VSC-HVDC送端換流器IGBT開路故障診斷方法

靖永志， 廖珍貞， 龔倩文， 錢程， 彭濤， 張晨昊

(1.西南交通大學 磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室， 成都 611756；2.西南交通大學 電氣工程學院，成都 611756)

0 引 言

基于電壓源型換流器的輸電(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)系統具有可實現有功無功獨立控制、可向無源網絡供電以及潮流反轉方便可靠等優點[1-2]，在可再生能源并網、孤島供電等領域具有廣闊的應用前景[3-4]。換流器作為VSC-HVDC系統的核心設備，承擔著交直流變換的重要功能，然而由于換流器長期工作在高功率和強電磁干擾的環境下，其核心組成元件IGBT開關管易發生開路故障。IGBT開路故障雖不會導致VSC-HVDC系統立即崩潰停運，但將引起系統的電壓或者電流失真，導致正常的IGBT開關管或者換流站內其它設備過載，從而可能引發二次故障，嚴重時可能導致VSC-HVDC系統停運[5]。因此，有必要研究VSC-HVDC換流器IGBT的開路故障診斷算法，以提高對VSC-HVDC系統的運營維護效率，從而保障設備安全以及VSC-HVDC系統的可靠穩定運行。

國內外學者在IGBT開路故障診斷方面開展了大量的研究，文獻[6-8]分別采用神經網絡、支持向量機等人工智能算法對換流器IGBT的開路故障進行了診斷。但該類診斷算法的準確性依賴于大量的樣本數據，而且計算復雜，計算成本較高，在線實現難度較大。為了克服人工智能算法在IGBT故障診斷方面的不足，文獻[9]建立了逆變器-電機的混雜系統模型，實現了對電力機車牽引逆變器IGBT的開路故障診斷；文獻[10]分析了IGBT開路故障的電流矢量的瞬時頻率和瞬時角度特征，并基于此設計了三相逆變器IGBT的開路故障診斷算法；文獻[11]與文獻[12]分別基于單相兩電平和單相三電平逆變器交流側電流在IGBT開路故障前后的變化特征，提出了基于電流殘差的單相逆變器IGBT開路故障診斷方法。以上方法基于對三相逆變器或者單相逆變器IGBT開路故障特征的分析，無需依賴于訓練樣本，診斷算法較為簡單，為逆變器的故障診斷提供了良好的思路，但是上述診斷算法并不能直接應用于整流器。隨著VSC-HVDC系統的發展，VSC型的三相整流器得到了較為廣泛的應用，為了保障其運行維護的可靠性與高效性，則需要對VSC-HVDC系統送端換流器(整流器)IGBT的開路故障進行分析，進而提出適用于VSC-HVDC系統送端換流器IGBT開路故障的在線診斷方法。

目前，在VSC-HVDC系統送端換流器IGBT故障分析與診斷方法的研究方面已有一定的文獻報道，文獻[13-14]基于仿真波形分析了VSC-HVDC系統送端換流器的短路和開路故障電氣特征，進而利用小波變換和神經網絡算法設計了送端換流器的故障診斷方案，但其分析完全基于仿真波形，分析結果受模型參數和故障時刻的影響較大，即普適性較低，而且所提故障診斷方案亦需依賴于大量的樣本數據，且無法實現雙橋臂IGBT開路故障的檢測。文獻[15]基于神經網絡對VSC-HVDC系統的交流側短路、直流線路短路、IGBT短路以及IGBT開路4類故障進行了診斷，但是該方法缺乏理論分析依據，且無法定位到具體的開路故障橋臂。因此，亟需從理論分析層面深入研究VSC-HVDC送端換流器IGBT開路故障特征，進而提出可檢測單橋臂和雙橋臂IGBT開路故障以及定位具體故障橋臂的送端換流器IGBT開路故障診斷算法。

本文以VSC-HVDC系統送端換流器IGBT為研究對象，推導2類單橋臂IGBT開路和4類雙橋臂IGBT開路故障的電壓殘差表達式，分析IGBT開路故障的電壓殘差特征，進而提出基于電壓殘差的送端換流器IGBT開路故障診斷方法，基于半實物實驗系統驗證所提方法的有效性。

