柔性直流输电系统中IGBT 阀的故障诊断方法

孙晓云 同向前 高 鑫

（1.西安理工大学自动化与信息工程学院 西安 710048 2.西安科技大学通信与信息工程学院 西安 710054 3.国家电网公司西北分部 西安 710048）

1 引言

柔性直流输电系统（Voltage Source Converters Based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC）是应绿色电网、新能源发电并网要求而发展起来的一种新型直流输电技术。以自关断器件IGBT 构成电压源型换流器，结合脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术，可实现系统有功、无功功率的独立控制，无需额外滤波装置，具有设备功率密度高、结构紧凑等优点。VSC-HVDC 由电压源换流站（VSC）、交流系统和直流输电系统三部分构成。当柔性直流输电任何一部分出现故障时，构成系统的各个设备或组件都可能承受过电压、过电流、过热等不正常应力，如果未及时诊断故障、采取有效保护措施，严重情况下会损坏电压源换流站中最为昂贵的全控电力电子器件或其他重要部件，由此造成柔性直流输电系统不能快速恢复运行，给用户造成更大的经济损失[1]。因此快速准确地查找故障位置，进而采取合理的策略保护整个系统意义重大。

作为VSC-HVDC 系统实现交直流变换的关键器件，IGBT 阀体故障尤为值得关注。根据不同的失效后果，可将IGBT 阀故障分为短路失效故障和开路失效故障[2-5]。IGBT 阀短路失效故障主要由误驱动、过电压击穿和热击穿所导致，若阀串联组件中的某个开关管发生短路失效故障，通过串联器件的冗余可得到暂时性的解决。IGBT 阀开路失效故障主要是由于器件烧毁或因触发脉冲丢失导致整个阀臂无法开通，若发生IGBT 阀开路失效故障，会导致换流器的异常运行。因此，准确识别换流器的阀开路失效位置至关重要。

目前，国内外在柔性直流输电技术领域研究的热点主要集中在VSC-HVDC 的数学模型、运行特性、控制策略和保护方式等方面[6-10]，对于 VSCHVDC 系统故障类型的诊断研究较少[11,12]，关于IGBT 阀故障诊断方面的研究鲜有论述。

本文主要研究了柔性直流输电系统中IGBT 阀开路失效的故障诊断问题。首先仿真分析了 VSCHVDC 系统在IGBT 阀开路失效故障时的电流响应特性，研究了系统传输功率突变对网侧交流电流波形的影响，利用短时傅里叶变换提取故障电流特征，提出一种基于故障电流特征的运算简便快速的故障元件定位策略，结果验证了该算法能快速准确地确定故障位置，并能有效避免因系统传输功率突变而引起的误诊断问题。

2 IGBT 阀开路失效时的电流响应特性

两电平VSC-HVDC 系统拓扑图及各物理量的参考方向如图1 所示。设图中左侧的换流站为送端站，右侧的换流站为受端站，相应的物理量分别以下标“1”和“2”表示。为分析方便，假设三相主电路参数完全相同，串联电抗器等效电阻和电感分别为R和L，直流电容器等效电容为C，直流输电线路等效电阻和电感分别为Rd和Ld。

图1 VSC-HVDC 系统拓扑图Fig.1 The topology of VSC-HVDC system

以送端IGBT 阀VT11发生开路失效故障为例，分析柔性直流输电系统的三相交流电流响应特性。

（1）当ia1＞0 时，若VT11正常工作，电流ia1经过两个路径形成通路。在VT11关断、VT12导通时，ia1通过VT12正向续流；在VT11导通、VT12关断时，ia1通过VD11正向续流。在ia1＞0 的整个区间VT11不参与电路运行，VT11故障不影响电路拓扑状态，电流ia1、ib1、ic1波形没有畸变。

（2）当ia1＜0 时，若VT11正常工作，电流ia1经过两个路径形成通路。在VT11关断、VT12导通时，ia1通过VD12形成通路反向续流；在VT11导通、VT12关断时，ia1通过VT11形成通路反向续流。若VT11发生开路故障，在VT11关断、VT12导通时，ia1通过VD12反向续流，VT11故障不影响电路拓扑状态；在VT11导通、VT12关断时，因VT11的故障，ia1不能通过VT11反向续流，此时由于电感L1电流不能突变，VD12立即导通，ia1通过VD12反向续流。这样，在ia1＜0 的整个区间，VD12一直导通。

