VSC-HVDC系统中IGBT阀保护方案研究

张艳霞, 杜珊珊, 马锦婷, 董广浩

(天津大学 智能电网教育部重点实验室,天津 300072)

0 引 言

基于电压源换流器的高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current transmission,VSC-HVDC)也被称为柔性直流输电,具有无换相失败、可向无源电网供电、能独立控制有功功率和无功功率、事故后能快速恢复供电等优点,越来越多地应用在电网互联、风电场并网和孤岛供电中。电压源换流器是柔性直流输电系统的核心设备,它使用全控型电力电子器件绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)实现电能的交直流变换。IGBT阀长期工作在高电压大电流的环境下容易发生故障,其故障主要包括阀短路和阀开路。阀短路产生的过电流将导致换流器闭锁,从而引起柔性直流输电系统停运;阀开路则可能引起系统电压和电流发生畸变,影响电能质量。因此,研究VSC-HVDC系统中IGBT阀的故障特征和保护原理对于保障电力系统的安全运行具有重要的理论意义和实用价值。

目前,针对VSC-HVDC系统中IGBT阀的故障分析主要集中在阀的交流出口故障和直流出口故障,对IGBT阀本身的故障分析较少。文献[1-2]对两电平电压源换流器直流出口发生的双极短路和单极接地故障进行分析,将整个故障过程分为电容放电、二极管续流和交流侧电源馈流3个阶段,分析了各阶段直流线路电流的暂态特征,为研究直流线路保护提供了理论基础。文献[3]基于对换流器交流出口短路、IGBT阀短路和换流器直流出口短路的仿真结果,总结了故障后电压和电流的变化规律,但仿真结果与实际有一定差距。文献[4-5]针对换流器区内的不同短路分析了IGBT闭锁后的电气量特征,据此提出一种换流器区内短路的识别方法,不足之处是缺少对IGBT闭锁前电气量特征的分析。文献[6]对IGBT阀本身短路进行分析,得到交流侧电流增大且直流线路电流反向的故障特征,但缺少短路后阀换相过程对故障特征影响的分析。文献[7]分析了IGBT阀开路后的交流侧电流畸变和直流侧电压电流的波动,给出了直流侧电压和电流的表达式,并指出电流的畸变和波动特点在设计IGBT阀开路保护时值得关注。

VSC-HVDC系统中IGBT阀短路的保护主要采用过流保护,不仅能反应IGBT阀本身短路,也反应换流器交流出口短路和直流出口短路。针对保护原理单一的现状,文献[8]分析了光伏并网系统换流器区内IGBT阀短路、阀开路和交流出口不对称短路时的直流侧电流特征,在此基础上提出一种基于基波和二次谐波的过电流保护方案,完善了换流器的保护配置,为进一步研究VSC-HVDC系统IGBT阀保护原理提供了借鉴。对于IGBT阀开路,目前研究主要集中在阀开路的诊断方法上。文献[9]针对换流器的非破坏性故障如IGBT阀开路、交流侧单相断线等进行故障特征分析,提出一种基于交流侧电流直流分量和直流侧电流谐波分量的换流器故障诊断方法。文献[10]研究了双端VSC-HVDC系统中两侧换流器之间的传递特性,提出一种零标记法和相位法的IGBT阀开路故障诊断方案,能同时检测本端和对端的IGBT阀开路,减少检测装置的数量。

本文以VSC-HVDC系统的三相两电平换流器为研究对象,将正常运行时换流器的5种开关模式分为两类工作状态。以此为基础分析不同工作状态下IGBT阀短路和阀开路的电流流通路径,研究故障后交流侧电流和直流侧电流的特征以及相互关系,提出将交流侧三相电流采样值分别与各自导通状态函数相乘并求和后,与直流侧电流构成差动电流,利用该差动电流反应IGBT阀短路和阀开路的保护方案。

