柔性直流輸電系統中IGBT 閥的故障診斷方法

孫曉云 同向前 高 鑫

（1.西安理工大學自動化與信息工程學院 西安 710048 2.西安科技大學通信與信息工程學院 西安 710054 3.國家電網公司西北分部 西安 710048）

1 引言

柔性直流輸電系統（Voltage Source Converters Based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC）是應綠色電網、新能源發電并網要求而發展起來的一種新型直流輸電技術。以自關斷器件IGBT 構成電壓源型換流器，結合脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）技術，可實現系統有功、無功功率的獨立控制，無需額外濾波裝置，具有設備功率密度高、結構緊湊等優點。VSC-HVDC 由電壓源換流站（VSC）、交流系統和直流輸電系統三部分構成。當柔性直流輸電任何一部分出現故障時，構成系統的各個設備或組件都可能承受過電壓、過電流、過熱等不正常應力，如果未及時診斷故障、采取有效保護措施，嚴重情況下會損壞電壓源換流站中最為昂貴的全控電力電子器件或其他重要部件，由此造成柔性直流輸電系統不能快速恢復運行，給用戶造成更大的經濟損失[1]。因此快速準確地查找故障位置，進而采取合理的策略保護整個系統意義重大。

作為VSC-HVDC 系統實現交直流變換的關鍵器件，IGBT 閥體故障尤為值得關注。根據不同的失效后果，可將IGBT 閥故障分為短路失效故障和開路失效故障[2-5]。IGBT 閥短路失效故障主要由誤驅動、過電壓擊穿和熱擊穿所導致，若閥串聯組件中的某個開關管發生短路失效故障，通過串聯器件的冗余可得到暫時性的解決。IGBT 閥開路失效故障主要是由于器件燒毀或因觸發脈沖丟失導致整個閥臂無法開通，若發生IGBT 閥開路失效故障，會導致換流器的異常運行。因此，準確識別換流器的閥開路失效位置至關重要。

目前，國內外在柔性直流輸電技術領域研究的熱點主要集中在VSC-HVDC 的數學模型、運行特性、控制策略和保護方式等方面[6-10]，對于 VSCHVDC 系統故障類型的診斷研究較少[11,12]，關于IGBT 閥故障診斷方面的研究鮮有論述。

本文主要研究了柔性直流輸電系統中IGBT 閥開路失效的故障診斷問題。首先仿真分析了 VSCHVDC 系統在IGBT 閥開路失效故障時的電流響應特性，研究了系統傳輸功率突變對網側交流電流波形的影響，利用短時傅里葉變換提取故障電流特征，提出一種基于故障電流特征的運算簡便快速的故障元件定位策略，結果驗證了該算法能快速準確地確定故障位置，并能有效避免因系統傳輸功率突變而引起的誤診斷問題。

2 IGBT 閥開路失效時的電流響應特性

兩電平VSC-HVDC 系統拓撲圖及各物理量的參考方向如圖1 所示。設圖中左側的換流站為送端站，右側的換流站為受端站，相應的物理量分別以下標“1”和“2”表示。為分析方便，假設三相主電路參數完全相同，串聯電抗器等效電阻和電感分別為R和L，直流電容器等效電容為C，直流輸電線路等效電阻和電感分別為Rd和Ld。

圖1 VSC-HVDC 系統拓撲圖Fig.1 The topology of VSC-HVDC system

以送端IGBT 閥VT11發生開路失效故障為例，分析柔性直流輸電系統的三相交流電流響應特性。

（1）當ia1＞0 時，若VT11正常工作，電流ia1經過兩個路徑形成通路。在VT11關斷、VT12導通時，ia1通過VT12正向續流；在VT11導通、VT12關斷時，ia1通過VD11正向續流。在ia1＞0 的整個區間VT11不參與電路運行，VT11故障不影響電路拓撲狀態，電流ia1、ib1、ic1波形沒有畸變。

（2）當ia1＜0 時，若VT11正常工作，電流ia1經過兩個路徑形成通路。在VT11關斷、VT12導通時，ia1通過VD12形成通路反向續流；在VT11導通、VT12關斷時，ia1通過VT11形成通路反向續流。若VT11發生開路故障，在VT11關斷、VT12導通時，ia1通過VD12反向續流，VT11故障不影響電路拓撲狀態；在VT11導通、VT12關斷時，因VT11的故障，ia1不能通過VT11反向續流，此時由于電感L1電流不能突變，VD12立即導通，ia1通過VD12反向續流。這樣，在ia1＜0 的整個區間，VD12一直導通。