1 VSC-HVDC系統送端換流器開關函數模型與殘差

1.1 送端換流器結構

圖1為VSC-HVDC系統送端換流器示意圖。

圖1 VSC-HVDC送端換流器拓撲圖Fig.1 Topology of VSC-HVDC rectifier side

圖中ia、ib與ic為換流器交流側三相電流；R和L分別為串聯電抗器等效電阻和電感；VTi(i=1～6)分別為換流器6個橋臂的IGBT開關管； VDi(i=1～6)分別為換流器6個橋臂的反并聯二極管；C1與C2為直流側支撐電容；Udc為直流側電壓。

1.2 送端換流器開關函數模型

令IGBT開關管VT1～VT6的狀態信號分別為S1～S6，Si=1和Si=0(i=1～6)分別表示VTi(i=1～6)狀態信號的有無；令δa、δb與δc分別表示換流器交流側A相、B相與C相電流ia、ib與ic的方向，當ik(k為a，b或c)為正方向時，δk=1，當ik為負方向時，δk=0；Sa、Sb與Sc分別為三相的開關函數值。以A相為例，考慮A相所連接的VT1與VT2所有可能的狀態信號和A相電流的方向，可得A相開關函數值和工作狀態的關系，見表1。

表1 A相開關函數值和工作狀態的關系Table 1 Relationship between switching function value and working state of phase A

B相、C相開關函數值和工作狀態的關系與A相類似，A相、B相和C相的開關函數表達式為：

(1)

當Sa、Sb或Sc為1時，uao、ubo或uco等于Udc；當Sa、Sb或Sc為0時，uao、ubo或uco等于0，即：

(2)

當送端換流器正常工作時，其交流側三相電壓uan、ubn與ucn可表示為：

(3)

1.3 基于開關函數的電壓殘差定義

定義各相電壓的計算值與實測值之間的差值為電壓殘差，結合式(1)與式(3)得到三相的電壓殘差Δua、Δub與Δuc為：

(4)

2 IGBT開路故障特征分析

2.1 單橋臂IGBT開路故障分析

2.1.1 上橋臂IGBT開路故障

(5)

將式(5)代入式(4)，可得三相電壓殘差為

(6)

由式(6)可知，當VT1發生開路故障后，若此時在ia<0且S1=1區間內，即在δa=0且S1=1區間內，A相、B相和C相電壓均存在殘差，其中A相的電壓殘差為2/3Udc，B相與C相的電壓殘差均為-1/3Udc；在其它區間內的三相電壓殘差均為0。

2.1.2 下橋臂IGBT開路故障

(7)

則此時三相電壓殘差為

(8)

由式(8)可知，當VT2發生開路故障后，若此時在ia>0且S2=1區間內，即在δa=1且S2=1區間內，A相電壓殘差為-2/3Udc，B相和C相的電壓殘差為1/3Udc。在其它區間內的三相電壓殘差均為0。

同理，B相和C相連接橋臂的IGBT開路故障的電壓殘差特征與A相類似。當上橋臂IGBT發生開路故障，該橋臂所在相的電壓殘差存在為2/3Udc的情況，其余兩相電壓殘差存在為-1/3Udc的情況；當下橋臂IGBT發生開路故障，該橋臂所在相的電壓殘差存在為-2/3Udc的情況，其余兩相的電壓殘差存在為1/3Udc的情況。在其它區間內的三相電壓殘差均為0。

2.2 雙橋臂IGBT開路故障分析

2.2.1 同相上下橋臂IGBT開路故障

(9)

將式(9)代入式(4)，得到三相電壓殘差為

(10)

由式(10)可知，當VT1與VT2發生開路故障后，在ia<0且S1=1的區間內，A相電壓殘差為2/3Udc，而B相和C相的電壓殘差為-1/3Udc；在ia>0，S2=1區間內，三相電壓也存在殘差，其中A相電壓殘差為-2/3Udc，B相與C相的電壓殘差為1/3Udc。在其它區間內的三相電壓殘差均為0。