1 VSC-HVDC系统中IGBT阀的故障分析

1.1 换流器正常运行的两类工作状态

图1为采用三相两电平换流器的VSC-HVDC送端系统接线图。每相由上、下两桥臂构成,每个桥臂由一组可关断器件IGBT和续流二极管组成。图中:ea、eb、ec为交流等值系统的三相电势;L为换相电抗;CTa、CTb、CTc为换流器交流侧的三相电流互感器,规定电流流入换流器为正;Udc为直流侧电压;O为直流侧接地点;CTdP为直流线路高压端电流互感器,规定电流流入直流线路为正;CTdN为直流线路低压端电流互感器,规定电流流出直流线路为正;直流端口用直流电动势Eeq和阻抗Zeq串联等效。

图1 采用三相两电平换流器的VSC-HVDC送端系统接线Fig.1 Wiring diagram of VSC-HVDC rectifier side using three-phase two-level converter

图2给出了换流器的正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)波形,调制波幅值Urm和载波幅值UΔm之比为调制比M,三相调制波相对于三相交流电势的角度为调制角δ,正常运行时满足:0.5≤M≤1,-15°≤δ≤15°[11-13]。

图2 换流器的SPWM波形及区间划分情况Fig.2 SPWM waveform and interval division of the converter

根据ea、eb、ec的过零点,将一个工频周期按照60°间隔划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ共6个区间。以区间Ⅰ(ea>0,eb<0,ec>0)为例,当载波比N=12时,该区间依据调制信号的不同可划分为13个时段。每个时段内,阀导通情况由其承受电压的正负和调制信号共同决定,当承受正向电压且桥臂导通信号为1时导通。表1给出了区间Ⅰ内不同时段下阀的导通情况。

表1 区间Ⅰ内不同时段下阀的导通情况

由表1可知,任一时刻每相桥臂都有1个IGBT或1个二极管导通,但13个时段内的开关模式只有[111]、[101]、[001]、[000]、[100]共5种类型,且当载波比N增大时,虽然区间内划分时段个数会增加,但开关模式依然是这5种。而这5种开关模式对每相而言,只存在2种工作状态:1)上桥臂导通;2)下桥臂导通。将换流器的5种开关模式分为两类工作状态可以简化故障后的复杂分析过程。

1.2 正常运行时直流侧电流与交流侧三相电流采样值的关系

对于SPWM,其开关函数Sk(k=a、b、c)描述为

(1)

式中:Sk=1表示上桥臂IGBT或二极管导通;Sk=0表示下桥臂IGBT或二极管导通。Sk的波形如图3所示。

图3 SPWM调制下的换流器开关函数SkFig.3 Switching functions of the converter Sk under SPWM modulation

在分析过程中忽略开关函数高频分量,主要考虑其低频分量的作用。通过傅里叶分解,SPWM调制下开关函数的直流分量及基波分量为:

(2)

式中Sa、Sb、Sc分别称为a、b、c相的导通状态函数。

将交流侧三相电流分别与各自导通状态函数相乘并求和后得

(3)

式中Im、φ为a相电流的幅值和初相角。

在换流阀导通换相的过程中,未经电容滤波的直流侧电流idP依据不同导通模式被调制为不同相电流的瞬时值、瞬时值的相反值或者0。以区间I为例:当换流器工作于模式1 [111]时,idP=ia+ib+ic=0;当换流器工作于模式2 [101]时,idP=ia+ic=-ib;当换流器工作于模式3[001]时,idP=ic;当换流器工作于模式4[000]时,idP=0;当换流器工作于模式5[100]时,idP=ia。因此,未经电容滤波的直流侧电流idP在一个工频周期内的波形如图4所示。

图4 一个工频周期内未经电容滤波的直流侧电流idPFig.4 DC side current without capacitor filtering within a power frequency cycle

经电容滤波后的直流侧电流IdP可看作是一个工频周期内idP求平均值得到的。因此可得:系统正常运行时,交流侧三相电流与各自导通状态函数相乘并求和后的数值与直流侧电流在数值上相等,即直流侧电流IdP和交流侧三相电流之间满足以下平衡关系[14-16]:

