VSC-HVDC送端换流器IGBT开路故障诊断方法

靖永志， 廖珍贞， 龚倩文， 钱程， 彭涛， 张晨昊

(1.西南交通大学 磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室， 成都 611756；2.西南交通大学 电气工程学院，成都 611756)

0 引 言

基于电压源型换流器的输电(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)系统具有可实现有功无功独立控制、可向无源网络供电以及潮流反转方便可靠等优点[1-2]，在可再生能源并网、孤岛供电等领域具有广阔的应用前景[3-4]。换流器作为VSC-HVDC系统的核心设备，承担着交直流变换的重要功能，然而由于换流器长期工作在高功率和强电磁干扰的环境下，其核心组成元件IGBT开关管易发生开路故障。IGBT开路故障虽不会导致VSC-HVDC系统立即崩溃停运，但将引起系统的电压或者电流失真，导致正常的IGBT开关管或者换流站内其它设备过载，从而可能引发二次故障，严重时可能导致VSC-HVDC系统停运[5]。因此，有必要研究VSC-HVDC换流器IGBT的开路故障诊断算法，以提高对VSC-HVDC系统的运营维护效率，从而保障设备安全以及VSC-HVDC系统的可靠稳定运行。

国内外学者在IGBT开路故障诊断方面开展了大量的研究，文献[6-8]分别采用神经网络、支持向量机等人工智能算法对换流器IGBT的开路故障进行了诊断。但该类诊断算法的准确性依赖于大量的样本数据，而且计算复杂，计算成本较高，在线实现难度较大。为了克服人工智能算法在IGBT故障诊断方面的不足，文献[9]建立了逆变器-电机的混杂系统模型，实现了对电力机车牵引逆变器IGBT的开路故障诊断；文献[10]分析了IGBT开路故障的电流矢量的瞬时频率和瞬时角度特征，并基于此设计了三相逆变器IGBT的开路故障诊断算法；文献[11]与文献[12]分别基于单相两电平和单相三电平逆变器交流侧电流在IGBT开路故障前后的变化特征，提出了基于电流残差的单相逆变器IGBT开路故障诊断方法。以上方法基于对三相逆变器或者单相逆变器IGBT开路故障特征的分析，无需依赖于训练样本，诊断算法较为简单，为逆变器的故障诊断提供了良好的思路，但是上述诊断算法并不能直接应用于整流器。随着VSC-HVDC系统的发展，VSC型的三相整流器得到了较为广泛的应用，为了保障其运行维护的可靠性与高效性，则需要对VSC-HVDC系统送端换流器(整流器)IGBT的开路故障进行分析，进而提出适用于VSC-HVDC系统送端换流器IGBT开路故障的在线诊断方法。

目前，在VSC-HVDC系统送端换流器IGBT故障分析与诊断方法的研究方面已有一定的文献报道，文献[13-14]基于仿真波形分析了VSC-HVDC系统送端换流器的短路和开路故障电气特征，进而利用小波变换和神经网络算法设计了送端换流器的故障诊断方案，但其分析完全基于仿真波形，分析结果受模型参数和故障时刻的影响较大，即普适性较低，而且所提故障诊断方案亦需依赖于大量的样本数据，且无法实现双桥臂IGBT开路故障的检测。文献[15]基于神经网络对VSC-HVDC系统的交流侧短路、直流线路短路、IGBT短路以及IGBT开路4类故障进行了诊断，但是该方法缺乏理论分析依据，且无法定位到具体的开路故障桥臂。因此，亟需从理论分析层面深入研究VSC-HVDC送端换流器IGBT开路故障特征，进而提出可检测单桥臂和双桥臂IGBT开路故障以及定位具体故障桥臂的送端换流器IGBT开路故障诊断算法。