基于PSCAD/EMTDC 軟件建立系統仿真模型，仿真條件為:交流系統線電壓為10kV；直流側額定電壓為20kV；交流側濾波電感為10mH；直流側電容為500μF；采用背靠背運行方式，系統采取幅相控制策略，送端換流器采用定有功功率、定無功功率的控制方式，受端換流器采用定直流電壓、定無功功率的控制方式；仿真過程中有功功率設定為5MW，送端和受端的無功功率設定值均為2Mvar。圖2 給出了VT11在5.005s 發生開路故障時的交流電流及直流側電壓波形。

圖2 故障信號波形（ia1＞0,VT11閥故障）Fig.2 Fault signal waveforms（ia1＞0,breakdown of VT11）

由圖2 可知，在ia1＞0 時，VT11發生開路故障，因VT11開路不影響電路拓撲狀態，ia1在故障后的第一個正半周，送端交流電流波形未改變，系統仍正常運行；當ia1出現過零點后，IGBT 開路故障改變了電路拓撲狀態，送端三相交流電流ia1、ib1、ic1都出現了直流分量。觀察圖2 發現，VT11開路故障后，送端A 相電流ia1波形只有正半周，未出現從正半周轉換到負半周的狀況，原因是當電流ia1從大于0的區間過渡到0 之后，因VT11故障且VD12處于截止狀態，未形成ia1＜0 的電流回路，從而送端A 相電流只有正半周波形。

從圖2 還看出，送端換流器發生IGBT 閥開路故障后，受端換流器三相交流電流ia2、ib2、ic2也出現了直流分量；且直流電壓udc2出現了基頻波動，波動幅度達到額定值的3%。可從頻譜分析的角度分析該現象:送端故障相電流的直流分量和二次諧波電流及非故障相電流的直流分量，通過PWM 調制在直流電流中產生基頻波動；直流電流的基頻波動通過直流電容器的充放電將引起直流電壓基頻波動；直流電壓的基頻波動再通過PWM 的調制，引起受端電壓交流側輸出直流分量和二次諧波分量，進而導致三相交流電流產生了直流分量和二次諧波分量，由于受端電感的濾波作用，受端交流電流的二次諧波分量的幅值很小。

如果 VSC-HVDC 系統受端換流器的上橋臂IGBT 閥出現開路失效故障，受端故障相電流也會出現畸變，在一個工頻周期只有正半周，而該側另兩相交流電流包含直流分量；同時受端換流器的故障會導致直流側電壓出現基頻波動，進一步影響到送端換流器，使其三相交流電流也出現直流分量。系統受端發生 IGBT 的開路故障特性與送端發生IGBT 的開路故障特性基本相同，因篇幅所限，本文沒有給出受端IGBT 閥開路失效故障時的仿真結果。

3 基于標幺化直流分量的故障診斷方法

由上述器件開路故障時的電流響應特性可見，當系統的上橋臂器件發生故障，該故障相電流只有正半周，直流分量大于零，當系統的下橋臂器件發生故障，該故障相電流只有負半周，直流分量小于零。依據這種故障運行特性，以交流側三相電流的直流分量為故障診斷變量，判斷系統是否發生開路故障，并確定故障所在位置。

設x(n)為VSC-HVDC 網側送端（受端）任意一相電流信號的采樣值，N為交流電流基波信號一個周期的采樣點數。以式（1）實時計算信號的直流分量，再用式（2）實時計算信號的絕對值直流分量，最后標幺化處理交流電流的直流分量，得到故障診斷變量如式（3）所示。

如果VSC-HVDC 系統正常運行，網側交流電流信號只有基波分量，故障診斷變量E(n) 約為0。當系統一側換流器出現IGBT 閥開路失效時，若上橋臂故障，該故障相的診斷變量為1，若下橋臂故障，該故障相的診斷變量為-1；因交流側采用三相三線制，三相交流電流中的直流分量之和為零，該側非故障相電流直流分量大小約為故障相的一半，標幺化處理后的非故障相診斷變量范圍在（0，±d1）（d1＜1）。而對于沒有故障的另一側換流器來說，由于受到故障的影響，三相電流均出現直流分量，但該側每一相交流電流在一個周期內既有正的幅值也有負的幅值，標幺化處理的診斷變量范圍在（0，±d2）（d2＜1）。圖3 給出了交流電流故障診斷變量范圍d1、d2隨參數I/IN（I為交流電流有效值，IN為額定電流有效值）變化的曲線，由圖3 可看出故障診斷變量的幅值范圍基本不受電流幅值的影響，d1約為0.8，d2約為0.91。所以交流側的故障診斷變量E(n)是十分可靠的診斷變量，僅依據系統送端（受端）交流電流診斷變量E(n)的大小，就能夠正確判別故障IGBT 的所在位置。