IdP=Saia+Sbib+Scic。

(4)

由式(3)和式(4)可知:1)正常运行时交流侧三相电流与各自导通状态函数相乘并求和后的数值与调制比M、调制角δ和Im、φ相关,而直流侧电流IdP在数值上与其相等;2)该求和后的数值与时刻t无关。这意味着正常运行时,任意时刻的交流侧三相电流采样值与各自导通状态函数相乘并求和后的数值均与直流侧电流相等。

1.3 IGBT阀短路分析

IGBT阀短路主要由误驱动、绝缘损坏、阀臂闪络等原因引起。不同时刻发生故障对应换流器的工作状态不同,则故障后的电气量特征也不同。因此,下文以a相下桥臂阀VT4短路为例,在两类工作状态下进行分析。

1)a相上桥臂导通。

在区间Ⅰ内,调制信号[101]、[111]和[100]都属于这类工作状态。以[101]为例,正常运行时阀VD1、VD5、VD6导通。此状态下若VT4短路,则负极电容电压udcN与a相电压ua相等,VD1因承受反压截止,由于调制信号未变阀VT1导通,导致a相上下桥臂同时导通。短路电流流通路径如图5所示,故障电流有2条流通路径:回路①是交流等值系统向短路点提供的电流;回路②是直流电容的放电电流,一部分经阀VT1和VT4形成回路,另一部分经直流侧形成回路。

图5 区间Ⅰ内调制信号为[101]时,VT4短路的电流流通路径Fig.5 Current paths of VT4 short circuit when the modulation signal is [101] in interval Ⅰ

回路①相当于交流等值系统出口三相短路,其短路电流为:

(5)

式中ωL为换相电抗的等值阻抗。

将交流侧三相电流与各自导通状态函数相乘并求和后得

(6)

回路②电容放电电流经阀VT1和VT4形成回路的这部分数值大,经直流侧形成回路的那部分数值较小。显然,直流侧电流IdP和交流侧三相电流之间不再满足式(4)的平衡关系。

2)a相下桥臂导通。

在区间Ⅰ内,调制信号[001]和[000]属于这类工作状态。以[001]为例,正常运行时阀VT4、VD5、VD6导通。此状态下若VT4短路,电流流通路径和正常运行时相同,如图6所示,直流侧电流IdP和交流侧三相电流之间依然满足式(4)的平衡关系。

图6 区间Ⅰ内调制信号为[001]时,VT4短路的电流流通路径Fig.6 Current paths of VT4 short circuit when the modulation signal is [001] in interval Ⅰ

综上分析得出以下结论:1)IGBT阀短路后,交、直流电流之间的关系与故障相桥臂导通状态有关。当IGBT阀短路发生在对侧桥臂导通时,交流侧三相电流与各自导通状态函数相乘并求和后的数值与直流侧电流不相等。当IGBT阀短路发生在本桥臂导通时,交流侧三相电流与各自导通状态函数相乘并求和后的数值与直流侧电流仍相等。2)随着调制信号变化,交、直流电流之间的关系在上面两种状态之间切换。

1.4 IGBT阀开路分析

换流器中IGBT阀开路通常由于机械失效或控制系统丢失脉冲所导致。由于每个桥臂由IGBT和二极管反并联组成,因此,分析下文IGBT阀开路按照桥臂上导通器件是IGBT还是二极管进行。

1)a相上桥臂导通。

图7 区间Ⅰ内调制信号为[101]时,VT4开路的电流流通路径Fig.7 Current paths of VT4 open circuit when the modulation signal is [101] in interval Ⅰ

图8 区间Ⅳ内调制信号[110]时,VT4开路的电流流通路径Fig.8 Current paths of VT4 open circuit when the modulation signal is [110] in interval Ⅳ

2)a相下桥臂导通。

图9 区间Ⅳ内调制信号[011]时,VT4开路的电流流通路径Fig.9 Current path of VT4 open circuit when the modulation signal is [011] in interval Ⅳ