本文以VSC-HVDC系统送端换流器IGBT为研究对象，推导2类单桥臂IGBT开路和4类双桥臂IGBT开路故障的电压残差表达式，分析IGBT开路故障的电压残差特征，进而提出基于电压残差的送端换流器IGBT开路故障诊断方法，基于半实物实验系统验证所提方法的有效性。

1 VSC-HVDC系统送端换流器开关函数模型与残差

1.1 送端换流器结构

图1为VSC-HVDC系统送端换流器示意图。

图1 VSC-HVDC送端换流器拓扑图Fig.1 Topology of VSC-HVDC rectifier side

图中ia、ib与ic为换流器交流侧三相电流；R和L分别为串联电抗器等效电阻和电感；VTi(i=1～6)分别为换流器6个桥臂的IGBT开关管； VDi(i=1～6)分别为换流器6个桥臂的反并联二极管；C1与C2为直流侧支撑电容；Udc为直流侧电压。

1.2 送端换流器开关函数模型

令IGBT开关管VT1～VT6的状态信号分别为S1～S6，Si=1和Si=0(i=1～6)分别表示VTi(i=1～6)状态信号的有无；令δa、δb与δc分别表示换流器交流侧A相、B相与C相电流ia、ib与ic的方向，当ik(k为a，b或c)为正方向时，δk=1，当ik为负方向时，δk=0；Sa、Sb与Sc分别为三相的开关函数值。以A相为例，考虑A相所连接的VT1与VT2所有可能的状态信号和A相电流的方向，可得A相开关函数值和工作状态的关系，见表1。

表1 A相开关函数值和工作状态的关系Table 1 Relationship between switching function value and working state of phase A

B相、C相开关函数值和工作状态的关系与A相类似，A相、B相和C相的开关函数表达式为：

(1)

当Sa、Sb或Sc为1时，uao、ubo或uco等于Udc；当Sa、Sb或Sc为0时，uao、ubo或uco等于0，即：

(2)

当送端换流器正常工作时，其交流侧三相电压uan、ubn与ucn可表示为：

(3)

1.3 基于开关函数的电压残差定义

定义各相电压的计算值与实测值之间的差值为电压残差，结合式(1)与式(3)得到三相的电压残差Δua、Δub与Δuc为：

(4)

2 IGBT开路故障特征分析

2.1 单桥臂IGBT开路故障分析

2.1.1 上桥臂IGBT开路故障

(5)

将式(5)代入式(4)，可得三相电压残差为

(6)

由式(6)可知，当VT1发生开路故障后，若此时在ia<0且S1=1区间内，即在δa=0且S1=1区间内，A相、B相和C相电压均存在残差，其中A相的电压残差为2/3Udc，B相与C相的电压残差均为-1/3Udc；在其它区间内的三相电压残差均为0。

2.1.2 下桥臂IGBT开路故障

(7)

则此时三相电压残差为

(8)

由式(8)可知，当VT2发生开路故障后，若此时在ia>0且S2=1区间内，即在δa=1且S2=1区间内，A相电压残差为-2/3Udc，B相和C相的电压残差为1/3Udc。在其它区间内的三相电压残差均为0。

同理，B相和C相连接桥臂的IGBT开路故障的电压残差特征与A相类似。当上桥臂IGBT发生开路故障，该桥臂所在相的电压残差存在为2/3Udc的情况，其余两相电压残差存在为-1/3Udc的情况；当下桥臂IGBT发生开路故障，该桥臂所在相的电压残差存在为-2/3Udc的情况，其余两相的电压残差存在为1/3Udc的情况。在其它区间内的三相电压残差均为0。

2.2 双桥臂IGBT开路故障分析

2.2.1 同相上下桥臂IGBT开路故障

(9)

将式(9)代入式(4)，得到三相电压残差为

(10)

由式(10)可知，当VT1与VT2发生开路故障后，在ia<0且S1=1的区间内，A相电压残差为2/3Udc，而B相和C相的电压残差为-1/3Udc；在ia>0，S2=1区间内，三相电压也存在残差，其中A相电压残差为-2/3Udc，B相与C相的电压残差为1/3Udc。在其它区间内的三相电压残差均为0。