基于PSCAD/EMTDC 软件建立系统仿真模型，仿真条件为:交流系统线电压为10kV；直流侧额定电压为20kV；交流侧滤波电感为10mH；直流侧电容为500μF；采用背靠背运行方式，系统采取幅相控制策略，送端换流器采用定有功功率、定无功功率的控制方式，受端换流器采用定直流电压、定无功功率的控制方式；仿真过程中有功功率设定为5MW，送端和受端的无功功率设定值均为2Mvar。图2 给出了VT11在5.005s 发生开路故障时的交流电流及直流侧电压波形。

图2 故障信号波形（ia1＞0,VT11阀故障）Fig.2 Fault signal waveforms（ia1＞0,breakdown of VT11）

由图2 可知，在ia1＞0 时，VT11发生开路故障，因VT11开路不影响电路拓扑状态，ia1在故障后的第一个正半周，送端交流电流波形未改变，系统仍正常运行；当ia1出现过零点后，IGBT 开路故障改变了电路拓扑状态，送端三相交流电流ia1、ib1、ic1都出现了直流分量。观察图2 发现，VT11开路故障后，送端A 相电流ia1波形只有正半周，未出现从正半周转换到负半周的状况，原因是当电流ia1从大于0的区间过渡到0 之后，因VT11故障且VD12处于截止状态，未形成ia1＜0 的电流回路，从而送端A 相电流只有正半周波形。

从图2 还看出，送端换流器发生IGBT 阀开路故障后，受端换流器三相交流电流ia2、ib2、ic2也出现了直流分量；且直流电压udc2出现了基频波动，波动幅度达到额定值的3%。可从频谱分析的角度分析该现象:送端故障相电流的直流分量和二次谐波电流及非故障相电流的直流分量，通过PWM 调制在直流电流中产生基频波动；直流电流的基频波动通过直流电容器的充放电将引起直流电压基频波动；直流电压的基频波动再通过PWM 的调制，引起受端电压交流侧输出直流分量和二次谐波分量，进而导致三相交流电流产生了直流分量和二次谐波分量，由于受端电感的滤波作用，受端交流电流的二次谐波分量的幅值很小。

如果 VSC-HVDC 系统受端换流器的上桥臂IGBT 阀出现开路失效故障，受端故障相电流也会出现畸变，在一个工频周期只有正半周，而该侧另两相交流电流包含直流分量；同时受端换流器的故障会导致直流侧电压出现基频波动，进一步影响到送端换流器，使其三相交流电流也出现直流分量。系统受端发生 IGBT 的开路故障特性与送端发生IGBT 的开路故障特性基本相同，因篇幅所限，本文没有给出受端IGBT 阀开路失效故障时的仿真结果。

3 基于标幺化直流分量的故障诊断方法

由上述器件开路故障时的电流响应特性可见，当系统的上桥臂器件发生故障，该故障相电流只有正半周，直流分量大于零，当系统的下桥臂器件发生故障，该故障相电流只有负半周，直流分量小于零。依据这种故障运行特性，以交流侧三相电流的直流分量为故障诊断变量，判断系统是否发生开路故障，并确定故障所在位置。

设x(n)为VSC-HVDC 网侧送端（受端）任意一相电流信号的采样值，N为交流电流基波信号一个周期的采样点数。以式（1）实时计算信号的直流分量，再用式（2）实时计算信号的绝对值直流分量，最后标幺化处理交流电流的直流分量，得到故障诊断变量如式（3）所示。

如果VSC-HVDC 系统正常运行，网侧交流电流信号只有基波分量，故障诊断变量E(n) 约为0。当系统一侧换流器出现IGBT 阀开路失效时，若上桥臂故障，该故障相的诊断变量为1，若下桥臂故障，该故障相的诊断变量为-1；因交流侧采用三相三线制，三相交流电流中的直流分量之和为零，该侧非故障相电流直流分量大小约为故障相的一半，标幺化处理后的非故障相诊断变量范围在（0，±d1）（d1＜1）。而对于没有故障的另一侧换流器来说，由于受到故障的影响，三相电流均出现直流分量，但该侧每一相交流电流在一个周期内既有正的幅值也有负的幅值，标幺化处理的诊断变量范围在（0，±d2）（d2＜1）。图3 给出了交流电流故障诊断变量范围d1、d2随参数I/IN（I为交流电流有效值，IN为额定电流有效值）变化的曲线，由图3 可看出故障诊断变量的幅值范围基本不受电流幅值的影响，d1约为0.8，d2约为0.91。所以交流侧的故障诊断变量E(n)是十分可靠的诊断变量，仅依据系统送端（受端）交流电流诊断变量E(n)的大小，就能够正确判别故障IGBT 的所在位置。