VT4导通:区间Ⅰ内时段③、④、⑤、⑨、⑩,区间Ⅱ内时段④、⑩,区间Ⅲ内时段④、⑩、都属于这类情况。图10给出了区间Ⅰ内[001]的电流流通路径,VT4开路后a相电流变为0,但b、c两相电流和直流侧电流IdP保持不变。显然,直流侧电流IdP和交流侧三相电流不再满足式(4)的平衡关系。

图10 区间Ⅰ内调制信号[001]时,VT4开路的电流流通路径Fig.10 Current paths of VT4 open circuit when the modulation signal is [001] in interval Ⅰ

综上分析可得出以下结论:1)IGBT阀开路后,交、直流电流之间的关系不仅与开路前桥臂导通状态有关,还与桥臂上导通器件有关。如果IGBT阀开路前桥臂上是二极管导通,则交流侧三相电流与各自导通状态函数相乘并求和后的数值与直流侧电流仍相等。如果IGBT阀开路前桥臂上是IGBT导通,则交流侧三相电流与各自导通状态函数相乘并求和后的数值与直流侧电流不相等。2)随着调制信号变化,交、直流电流之间的关系在上面两种状态之间切换。

2 IGBT阀保护的新方案

根据上述分析可知:换流器IGBT阀发生短路或开路故障后,交流侧三相电流与直流侧电流之间不总是满足平衡关系,而是在平衡和不平衡两种状态之间切换。表2和表3分别列出了阀VT4短路和开路后一个工频周期内两者之间的关系。由表可知,一个工频周期内,随着阀的状态切换可分为78个时段,IGBT阀短路后有42个时段不满足式(4)的平衡关系,共计10.77 ms;而IGBT阀开路时有10个时段不满足式(4)的平衡关系,共计2.56 ms。

表2 VT4短路后一个周期内不同时段下的两侧电流关系

表3 VT4开路后一个周期内不同时段下的两侧电流关系

因此,本文基于VSC-HVDC系统中IGBT阀两侧电流定义差动电流为

Idiff=||IdP|-|Saia+Sbib+Scic||。

(7)

式中:Sa、Sb、Sc分别为式(2)给出的a、b、c相的导通状态函数;ia、ib、ic分别为交流侧三相电流的采样值;IdP为直流侧电流的采样值。

反应IGBT阀故障的保护判据为

Idiff≥Iset,持续2.5 ms。

(8)

式中保护整定值按照躲开外部故障最大不平衡电流整定Iset=KrelIunb.max,可靠系数Krel取1.1～1.3。而最大不平衡电流按躲开直流线路短路电流IdP.max的5%整定即Iunb.max=0.05IdP.max。考虑到阀开路时只有2.56 ms满足判据,因此为保证阀开路时保护可靠动作,要求采样频率在2 kHz以上。

目前的IGBT阀保护采用过流保护,存在以下缺点:1)只反应阀短路不反应阀开路[9,11];2)换流器交流出口和直流出口短路时,只要电流超过整定值都会误动作,不具有选择性[12]。而本文提出的保护方案不仅能反应阀短路,而且能反应阀开路。在换流器交流出口、直流出口故障时,保护不误动作。本文保护的动作流程如图11所示。

图11 保护动作流程图Fig.11 Action flowchart of protection

3 仿真验证

为了验证本文所提保护方案的有效性,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建柔性直流输电系统仿真模型如图12所示,仿真参数列于表4。故障发生时刻设置为0.8 s,仿真过程未设置阀闭锁,采样频率为4 kHz。

表4 VSC-HVDC系统参数Table 4 VSC-HVDC system parameters

图12 基于两电平VSC的双端柔性直流输电系统仿真模型Fig.12 Simulation model of double-terminal flexible DC transmission system based on two-level VSC

当直流线路出口双极短路时,交流侧电流和直流侧电流如图13所示。交流侧的稳态短路电流为正常运行时的5倍,直流侧的稳态短路电流IdP为正常运行时的3.6倍。按照本文的整定原则,反应IGBT阀故障保护的整定值Iset=0.05KrelIdP.max=0.05×1.15×3.6=0.20 pu。