2.2.2 異相上下橋臂IGBT開路故障

(11)

將式(11)代入式(4)，得到三相電壓殘差如下：

(12)

由式(12)可知，在VT1與VT4發生開路故障后，當ia<0且S1=1時，A相電壓殘差為2/3Udc，而B相和C相的電壓殘差均為-1/3Udc；當ib>0且S4=1時，B相電壓殘差為-2/3Udc，而A相與C相的電壓殘差均為1/3Udc。在故障疊加區間內，即當ia<0，S1=1且ib>0，S4=1時，A相電壓殘差為Udc，B相電壓殘差為-Udc，而C相電壓殘差為0。在其它區間內的三相電壓殘差均為0。

2.2.3 兩上橋臂IGBT開路故障

(13)

將式(13)代入式(4)，得到三相電壓殘差為

(14)

由上式可知，在VT1和VT3發生開路故障后，當ia<0且S1=1時，A相電壓殘差為2/3Udc，B相和C相電壓殘差為-1/3Udc；當ib<0且S3=1時，B相電壓殘差為2/3Udc，而A相和C相的電壓殘差為-1/3Udc。在故障疊加區間內，即ia<0，S1=1且ib<0，S3=1時，A相與B相的電壓殘差為1/3Udc，而C相電壓殘差為-2/3Udc。在其它區間內的三相電壓殘差均為0。

2.2.4 兩下橋臂IGBT開路故障

(15)

將式(15)代入式(4)，得到三相電壓殘差為：

(16)

在VT2與VT4發生開路故障后，當ia>0且S2=1時，A相電壓殘差為-2/3Udc，B相與C相的電壓殘差為1/3Udc；當ib>0且S4=1時，B相電壓殘差為-2/3Udc，A相和C相的電壓殘差為1/3Udc。在故障疊加區間內，即ia>0，S2=1且ib>0，S4=1時，A相與B相的電壓殘差為-1/3Udc，C相電壓殘差為2/3Udc。在其它區間內的三相電壓殘差均為0。

2.3 電壓殘差特征總結

根據以上分析，可總結2類單橋臂和4類雙橋臂IGBT開路故障在可檢測到殘差的故障檢測區間內的電壓殘差特征，見表2。由表2可知：

表2 IGBT開路故障的電壓殘差特征Table 2 Voltage residual characteristics of IGBT open-circuit faults

1)2類單橋臂IGBT開路、同相上下橋臂IGBT開路與異相上下橋臂IGBT開路故障特征為：故障上橋臂所在相的電壓殘差存在為2/3Udc或Udc的情況，即存在大于1/3Udc的情況，其它相的電壓殘差存在為1/3Udc、-1/3Udc、-2/3Udc、-Udc或0的情況，不存在大于1/3Udc的情況；而且，僅有故障下橋臂所在相的電壓殘差存在為-2/3Udc或-Udc的情況，即存在小于-1/3Udc的情況，其它相的電壓殘差存在為-1/3Udc、1/3Udc、2/3Udc、Udc或0的情況，不存在小于-1/3Udc的情況；

2)對于兩上橋臂或兩下橋臂IGBT開路故障，在非故障疊加區域，電壓殘差仍滿足以上情況，在故障疊加區域，非故障橋臂所在相的電壓殘差存在小于-1/3Udc或者大于1/3Udc的情況。

3 基于電壓殘差的故障診斷方法

3.1 故障診斷流程設計

基于電壓殘差特征，設計IGBT開路故障診斷的判據分別為：

Δum>krel×1/3Udc。

(17)

Δum

(18)

式中m為故障橋臂所在相。本文根據2.3節總結的電壓殘差特征，分別以1/3Udc和-1/3Udc為基準設計與m相連接的上橋臂IGBT開路和下橋臂IGBT開路故障的判斷閾值，且為了給故障診斷留有一定的判斷裕量，取可靠系數krel=1.5。