图3 参数d1、d2与I/IN的关系Fig.3 The relationship between I/INand d1,d2

4 故障诊断方法的改进

VSC-HVDC 系统灵活运行，通过改变有功功率、无功功率参数可快速调整传输功率。若有功功率、无功功率参数突然改变时，在控制策略的作用下系统动态调整，出现暂态运行状况，其网侧交流电流会发生改变。如图4 所示，3.5s 时系统发送端传输功率从-4MW、-2.5Mvar 突变为 4MW、-2.5Mvar，系统传输功率突变，出现潮流反转的情况，系统动态调整时间长，在一段时间内（＞20ms）送端电流幅值一直大于零或一直小于零，该侧交流电流的故障相诊断变量E(n) 为±1，因此，如果仅依赖E(n) 则会出现错误的诊断结果，必须对诊断方法进行改进。

图4 潮流反转时电流波形Fig.4 The AC current of power flow inversion

在信号时频分析中，短时傅里叶变换是研究非平稳信号广泛使用的方法[13,14]，基本思想是使用一个随时间滑动的分析窗对非平稳信号进行加窗截断处理，将非平稳信号分解成一系列近似平稳的短时信号，然后用傅里叶变换理论分析各短时平稳信号的频谱，从而将时域和频域综合起来描述观察信号的时频联合特征，构成信号的时频谱。因为VSC-HVDC 系统传输功率经常改变，系统网侧交流电流是随时间变化的非平稳信号，其频谱特性也随时间的变化而变化。因此利用短时傅里叶变换滑动分析网侧交流电流，提取出有效特征，以此特征作为辅助的故障诊断变量，判断系统是否处在传输功率突变的暂态运行过程，从而避免因系统传输功率突变引起的误诊断问题。

定义一个时域离散信号x(n)(n=0,1,…,L) 的短时傅里叶变换[13]为

式中，g(m)为窗函数；ω为连续频率变量。

设x(n) 为送端（受端）任意一相电流信号的采样值，若信号基波周期的采样点数为N（L≥N），选取窗函数g(m) 为矩形窗序列RN(m)，利用N点离散傅里叶变换计算交流电流x(n) 的短时傅里叶变换，实时分析计算x(n)在（n，n+N-1）区间内频谱特性，信号第n+N-1 点基波分量为

信号x(n) 第n+N点基波分量为

式（6）中，令m+1=m'，进一步得到

若系统稳定运行，网侧交流电流x(n) 是周期为N的周期序列，对信号在任意周期的求和结果相同，将式（7）的求和区间改在主值区间，推出

从式（8）看到，若系统稳定运行时，网侧交流电流x(n) 第n+N点与第n+N-1 点的基波相位差为2π/N。

由上述分析推导看出，如果系统稳定运行，交流电流x(n)前后两点的基波相位差为2π/N，而系统传输功率突变时，任一相交流电流x(n) 前后两点的基波相位差就会出现较大变化。因此，本文依据网侧交流电流的基波分量相位差判定系统是否处于稳定运行状态。首先根据式（5）、式（6）的定义，用式（9）计算交流电流第n+N-1 点基波相位θ(n+N-1)，用式（10）计算交流电流第n+N点基波相位θ(n+N)，然后用式（11）计算得到交流电流基波分量前后两点间的相位差β(n+N)，最后用式（12）确定系统的运行状态。如果网侧送端（受端）三相交流电流的相位差β(n+N) 在给定范围内，相位差诊断变量P(n+N) 全部都是1，认为系统此刻处于稳定运行，否则判定系统处于传输功率突变的暂态运行。

式（12）中，选取门限值β1、β2，考虑到系统出现IGBT 阀开路故障时，尽管基波相位差幅值会出现小幅度变化，但仍需被判定为稳定运行状态，所以根据IGBT 阀开路故障情况下故障相电流基波相位差出现波动的范围，选取门限经验值β1约为β2约为