图13 直流线路出口双极短路后的交直流两侧电流Fig.13 Current on both sides of AC and DC after a bipolar short circuit at DC line outlet

a相上桥臂VT1短路后的交流侧电流、直流侧电流及差动电流如图14所示。VT1短路后a相的上、下桥臂同时导通,这使得直流正负极连通,相当于换流器交流出口发生了三相短路,因此三相电流明显增大,经过渡过程后进入稳态。故障后直流电容放电使得直流侧电流IdP反向急剧增大,经过渡过程后也进入稳态。在故障后的一个工频周期内,差动电流IdP≥Iset超过2.5 ms,保护可靠动作。

图14 VT1短路后的交直流两侧电流和差动电流Fig.14 Current on both sides of AC and DC and differential current after VT1 short circuit

a相下桥臂阀VT4短路后的交流侧电流、直流侧电流及差动电流如图15所示。VT4短路也相当于换流器交流出口发生三相短路,交流侧三相电流均有增大;故障初始时刻直流电容放电使得直流侧电流IdP反向急剧增大,稳态后IdP约为正常运行时的2.5倍且极性一直为负。在故障后一个工频周期内,差动电流IdP≥Iset超过2.5 ms,保护可靠动作。

图15 VT4短路后的交直流两侧电流和差动电流Fig.15 Current on both sides of AC and DC and differential current after VT4 short circuit

a相上桥臂VT1开路后的交流侧电流、直流侧电流及差动电流如图16所示。交流侧三相电流中都包含直流分量,原因是:VT1开路时,VT1和VD4的开关特性均失效,故障相电流只能通过VT4和VD1流通,因此故障相电流ia≥0,其包含的直流分量也为正,而b、c两相电流包含的直流分量为a相的1/2。在故障后的一个工频周期内,差动电流IdP≥Iset超过2.5 ms,保护可靠动作。但由于故障发生时刻正好处在VT1不导通的半个周期内,因此保护动作比下桥臂VT4开路时稍慢。

图16 VT1开路后的交直流两侧电流和差动电流Fig.16 Current on both sides of AC and DC and differential current after VT1 open circuit

图17给出了a相下桥臂阀VT4开路后的交流侧电流、直流侧电流及差动电流。交流侧三相电流均有增大,但没有阀短路增大得多,且三相电流均产生了直流偏置,其中故障相的直流分量最明显。此情况下,VT4和VD1开关特性失效,故障相电流只流过VT1和VD4,故ia≤0,其包含的直流分量也为负,b、c两相电流包含的直流分量为a相的1/2。直流侧电流IdP除了恒定的直流分量还增加了基波分量。在故障后的一个工频周期内,差动电流IdP≥Iset超过2.5 ms,保护可靠动作。

图17 VT4开路后的交直流两侧电流和差动电流Fig.17 Current on both sides of AC and DC and differential current after VT4 open circuit

4 结 论

1)IGBT阀短路后,交、直流电流之间的关系只与故障相桥臂的导通状态有关。若对侧桥臂导通时阀短路,则交流侧三相电流与各自导通状态函数相乘并求和后的数值与直流侧电流不相等。若本桥臂导通时阀短路,则两者仍相等。

2)IGBT阀开路后,交、直流电流之间的关系不仅与开路前桥臂导通状态有关,还与桥臂上导通器件有关。如果阀开路前桥臂上是二极管导通,则交流侧三相电流与各自导通状态函数相乘并求和后的数值与直流侧电流仍相等。若阀开路前桥臂上是IGBT导通,则两者不相等。

3)本文将交流侧三相电流与各自导通状态函数相乘并求和后,再与直流侧电流构成差动电流,提出一种IGBT阀保护方案,既能反应阀短路又能反应阀开路,弥补了现有的IGBT过电流保护及其他研究方案不能反应阀开路的不足。