圖3 參數d1、d2與I/IN的關系Fig.3 The relationship between I/INand d1,d2

4 故障診斷方法的改進

VSC-HVDC 系統靈活運行，通過改變有功功率、無功功率參數可快速調整傳輸功率。若有功功率、無功功率參數突然改變時，在控制策略的作用下系統動態調整，出現暫態運行狀況，其網側交流電流會發生改變。如圖4 所示，3.5s 時系統發送端傳輸功率從-4MW、-2.5Mvar 突變為 4MW、-2.5Mvar，系統傳輸功率突變，出現潮流反轉的情況，系統動態調整時間長，在一段時間內（＞20ms）送端電流幅值一直大于零或一直小于零，該側交流電流的故障相診斷變量E(n) 為±1，因此，如果僅依賴E(n) 則會出現錯誤的診斷結果，必須對診斷方法進行改進。

圖4 潮流反轉時電流波形Fig.4 The AC current of power flow inversion

在信號時頻分析中，短時傅里葉變換是研究非平穩信號廣泛使用的方法[13,14]，基本思想是使用一個隨時間滑動的分析窗對非平穩信號進行加窗截斷處理，將非平穩信號分解成一系列近似平穩的短時信號，然后用傅里葉變換理論分析各短時平穩信號的頻譜，從而將時域和頻域綜合起來描述觀察信號的時頻聯合特征，構成信號的時頻譜。因為VSC-HVDC 系統傳輸功率經常改變，系統網側交流電流是隨時間變化的非平穩信號，其頻譜特性也隨時間的變化而變化。因此利用短時傅里葉變換滑動分析網側交流電流，提取出有效特征，以此特征作為輔助的故障診斷變量，判斷系統是否處在傳輸功率突變的暫態運行過程，從而避免因系統傳輸功率突變引起的誤診斷問題。

定義一個時域離散信號x(n)(n=0,1,…,L) 的短時傅里葉變換[13]為

式中，g(m)為窗函數；ω為連續頻率變量。

設x(n) 為送端（受端）任意一相電流信號的采樣值，若信號基波周期的采樣點數為N（L≥N），選取窗函數g(m) 為矩形窗序列RN(m)，利用N點離散傅里葉變換計算交流電流x(n) 的短時傅里葉變換，實時分析計算x(n)在（n，n+N-1）區間內頻譜特性，信號第n+N-1 點基波分量為

信號x(n) 第n+N點基波分量為

式（6）中，令m+1=m'，進一步得到

若系統穩定運行，網側交流電流x(n) 是周期為N的周期序列，對信號在任意周期的求和結果相同，將式（7）的求和區間改在主值區間，推出

從式（8）看到，若系統穩定運行時，網側交流電流x(n) 第n+N點與第n+N-1 點的基波相位差為2π/N。

由上述分析推導看出，如果系統穩定運行，交流電流x(n)前后兩點的基波相位差為2π/N，而系統傳輸功率突變時，任一相交流電流x(n) 前后兩點的基波相位差就會出現較大變化。因此，本文依據網側交流電流的基波分量相位差判定系統是否處于穩定運行狀態。首先根據式（5）、式（6）的定義，用式（9）計算交流電流第n+N-1 點基波相位θ(n+N-1)，用式（10）計算交流電流第n+N點基波相位θ(n+N)，然后用式（11）計算得到交流電流基波分量前后兩點間的相位差β(n+N)，最后用式（12）確定系統的運行狀態。如果網側送端（受端）三相交流電流的相位差β(n+N) 在給定范圍內，相位差診斷變量P(n+N) 全部都是1，認為系統此刻處于穩定運行，否則判定系統處于傳輸功率突變的暫態運行。