2.2.2 异相上下桥臂IGBT开路故障

(11)

将式(11)代入式(4)，得到三相电压残差如下：

(12)

由式(12)可知，在VT1与VT4发生开路故障后，当ia<0且S1=1时，A相电压残差为2/3Udc，而B相和C相的电压残差均为-1/3Udc；当ib>0且S4=1时，B相电压残差为-2/3Udc，而A相与C相的电压残差均为1/3Udc。在故障叠加区间内，即当ia<0，S1=1且ib>0，S4=1时，A相电压残差为Udc，B相电压残差为-Udc，而C相电压残差为0。在其它区间内的三相电压残差均为0。

2.2.3 两上桥臂IGBT开路故障

(13)

将式(13)代入式(4)，得到三相电压残差为

(14)

由上式可知，在VT1和VT3发生开路故障后，当ia<0且S1=1时，A相电压残差为2/3Udc，B相和C相电压残差为-1/3Udc；当ib<0且S3=1时，B相电压残差为2/3Udc，而A相和C相的电压残差为-1/3Udc。在故障叠加区间内，即ia<0，S1=1且ib<0，S3=1时，A相与B相的电压残差为1/3Udc，而C相电压残差为-2/3Udc。在其它区间内的三相电压残差均为0。

2.2.4 两下桥臂IGBT开路故障

(15)

将式(15)代入式(4)，得到三相电压残差为：

(16)

在VT2与VT4发生开路故障后，当ia>0且S2=1时，A相电压残差为-2/3Udc，B相与C相的电压残差为1/3Udc；当ib>0且S4=1时，B相电压残差为-2/3Udc，A相和C相的电压残差为1/3Udc。在故障叠加区间内，即ia>0，S2=1且ib>0，S4=1时，A相与B相的电压残差为-1/3Udc，C相电压残差为2/3Udc。在其它区间内的三相电压残差均为0。

2.3 电压残差特征总结

根据以上分析，可总结2类单桥臂和4类双桥臂IGBT开路故障在可检测到残差的故障检测区间内的电压残差特征，见表2。由表2可知：

表2 IGBT开路故障的电压残差特征Table 2 Voltage residual characteristics of IGBT open-circuit faults

1)2类单桥臂IGBT开路、同相上下桥臂IGBT开路与异相上下桥臂IGBT开路故障特征为：故障上桥臂所在相的电压残差存在为2/3Udc或Udc的情况，即存在大于1/3Udc的情况，其它相的电压残差存在为1/3Udc、-1/3Udc、-2/3Udc、-Udc或0的情况，不存在大于1/3Udc的情况；而且，仅有故障下桥臂所在相的电压残差存在为-2/3Udc或-Udc的情况，即存在小于-1/3Udc的情况，其它相的电压残差存在为-1/3Udc、1/3Udc、2/3Udc、Udc或0的情况，不存在小于-1/3Udc的情况；

2)对于两上桥臂或两下桥臂IGBT开路故障，在非故障叠加区域，电压残差仍满足以上情况，在故障叠加区域，非故障桥臂所在相的电压残差存在小于-1/3Udc或者大于1/3Udc的情况。

3 基于电压残差的故障诊断方法

3.1 故障诊断流程设计

基于电压残差特征，设计IGBT开路故障诊断的判据分别为：

Δum>krel×1/3Udc。

(17)

Δum

(18)

式中m为故障桥臂所在相。本文根据2.3节总结的电压残差特征，分别以1/3Udc和-1/3Udc为基准设计与m相连接的上桥臂IGBT开路和下桥臂IGBT开路故障的判断阈值，且为了给故障诊断留有一定的判断裕量，取可靠系数krel=1.5。