若式(17)成立，即Δum> 0.5Udc時，則判定與m相連接的上橋臂IGBT發生故障，設置該橋臂IGBT故障標志位由0跳變為1；若式(18)成立，即Δum< -0.5Udc時，則判定m相連接的下橋臂IGBT發生開路故障，設置該下橋臂IGBT故障標志位跳變為1。

對于兩上橋臂或兩下橋臂IGBT開路故障，如當VT1與VT3開路時，在非故障疊加區域，A相和B相電壓殘差為2/3Udc，大于0.5Udc；在故障疊加區域，C相電壓殘差為-2/3Udc，小于-0.5Udc。故VT1、VT3與VT6對應的三個故障標志均會跳變。為解決這一問題，在故障診斷流程中，計算故障標志跳變為1的個數N。若N<3，則將跳變為1的故障標志全部輸出，即判斷故障標志跳變為1的橋臂IGBT發生開路故障；否則僅輸出同為上橋臂或同為下橋臂的IGBT故障標志，即判斷同為上橋臂或同為下橋臂且故障標志跳變為1的兩橋臂IGBT發生開路故障。

基于以上思路，設計的基于電壓殘差的IGBT開路故障診斷流程如圖2所示。其中Δuk為k相電壓殘差，k為a，b或c。

圖2 IGBT開路故障診斷流程圖Fig.2 Diagram for IGBT open-circuit fault diagnosis

現有在電力系統故障檢測、診斷等方面的研究，為提高故障識別或者診斷的可靠性，一般取一定長度的時間窗進行故障檢測或者診斷[16]，因此在本文所提方法的診斷流程中，取2 ms的數據窗進行判斷，若在2 ms時間窗內有5個采樣點的電壓殘差大于0.5Udc或者小于-0.5Udc才允許相應的故障標志跳變。

3.2 故障診斷方案的可行性

以上方案中，取krel=1.5即取判斷閾值為0.5Udc和-0.5Udc可保證對故障判斷留有一定的判斷裕量，如當VT1與VT2發生開路故障后，由表2可知，A相電壓殘差存在為2/3Udc的情況，較判斷閾值0.5Udc大1/6Udc，則可判斷出VT1發生開路故障，其它相的電壓殘差最大的情況為1/3Udc，較0.5Udc小1/6Udc，故不會出現對其它上橋臂IGBT的故障誤判；且A相的電壓殘差存在為-2/3Udc，較判斷閾值-0.5Udc小1/6Udc，則可判斷出VT2發生開路故障，其它相的電壓殘差最小的情況為-1/3Udc，較-0.5Udc大1/6Udc，故不會出現對其它下橋臂IGBT的故障誤判。對其它類型的故障診斷也與之類似，判斷裕量至少為1/6Udc，本文不再贅訴。因此可知，當可靠系數krel取為1.5時，可為故障診斷留有1/6Udc的判斷裕量，即所提診斷方法具備一定的抗干擾能力。

此外，故障判斷閾值0.5Udc與-0.5Udc中的“Udc”為直流側電壓的實測值，即故障判斷閾值會隨“Udc”的變化而線性變化，而根據第2節的分析可知，在確定的開路故障條件下，電壓殘差與Udc之間的關系是確定的，故即使直流側電壓Udc受系統參數變化而變化，所提故障診斷方法仍能夠準確識別故障。

4 實驗驗證

為驗證所提診斷方法的可行性，基于TMS320F6748+FPGA+RTLAB半實物實驗系統搭建了VSC-HVDC系統。圖3為半實物實驗系統實物圖，包括DSP+FPGA控制器以及半實物實驗平臺(RT-LAB)。其中VSC-HVDC系統的送端(整流側)采用定有功功率和無功功率控制式；受端(逆變側)采用定無功功率和定直流電壓控制方式。系統的直流電壓等級為60 kV，采樣頻率為20 kHz。