根据前面仿真结果得知，当系统出现传输功率突变的情况时，系统动态调整时间长，如果仅依赖标幺化直流分量E(n)易出现错误诊断现象。为此增加基波电流相位差P(n)作为故障诊断辅助变量，判断系统是否处在传输功率突变的暂态运行，从而避免误诊、提高故障诊断的准确度。综上所提出的故障定位方法流程如下:首先用式（9）～式（12）实时计算网侧送端（受端）交流电流的故障诊断变量Pai、Pbi、Pci(i=1,2)，如果网侧送端（受端）任一相交流电流的相位差诊断变量不等于1，判定系统处于传输功率的突变过程中；如果网侧送端（受端）三相交流电流的相位差故障诊断变量均为1，判定系统不是处于传输功率突变过程中，然后再用式（1）～式（3）计算网侧送端（受端）交流电流的故障诊断变量Eai、Ebi、Eci(i=1,2)，确定IGBT 阀的故障位置。考虑到图3 给出的非故障相故障诊断变量E(n)范围及实际系统运行噪声的影响，设阈值δ=0.96，故障诊断变量Eai、Ebi、Eci(i=1,2) 和Pai、Pbi、Pci(i=1，2) 与IGBT 阀故障位置的对应关系见下表。

5 诊断方法的仿真验证

为验证上述故障诊断方法在柔性直流输电系统运行过程中的准确性和可靠性，搭建仿真模型进行验证。仿真过程中模拟柔性直流输电系统传输功率的突变过程，VSC-HVDC 系统在3.5s 时出现潮流反转，发送端传输功率参数从-5MW、-3Mvar 突变为5MW、-3Mvar，3.8s 时送端电压换流器的IGBT 阀VT13发生失效开路故障，仿真结果如图5～图8 所示。

表 故障诊断变量与IGBT 故障元件的对应关系Tab. The relationship between IGBT fault and diagnosis variables

图5 送端换流器仿真结果Fig.5 The simulation results of sending end

图6 受端换流器仿真结果Fig.6 The simulation results of receiving end

图7 基于标幺化直流分量的故障诊断结果Fig.7 Diagnosis results based on per-unit DC component

图8 基于改进标幺化直流分量的故障诊断结果Fig.8 Diagnosis results based on modified per-unit DC component

图5 给出了VSC-HVDC 的送端换流器的仿真结果，由图5 可以看出当系统出现潮流反转时，网侧交流电流动态调整时间长，送端电流波形在一段时间内（＞20ms）只有正幅值（或负幅值）。由送端三相电流的标幺化直流量Ea1、Eb1、Ec1及基波信号相位差角度βa1、βb1、βc1可看到，因交流电流动态调整时间长，送端电流标幺化直流量约在3.55s时为±1，相应基波信号的相位差角度发生很大变化，不再是稳定运行时的（采样周期N=100），而远远超过阈值设定范围图6 给出了受端换流器的仿真结果，由受端电流的标幺化直流量Ea2、Eb2、Ec2及基波信号相位差角度βa2、βb2、βc2可看出，当系统出现潮流反转时，受端电流波形受到影响出现波动，基波信号的相位差角度也出现较大变化，但标幺化直流量依然在（0,±0.91）范围内。

基于标幺化直流分量的故障诊断结果如图7 所示，由图7 可以看出，只依靠标幺化直流分量作为故障诊断变量，在系统出现潮流反转的动态调整时期，系统送端故障标志出现了错误信息，表明该方法发生错误诊断结果。

基于改进的标幺化直流分量方法的故障定位结果如图8 所示，由图8 可以看到，在系统潮流反转的动态调整时期，系统送端故障标志未出现错误定位信息，3.812s 时送端故障标志突变，表明IGBT 阀VT13出现开路故障。该方法约需12ms 方能正确诊断故障IGBT 的位置。

在本文提出的诊断方法中，诊断所用时间与系统故障时刻所在相电流的相角有关，其诊断时间具有非线性。图9 给出了IGBT 阀VT13发生故障时，诊断时间随故障时刻所在相电流相角γ(0～2π) 的变化曲线，由图9 可以看出，本文提出的算法可在23ms 以内定位出IGBT 故障位置。

图9 相角γ 与诊断时间的关系Fig.9 The relationship between γ and diagnosis time

6 结论

（1）当电压源换流器某相上桥臂IGBT 阀发生开路失效故障时，该相交流电流只有正半周，负半周电流为零；当下桥臂IGBT 阀发生开路失效故障时，该相交流电流只有负半周，正半周电流为零。

（2）若VSC-HVDC 任一侧换流器发生IGBT 阀开路失效故障时，两侧换流器的三相交流电流均会出现直流电流分量，但故障相电流具有最大直流分量。

（3）若VSC-HVDC 任一侧换流器发生IGBT 阀开路失效故障时，在直流电压中一定包含基频波动分量。

（4）以网侧交流电流的基波信号相位差和标幺化直流量作为诊断变量，能够快速准确诊断出IGBT阀故障，并能避免因传输功率突变而引起的误诊断现象。

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