若式(17)成立，即Δum> 0.5Udc时，则判定与m相连接的上桥臂IGBT发生故障，设置该桥臂IGBT故障标志位由0跳变为1；若式(18)成立，即Δum< -0.5Udc时，则判定m相连接的下桥臂IGBT发生开路故障，设置该下桥臂IGBT故障标志位跳变为1。

对于两上桥臂或两下桥臂IGBT开路故障，如当VT1与VT3开路时，在非故障叠加区域，A相和B相电压残差为2/3Udc，大于0.5Udc；在故障叠加区域，C相电压残差为-2/3Udc，小于-0.5Udc。故VT1、VT3与VT6对应的三个故障标志均会跳变。为解决这一问题，在故障诊断流程中，计算故障标志跳变为1的个数N。若N<3，则将跳变为1的故障标志全部输出，即判断故障标志跳变为1的桥臂IGBT发生开路故障；否则仅输出同为上桥臂或同为下桥臂的IGBT故障标志，即判断同为上桥臂或同为下桥臂且故障标志跳变为1的两桥臂IGBT发生开路故障。

基于以上思路，设计的基于电压残差的IGBT开路故障诊断流程如图2所示。其中Δuk为k相电压残差，k为a，b或c。

图2 IGBT开路故障诊断流程图Fig.2 Diagram for IGBT open-circuit fault diagnosis

现有在电力系统故障检测、诊断等方面的研究，为提高故障识别或者诊断的可靠性，一般取一定长度的时间窗进行故障检测或者诊断[16]，因此在本文所提方法的诊断流程中，取2 ms的数据窗进行判断，若在2 ms时间窗内有5个采样点的电压残差大于0.5Udc或者小于-0.5Udc才允许相应的故障标志跳变。

3.2 故障诊断方案的可行性

以上方案中，取krel=1.5即取判断阈值为0.5Udc和-0.5Udc可保证对故障判断留有一定的判断裕量，如当VT1与VT2发生开路故障后，由表2可知，A相电压残差存在为2/3Udc的情况，较判断阈值0.5Udc大1/6Udc，则可判断出VT1发生开路故障，其它相的电压残差最大的情况为1/3Udc，较0.5Udc小1/6Udc，故不会出现对其它上桥臂IGBT的故障误判；且A相的电压残差存在为-2/3Udc，较判断阈值-0.5Udc小1/6Udc，则可判断出VT2发生开路故障，其它相的电压残差最小的情况为-1/3Udc，较-0.5Udc大1/6Udc，故不会出现对其它下桥臂IGBT的故障误判。对其它类型的故障诊断也与之类似，判断裕量至少为1/6Udc，本文不再赘诉。因此可知，当可靠系数krel取为1.5时，可为故障诊断留有1/6Udc的判断裕量，即所提诊断方法具备一定的抗干扰能力。

此外，故障判断阈值0.5Udc与-0.5Udc中的“Udc”为直流侧电压的实测值，即故障判断阈值会随“Udc”的变化而线性变化，而根据第2节的分析可知，在确定的开路故障条件下，电压残差与Udc之间的关系是确定的，故即使直流侧电压Udc受系统参数变化而变化，所提故障诊断方法仍能够准确识别故障。

4 实验验证

为验证所提诊断方法的可行性，基于TMS320F6748+FPGA+RTLAB半实物实验系统搭建了VSC-HVDC系统。图3为半实物实验系统实物图，包括DSP+FPGA控制器以及半实物实验平台(RT-LAB)。其中VSC-HVDC系统的送端(整流侧)采用定有功功率和无功功率控制式；受端(逆变侧)采用定无功功率和定直流电压控制方式。系统的直流电压等级为60 kV，采样频率为20 kHz。