式（12）中，選取門限值β1、β2，考慮到系統出現IGBT 閥開路故障時，盡管基波相位差幅值會出現小幅度變化，但仍需被判定為穩定運行狀態，所以根據IGBT 閥開路故障情況下故障相電流基波相位差出現波動的范圍，選取門限經驗值β1約為β2約為

根據前面仿真結果得知，當系統出現傳輸功率突變的情況時，系統動態調整時間長，如果僅依賴標幺化直流分量E(n)易出現錯誤診斷現象。為此增加基波電流相位差P(n)作為故障診斷輔助變量，判斷系統是否處在傳輸功率突變的暫態運行，從而避免誤診、提高故障診斷的準確度。綜上所提出的故障定位方法流程如下:首先用式（9）～式（12）實時計算網側送端（受端）交流電流的故障診斷變量Pai、Pbi、Pci(i=1,2)，如果網側送端（受端）任一相交流電流的相位差診斷變量不等于1，判定系統處于傳輸功率的突變過程中；如果網側送端（受端）三相交流電流的相位差故障診斷變量均為1，判定系統不是處于傳輸功率突變過程中，然后再用式（1）～式（3）計算網側送端（受端）交流電流的故障診斷變量Eai、Ebi、Eci(i=1,2)，確定IGBT 閥的故障位置。考慮到圖3 給出的非故障相故障診斷變量E(n)范圍及實際系統運行噪聲的影響，設閾值δ=0.96，故障診斷變量Eai、Ebi、Eci(i=1,2) 和Pai、Pbi、Pci(i=1，2) 與IGBT 閥故障位置的對應關系見下表。

5 診斷方法的仿真驗證

為驗證上述故障診斷方法在柔性直流輸電系統運行過程中的準確性和可靠性，搭建仿真模型進行驗證。仿真過程中模擬柔性直流輸電系統傳輸功率的突變過程，VSC-HVDC 系統在3.5s 時出現潮流反轉，發送端傳輸功率參數從-5MW、-3Mvar 突變為5MW、-3Mvar，3.8s 時送端電壓換流器的IGBT 閥VT13發生失效開路故障，仿真結果如圖5～圖8 所示。

表 故障診斷變量與IGBT 故障元件的對應關系Tab. The relationship between IGBT fault and diagnosis variables

圖5 送端換流器仿真結果Fig.5 The simulation results of sending end

圖6 受端換流器仿真結果Fig.6 The simulation results of receiving end

圖7 基于標幺化直流分量的故障診斷結果Fig.7 Diagnosis results based on per-unit DC component

圖8 基于改進標幺化直流分量的故障診斷結果Fig.8 Diagnosis results based on modified per-unit DC component

圖5 給出了VSC-HVDC 的送端換流器的仿真結果，由圖5 可以看出當系統出現潮流反轉時，網側交流電流動態調整時間長，送端電流波形在一段時間內（＞20ms）只有正幅值（或負幅值）。由送端三相電流的標幺化直流量Ea1、Eb1、Ec1及基波信號相位差角度βa1、βb1、βc1可看到，因交流電流動態調整時間長，送端電流標幺化直流量約在3.55s時為±1，相應基波信號的相位差角度發生很大變化，不再是穩定運行時的（采樣周期N=100），而遠遠超過閾值設定范圍圖6 給出了受端換流器的仿真結果，由受端電流的標幺化直流量Ea2、Eb2、Ec2及基波信號相位差角度βa2、βb2、βc2可看出，當系統出現潮流反轉時，受端電流波形受到影響出現波動，基波信號的相位差角度也出現較大變化，但標幺化直流量依然在（0,±0.91）范圍內。

基于標幺化直流分量的故障診斷結果如圖7 所示，由圖7 可以看出，只依靠標幺化直流分量作為故障診斷變量，在系統出現潮流反轉的動態調整時期，系統送端故障標志出現了錯誤信息，表明該方法發生錯誤診斷結果。

基于改進的標幺化直流分量方法的故障定位結果如圖8 所示，由圖8 可以看到，在系統潮流反轉的動態調整時期，系統送端故障標志未出現錯誤定位信息，3.812s 時送端故障標志突變，表明IGBT 閥VT13出現開路故障。該方法約需12ms 方能正確診斷故障IGBT 的位置。