圖3 半實物實驗系統Fig.3 Hardware-in-the-loop experiment system

4.1 故障診斷方法在無干擾下的驗證

4.1.1 單橋臂IGBT開路故障

1)上橋臂IGBT開路故障。

以VT1開路為例驗證診斷方法在上橋臂IGBT開路故障下的可行性，故障時刻為4 s，實驗結果如圖4示。VT1發生開路故障后，電壓計算值與實測值出現差異，A相電壓殘差存在大于閾值0.5Udc的情況，當在2 ms數據窗內A相電壓殘差有5個采樣點數值超過0.5Udc，VT1的故障標志F1跳變為1。

圖4 VT1開路故障診斷結果Fig.4 Diagnosis result of VT1 open-circuit fault

2)下橋臂IGBT開路故障。

以VT2開路為例驗證診斷方法在下橋臂IGBT開路故障下的可行性，故障時刻設為4 s，實驗結果如圖5示。當VT2發生開路故障后，A相電壓殘差存在小于閾值-0.5Udc的情況，VT2的故障標志F2跳變為1。

圖5 VT2開路故障診斷結果Fig.5 Diagnosis result of VT2 open-circuit fault

4.1.2 雙橋臂IGBT開路故障

1)同相上下橋臂IGBT開路故障。

以VT1與VT2開路為例驗證診斷方法在同相上下橋臂IGBT開路故障下的有效性，故障時刻為4 s，實驗結果如圖6示。VT1與VT2發生開路故障后，先出現A相電壓殘差小于-0.5Udc的情況，當在2 ms內A相電壓殘差有5個采樣點數值小于-0.5Udc后，VT2故障標志跳變為1。在半個周期之后出現A相電壓殘差大于0.5Udc的情況，則VT1故障標志跳變為1。診斷算法準確判定VT1與VT2發生故障。

圖6 VT1與VT2開路故障診斷結果Fig.6 Diagnosis result of VT1 and VT2 open-circuit fault

2)異相上下橋臂IGBT開路故障。

以VT1與VT4開路為例驗證診斷方法在異相上下橋臂IGBT開路故障下的可行性，故障時刻設為4 s，實驗結果如圖7示。由圖中結果可知，診斷算法能夠準確識別出VT1與VT4開路故障。

圖7 VT1與VT4開路故障診斷結果Fig.7 Diagnosis result of VT1 and VT4 open-circuit fault

3)兩上橋臂IGBT開路故障。

以VT1與VT3開路為例驗證診斷方法在兩上橋臂IGBT開路故障下的有效性，故障時刻設為4 s，實驗結果如圖8示。由圖中結果可知，VT1、VT3與VT6的故障標志發生跳變，此情況下，由于故障標志跳變為1的個數等于3，則根據圖2的診斷流程，僅輸出兩上橋臂VT1與VT3的故障標志。因而在兩上橋臂IGBT開路故障下，所提診斷算法仍能適用。

圖8 VT1與VT3開路故障診斷結果Fig.8 Diagnosis result of VT1 and VT3 open-circuit fault

4)兩下橋臂IGBT開路故障。

以VT1與VT4開路為例驗證診斷方法在兩下橋臂IGBT開路故障下的有效性，故障時刻設為4 s，實驗結果如圖9示。由圖可知，VT2、VT4與VT5的故障標志均跳變為1，根據診斷流程，此情況下，僅輸出兩下橋臂VT2與VT4的故障標志，即診斷方法準確判斷出VT2與VT4發生開路故障。

圖9 VT2與VT4開路故障診斷結果Fig.9 Diagnosis result of VT2 and VT4 open-circuit fault

4.2 故障診斷方法在有干擾下的適應性驗證

4.2.1 故障診斷方法在換流器直流側電壓變化時的適應性驗證

在VSC-HVDC系統中，其系統參數一般在確定后即不允許有較大改變。因此，現有文獻在研究VSC-HVDC系統動態變化對保護或者故障分析的研究時，一般考慮換流器直流側電壓波動不超過10%[5,17]。為此，本文以同相上下橋臂IGBT開路故障為例，對診斷方法在系統參數變化引起直流側電壓變化到90%和110%情況下的適應性進行了驗證，驗證結果如圖10與圖11所示。