图3 半实物实验系统Fig.3 Hardware-in-the-loop experiment system

4.1 故障诊断方法在无干扰下的验证

4.1.1 单桥臂IGBT开路故障

1)上桥臂IGBT开路故障。

以VT1开路为例验证诊断方法在上桥臂IGBT开路故障下的可行性，故障时刻为4 s，实验结果如图4示。VT1发生开路故障后，电压计算值与实测值出现差异，A相电压残差存在大于阈值0.5Udc的情况，当在2 ms数据窗内A相电压残差有5个采样点数值超过0.5Udc，VT1的故障标志F1跳变为1。

图4 VT1开路故障诊断结果Fig.4 Diagnosis result of VT1 open-circuit fault

2)下桥臂IGBT开路故障。

以VT2开路为例验证诊断方法在下桥臂IGBT开路故障下的可行性，故障时刻设为4 s，实验结果如图5示。当VT2发生开路故障后，A相电压残差存在小于阈值-0.5Udc的情况，VT2的故障标志F2跳变为1。

图5 VT2开路故障诊断结果Fig.5 Diagnosis result of VT2 open-circuit fault

4.1.2 双桥臂IGBT开路故障

1)同相上下桥臂IGBT开路故障。

以VT1与VT2开路为例验证诊断方法在同相上下桥臂IGBT开路故障下的有效性，故障时刻为4 s，实验结果如图6示。VT1与VT2发生开路故障后，先出现A相电压残差小于-0.5Udc的情况，当在2 ms内A相电压残差有5个采样点数值小于-0.5Udc后，VT2故障标志跳变为1。在半个周期之后出现A相电压残差大于0.5Udc的情况，则VT1故障标志跳变为1。诊断算法准确判定VT1与VT2发生故障。

图6 VT1与VT2开路故障诊断结果Fig.6 Diagnosis result of VT1 and VT2 open-circuit fault

2)异相上下桥臂IGBT开路故障。

以VT1与VT4开路为例验证诊断方法在异相上下桥臂IGBT开路故障下的可行性，故障时刻设为4 s，实验结果如图7示。由图中结果可知，诊断算法能够准确识别出VT1与VT4开路故障。

图7 VT1与VT4开路故障诊断结果Fig.7 Diagnosis result of VT1 and VT4 open-circuit fault

3)两上桥臂IGBT开路故障。

以VT1与VT3开路为例验证诊断方法在两上桥臂IGBT开路故障下的有效性，故障时刻设为4 s，实验结果如图8示。由图中结果可知，VT1、VT3与VT6的故障标志发生跳变，此情况下，由于故障标志跳变为1的个数等于3，则根据图2的诊断流程，仅输出两上桥臂VT1与VT3的故障标志。因而在两上桥臂IGBT开路故障下，所提诊断算法仍能适用。

图8 VT1与VT3开路故障诊断结果Fig.8 Diagnosis result of VT1 and VT3 open-circuit fault

4)两下桥臂IGBT开路故障。

以VT1与VT4开路为例验证诊断方法在两下桥臂IGBT开路故障下的有效性，故障时刻设为4 s，实验结果如图9示。由图可知，VT2、VT4与VT5的故障标志均跳变为1，根据诊断流程，此情况下，仅输出两下桥臂VT2与VT4的故障标志，即诊断方法准确判断出VT2与VT4发生开路故障。

图9 VT2与VT4开路故障诊断结果Fig.9 Diagnosis result of VT2 and VT4 open-circuit fault

4.2 故障诊断方法在有干扰下的适应性验证

4.2.1 故障诊断方法在换流器直流侧电压变化时的适应性验证

在VSC-HVDC系统中，其系统参数一般在确定后即不允许有较大改变。因此，现有文献在研究VSC-HVDC系统动态变化对保护或者故障分析的研究时，一般考虑换流器直流侧电压波动不超过10%[5,17]。为此，本文以同相上下桥臂IGBT开路故障为例，对诊断方法在系统参数变化引起直流侧电压变化到90%和110%情况下的适应性进行了验证，验证结果如图10与图11所示。

