(gòu)成的改進復(fù)合電壓閉鎖的過電流保護，邏輯圖如圖6所示。

圖6 改進復(fù)合電壓過流保護Fig.6 Improved compound voltage overcurrent protection

當(dāng)電流電壓的值都達到整定值時，保護動作；動作電流按躲過正常運行時的最大負(fù)荷電流，低電壓按系統(tǒng)啟動時保護安裝的最低電壓，負(fù)序電壓按躲過正常運行時不平衡電壓產(chǎn)生的負(fù)序電壓。低電壓元件、負(fù)序電壓元件、突變量啟動元件和過電流元件動作判據(jù)對應(yīng)式（3）～式（6）。

式中：Umin為三個線電壓中最小一個；Uset為低電壓整定值。TV 斷線時會造成低電壓元件誤判，故TV斷線時將閉鎖低電壓元件。

式中：U2為負(fù)序電壓；U2set為負(fù)序電壓整定值。TV斷線時會造成負(fù)序電壓元件誤判，故TV 斷線時將閉鎖負(fù)序電壓元件。

式中：i（n）為n 點或nTs時刻的線電流采樣值；N 為每基頻周期采樣點數(shù)；Iset為啟動門檻值。

式中：Ia，Ib，Ic為A，B，C 相電流；Iset為過流整定值。為防止擾動導(dǎo)致保護誤動，過電流元件需與電流突變量啟動元件相配合，即在突變量元件啟動時，不附加延時出口。

2.3 直流母線方向低電壓保護

針對整流電路或者直流母線發(fā)生短路時直流母線電壓明顯降低等問題，但考慮外部故障也可能造成直流母線低電壓的影響；為區(qū)分內(nèi)、外部短路故障，加入方向判斷元件，構(gòu)成直流母線方向低電壓保護，其邏輯框圖如圖7所示。動作判據(jù)如式（3）所示，其中電壓取自直流濾波電容兩端的測量值。

圖7 直流母線方向低電壓保護邏輯圖Fig.7 Logic diagram for low voltage protection in the direction of the DC bus

式中：U+是靠近正母線直流電容上的電壓；U-是靠近負(fù)母線直流電容上的電壓；Uset是低電壓保護定值，正負(fù)母線電壓采用平均值算法得到。

3 仿真及試驗

3.1 仿真模型

在各種短路故障特性分析的基礎(chǔ)上，為確保系統(tǒng)保護策略的可實施性，本文在MATLAB/Simulink中搭建了AC-DC-AC 系統(tǒng)進行仿真驗證，模型如圖8所示。按照圖1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建，并在此基礎(chǔ)上增加了LC 交流濾波及三相異步電機負(fù)載模塊，且DC_Link 模塊中包含直流濾波環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖8 AC-DC-AC 系統(tǒng)仿真建模Fig.8 Simulation modelling of AC-DC-AC system

3.2 典型故障仿真波形

在仿真中利用“Breaker”模塊設(shè)置短路時間，模擬移相變壓器二次側(cè)三角形聯(lián)結(jié)繞組發(fā)生相間短路，由1.1 節(jié)分析可知相當(dāng)于整流二極管短路，設(shè)置故障時刻發(fā)生在3 s 時，故障波形如圖9、圖10所示，此時故障相與非故障相電流均發(fā)生變化，造成變壓器輸入三相電流激增，造成嚴(yán)重時燒壞變壓器及二極管。正常運行時，設(shè)置直流母線發(fā)生短路，其不僅使輸出直流電壓快速下降為零，還會出現(xiàn)故障穿越現(xiàn)象，造成移相變壓器一次側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重過流，損害變壓器。

圖9 移相變壓器二次側(cè)繞組短路故障波形Fig.9 Phase shifting transformer secondary side winding short circuit fault waveform

圖10 直流母線短路故障波形Fig.10 DC bus short-circuit fault waveform

對于逆變輸出側(cè)單相接地，由于濾波電容中性點接地，逆變橋輸出側(cè)將明顯出現(xiàn)零序電壓和零序電流，如圖11和圖12所示。

圖11 零序電壓波形Fig.11 Zero sequence voltage waveform

圖12 零序電流波形Fig.12 Zero sequence current waveform

以上分別選取AC-DC-AC 變換系統(tǒng)中比較典型的短路故障，由波形驗證了第2 章中短路特性分析的正確性，發(fā)現(xiàn)故障相所引起的故障穿越，嚴(yán)重過流，產(chǎn)生零序分量等影響系統(tǒng)穩(wěn)定的短路后果，是工程實際運行所要考慮的因素。

3.3 典型保護動作試驗波形

直流母線位于AC-DC-AC 變換系統(tǒng)換流的中間位置，其發(fā)生短路故障后將會對系統(tǒng)的輸入輸出電氣量均造成影響，便于驗證保護方法的有效性。如圖13所示，設(shè)置故障時刻為0.35 s 時，對移相變壓器A 相的輸出電壓UA、輸出電流IA、逆變輸出A相的電壓U0A、輸出電流I0A以及直流線路電流Id的保護動作波形進行分析可得故障整體切除時間約為0.05 s 左右，保護動作準(zhǔn)確。

圖13 直流母線短路故障保護動作圖Fig.13 DC bus short-circuit fault protection action diagram

針對所提出的保護功能，由于在實際裝置進行動模試驗會損害裝置并造成經(jīng)濟損失，故實驗中需結(jié)合繼電保護測試儀，并降低保護整定值進行動模試驗，其數(shù)據(jù)如表1所示，驗證了所提出保護方法的實踐性。

表1 保護功能動模試驗結(jié)果Tab.1 Protection function dynamic mode test results

4 結(jié)語

本文從AC-DC-AC 變換系統(tǒng)在電力電子化電力系統(tǒng)應(yīng)用中，表現(xiàn)出來的系統(tǒng)抗干擾性及穩(wěn)定性亟待更優(yōu)化保護配置的需求出發(fā)，通過研究國內(nèi)外文獻發(fā)現(xiàn)從保護方法的系統(tǒng)性及整體性方面還應(yīng)繼續(xù)探索。故此，本文從構(gòu)成AC-DC-AC 變換系統(tǒng)的整流及逆變兩個工作過程出發(fā)，分析變壓器單相接地短路和兩相短路、功率器件短路、直流母線短路等典型短路類型的電氣故障量變化，歸納得出短路故障類型可劃分為功率開關(guān)器件、大功率變壓器設(shè)備以及交直流輸電線路3 個層面，由此提出多重復(fù)合過流保護策略，以實現(xiàn)系統(tǒng)整體性的短路保護；通過典型故障仿真驗證了短路特性分析的合理性和過流后果的嚴(yán)重性；通過動模試驗結(jié)果驗證了所提出保護策略和算法的正確性。

本文的工作中仍然存在一些不足，部分相關(guān)問題需要進一步的試驗與驗證，比如針對器件的保護方法未在短路故障的分析中提出，部分保護動作的波形需要精確及完善等，今后將在這些方面進行更加深入的研究。