在本文提出的診斷方法中，診斷所用時間與系統故障時刻所在相電流的相角有關，其診斷時間具有非線性。圖9 給出了IGBT 閥VT13發生故障時，診斷時間隨故障時刻所在相電流相角γ(0～2π) 的變化曲線，由圖9 可以看出，本文提出的算法可在23ms 以內定位出IGBT 故障位置。

圖9 相角γ 與診斷時間的關系Fig.9 The relationship between γ and diagnosis time

6 結論

（1）當電壓源換流器某相上橋臂IGBT 閥發生開路失效故障時，該相交流電流只有正半周，負半周電流為零；當下橋臂IGBT 閥發生開路失效故障時，該相交流電流只有負半周，正半周電流為零。

（2）若VSC-HVDC 任一側換流器發生IGBT 閥開路失效故障時，兩側換流器的三相交流電流均會出現直流電流分量，但故障相電流具有最大直流分量。

（3）若VSC-HVDC 任一側換流器發生IGBT 閥開路失效故障時，在直流電壓中一定包含基頻波動分量。

（4）以網側交流電流的基波信號相位差和標幺化直流量作為診斷變量，能夠快速準確診斷出IGBT閥故障，并能避免因傳輸功率突變而引起的誤診斷現象。

[1]同向前,伍文俊,任碧瑩.電壓源換流器在電力系統中的應用[M].北京:機械工業出版社,2012.

[2]湯廣福.基于電壓換流器的高壓直流輸電技術[M].北京:中國電力出版社,2010.

[3]Lu Bin,Sharma Santosh K.A literature review of IGBT fault diagnostic and protection methods for power inverters[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2009,45(5):1770-1777.

[4]Sleszynski W,Nieznanski J,Cichowski A.Opentransistor fault diagnostics in voltage-source inverters by analyzing the load currents[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(11):4681-4688.

[5]王磊,趙雷霆,張鋼,等.電壓型PWM 整流器的開關器件斷路故障特征[J].電工技術學報,2010,25(7):108-115.Wang Lei,Zhao Leiting,Zhang Gang,et al.Analysis of fault characteristics after the breakdown of power switches in voltage-source PWM rectifiers[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(7):108-116.

[6]楊杰,鄭健超,湯廣福,等.電壓源換相 HVDC 站內交流母線故障特性及保護配合[J].中國電機工程學報,2010,30(6):44-48.Yang Jie,Zheng Jianchao,Tang Guangfu,et al.Internal AC bus fault characteristics of VSC-HVDC system and protection coordination[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(6):44-48.

[7]張靜,徐政,陳海榮.VSC-HVDC 系統啟動控制[J].電工技術學報,2009,24(9):159-165.Zhang Jing,Xu Zheng,Chen Hairong.Startup procedures for the VSC-HVDC system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(9):159-165.

[8]Du Cuiqing,Agneholm Evert,Olsson Gustaf.Use of VSC-HVDC for industrial systems having onsite generation with frequency control[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2008,23(4):2233-2240.

[9]Flourentzou Nikolas,Agelidis Assilios G,Demetriades Georgios D.VSC-based HVDC power transmission systems:an overview[J].IEEE Transaction on Power Electronics,2009,24(4):592-602.

[10]Ning Dalong,Tong Xiangqian,Shen Ming,et al.The experiments of voltage balancing methods in IGBTs series connection[C].Power and Energy Engineering Conference,Chengdu,China,2010:1-4.

[11]李志雄,嚴新平.獨立分量分析和流形學習在VSC-HVDC 系統故障診斷的應用[J].西安交通大學學報,2011,45(2):44-48.Li Zhixiong,Yan Xinping.Independent component analysis and manifold learning with applications to fault diagnosis of VSC-HVDC systems[J].Journal of Xi’an Jiaotong University,2011,45(2):44-48.

[12]孫曉云,同向前,尹軍.VSC-HVDC 系統換流器故障仿真分析及診斷方法的研究[J].高電壓技術,2012,38(6):1383-1390.Sun Xiaoyun,Tong Xiangqian,Yin Jun.Simulation analysis and diagnosis method research on the converter fault in VSC-HVDC system[J].High Voltage Engineering,2012,38(6):1383-1390.

[13]王宏禹,邱天爽,陳喆.非平穩隨機信號分析與處理[M].北京:國防工業出版社,2008.

[14]奧本海姆A V,謝佛R W,巴克J R.離散時間信號處理[M].劉樹堂,等譯.西安:西安交通大學出版社,2004.