圖10為在3.95 s時直流側電壓Udc由60 kV降至54 kV，在4 s時VT1與VT2發生開路故障的三相電壓殘差與判斷閾值情況。

圖10 Udc=54 kV，VT1與VT2開路故障時三相電壓殘差與判斷閾值情況Fig.10 Voltage residual and threshold of VT1 and VT2 open-circuit fault when Udc =54 kV

由圖10結果可知，在3.95 s直流側電壓降為90%時，判斷閾值0.5Udc和-0.5Udc也隨之變化，而且A相電壓殘差仍存在大于0.5Udc且小于-0.5Udc的情況，B相和C相電壓殘差均不滿足式(17)與式(18)所示的故障診斷判據，因此診斷方法能夠可靠診斷出發生的故障為VT1和VT2開路故障。

圖11為在3.95 s時直流側電壓Udc由60 kV上升至66 kV，在4 s時VT1與VT2發生開路故障的三相電壓殘差與判斷閾值情況。

圖11 Udc=66 kV，VT1與VT2開路故障時三相電壓殘差與判斷閾值情況Fig.11 Voltage residual and threshold of VT1 and VT2 open-circuit fault when Udc =66 kV

由圖11結果可知，在3.95 s直流側電壓上升至110%時，判斷閾值0.5Udc和-0.5Udc也隨之變化，而且A相電壓殘差存在大于0.5Udc且小于-0.5Udc的情況，B相和C相電壓殘差亦不滿足故障診斷判據，故診斷方法在此情況下，仍能夠準確診斷出發生的故障為VT1和VT2開路故障。

4.2.2 故障診斷方法在噪聲干擾下的驗證

本文以A相上下橋臂IGBT開路故障為例，在故障的測量信號中添加信噪比(SNR)為30 dB和20 dB噪聲，對所提方法進行了驗證，驗證結果分別如圖12與圖13所示。

圖12 SNR=30 dB，VT1與VT2開路故障時三相電壓殘差與判斷閾值情況Fig.12 Voltage residual and threshold of VT1 and VT2 open-circuit fault when SNR=30 dB

圖13 SNR=20 dB，VT1與VT2開路故障三相電壓殘差與判斷閾值情況Fig.13 Voltage residual and threshold of VT1 and VT2 open-circuit fault when SNR=20 dB

仿真結果表明，在加入噪聲后，三相電壓殘差和故障判斷閾值雖然會有所波動，但是即使在信噪比20 dB的噪聲干擾下，當VT1與VT2發生開路故障時，A相電壓殘差仍存在大于0.5Udc且存在小于-0.5Udc的情況，且其它相電壓殘差不滿足故障診斷判據，即所提故障診斷方法能夠可靠診斷出發生的故障為VT1與VT2開路故障。因此可知，所提診斷方法具有較高的抗噪聲干擾性能。

5 結 論

1)分析了單橋臂與雙橋臂IGBT開路故障的電壓殘差特征：當某相上橋臂IGBT發生開路故障時，其對應相的電壓殘差將存在大于1/3Udc的情況；當某相下橋臂IGBT發生開路故障時，其對應相的電壓殘差將存在小于-1/3Udc的情況。對于兩上橋臂或兩下橋臂IGBT開路，在非故障疊加區域，可等效2個IGBT分別發生開路故障，在故障疊加區域，未發生故障相的電壓存在小于-1/3Udc或者存在大于1/3Udc的情況。

2)設計了基于電壓殘差的IGBT開路故障診斷算法，當某相電壓殘差大于0.5Udc，該相上橋臂IGBT的故障標志由0跳變為1；當某相電壓殘差小于-0.5Udc，該相下橋臂IGBT的故障標志由0跳變為1。當故障標志跳變為1的個數小于3，則判斷故障標志跳變為1的橋臂IGBT發生開路故障，否則判斷同為上橋臂或同為下橋臂且故障標志跳變為1的橋臂IGBT發生開路故障。

3)對所提故障診斷方法進行了實驗驗證，實驗結果表明，所提方法能夠準確診斷出2類單橋臂和4類雙橋臂IGBT開路故障，且具有一定的抗直流側電壓變化與噪聲干擾的性能，具有一定的工程應用前景。