图10为在3.95 s时直流侧电压Udc由60 kV降至54 kV，在4 s时VT1与VT2发生开路故障的三相电压残差与判断阈值情况。

图10 Udc=54 kV，VT1与VT2开路故障时三相电压残差与判断阈值情况Fig.10 Voltage residual and threshold of VT1 and VT2 open-circuit fault when Udc =54 kV

由图10结果可知，在3.95 s直流侧电压降为90%时，判断阈值0.5Udc和-0.5Udc也随之变化，而且A相电压残差仍存在大于0.5Udc且小于-0.5Udc的情况，B相和C相电压残差均不满足式(17)与式(18)所示的故障诊断判据，因此诊断方法能够可靠诊断出发生的故障为VT1和VT2开路故障。

图11为在3.95 s时直流侧电压Udc由60 kV上升至66 kV，在4 s时VT1与VT2发生开路故障的三相电压残差与判断阈值情况。

图11 Udc=66 kV，VT1与VT2开路故障时三相电压残差与判断阈值情况Fig.11 Voltage residual and threshold of VT1 and VT2 open-circuit fault when Udc =66 kV

由图11结果可知，在3.95 s直流侧电压上升至110%时，判断阈值0.5Udc和-0.5Udc也随之变化，而且A相电压残差存在大于0.5Udc且小于-0.5Udc的情况，B相和C相电压残差亦不满足故障诊断判据，故诊断方法在此情况下，仍能够准确诊断出发生的故障为VT1和VT2开路故障。

4.2.2 故障诊断方法在噪声干扰下的验证

本文以A相上下桥臂IGBT开路故障为例，在故障的测量信号中添加信噪比(SNR)为30 dB和20 dB噪声，对所提方法进行了验证，验证结果分别如图12与图13所示。

图12 SNR=30 dB，VT1与VT2开路故障时三相电压残差与判断阈值情况Fig.12 Voltage residual and threshold of VT1 and VT2 open-circuit fault when SNR=30 dB

图13 SNR=20 dB，VT1与VT2开路故障三相电压残差与判断阈值情况Fig.13 Voltage residual and threshold of VT1 and VT2 open-circuit fault when SNR=20 dB

仿真结果表明，在加入噪声后，三相电压残差和故障判断阈值虽然会有所波动，但是即使在信噪比20 dB的噪声干扰下，当VT1与VT2发生开路故障时，A相电压残差仍存在大于0.5Udc且存在小于-0.5Udc的情况，且其它相电压残差不满足故障诊断判据，即所提故障诊断方法能够可靠诊断出发生的故障为VT1与VT2开路故障。因此可知，所提诊断方法具有较高的抗噪声干扰性能。

5 结 论

1)分析了单桥臂与双桥臂IGBT开路故障的电压残差特征：当某相上桥臂IGBT发生开路故障时，其对应相的电压残差将存在大于1/3Udc的情况；当某相下桥臂IGBT发生开路故障时，其对应相的电压残差将存在小于-1/3Udc的情况。对于两上桥臂或两下桥臂IGBT开路，在非故障叠加区域，可等效2个IGBT分别发生开路故障，在故障叠加区域，未发生故障相的电压存在小于-1/3Udc或者存在大于1/3Udc的情况。

2)设计了基于电压残差的IGBT开路故障诊断算法，当某相电压残差大于0.5Udc，该相上桥臂IGBT的故障标志由0跳变为1；当某相电压残差小于-0.5Udc，该相下桥臂IGBT的故障标志由0跳变为1。当故障标志跳变为1的个数小于3，则判断故障标志跳变为1的桥臂IGBT发生开路故障，否则判断同为上桥臂或同为下桥臂且故障标志跳变为1的桥臂IGBT发生开路故障。

3)对所提故障诊断方法进行了实验验证，实验结果表明，所提方法能够准确诊断出2类单桥臂和4类双桥臂IGBT开路故障，且具有一定的抗直流侧电压变化与噪声干扰的性能，具有一定的工程应用前景。