电力电子变压器故障下的运行策略

周 柯 ，涂春鸣 ，高立克 ，兰 征 ，刘 鹏 ，胡洋凯

（1.广西电网公司电力科学研究院，南宁 530023；2.湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082）

引言

近年来，电力电子变换技术发展迅速，在电力系统中的最新运用——电力电子变压器（power electronic transformer,PET）结合了高频变压器，能实现电力系统中的电压变换和能量传递，已得到了国内外学者的火热研究［1］。PET作为输配电系统最基本的组成设备应用于电网，突出特点在于对交流侧电压幅值和相位的实时控制，可实现变压器原副方电压、电流和功率的灵活调节，故具备解决电力系统中许多新课题的潜力，应用前景广阔［2］。

PET运行于电网的关键位置，稳定运行对电力系统至关重要。然而，现有对PET的研究主要是从其结构优化、算法控制、应用场合以及其优化电能等方面展开，却鲜有对PET进行故障分析和故障处理的讨论。

本文先简要论述级联型电力电子变压器的基本运行原理，分析故障形式，将双主动桥（dual active bridge，DAB）故障作为典型研究对象，提出故障检测方法和应对运行方案，最后进行了仿真验证。

1 级联型PET分析

1.1 基本运行原理

本文研究的级联型电力电子变压器分为3级：输入级、隔离级和输出级［3］。输入级采用12级的级联H桥整流拓扑，中间隔离级采用双主动桥（dual active bridge，DAB）变换器拓扑，输出级采用三相PWM逆变器拓扑，整体结构见图1。输入级将一次侧高压工频交流转化为直流；隔离级变压器原方进行DC/AC变换，将直流调制为高频交流，经高频变压器耦合，副方进行AC/DC变换，将高频交流还原为直流，实现隔离和能量传递；输出级将直流进行逆变，实现二次侧低压工频交流输出。输入级采用级联型拓扑，降低了功率器件的电压应力，提高了等效开关频率，并降低了电流谐波率和滤波器的体积，同时可以实现高功率因数整流，保证一次侧电压电流同相位，降低传输损耗；隔离级的DAB拓扑则提高了整机效率，在大功率场合优势明显；输出级逆变器能改善非线性负载对电网电压影响，对负载变化做出快速准确响应。该拓扑结构优势明显，是目前较为成熟的电力电子变压器拓扑方案。

图1 级联型电力电子变压器拓扑结构

1.2 故障模式分析

电力电子装置主要由功率开关元件组成，包括主电路、控制电路和驱动电路等几个部分，因此故障也同样来自这几个部分。但由于主电路的故障率在实际工作中更高，而其他部分相对而言可靠性较好,因此绝大多数的电力电子装置故障研究都集中在主电路部分。主电路的故障可以分为参数性故障和结构性故障。参数性故障指由于电路中器件参数（电阻阻值、电感感值、电容内阻、开关参数等）偏离正常值而导致的故障，参数性故障通常采用参数辨识进行诊断；结构性故障指由于电路中电力电子器件出现短路、断路或由于驱动电路故障而导致电路拓扑发生变化的故障，由于保护电路发生动作诸如保险丝熔断、断路器跳闸等所致的电路拓扑变化也应归入结构性故障。一般的电力电子电路故障均指结构性故障［4-5］。

电力电子变压器作为复杂的电力电子装置，其故障模式属于前文所述的基本形式。根据图1所示的12级级联型PET拓扑结构，其可能发生的故障分为3类，其中第1类为参数性故障，它包括拓扑结构中的电容、电感的数值偏离正常；第2类为结构性故障，它包括3级拓扑结构内所有IGBT和2极管可能出现的短路和断路而造成的故障；第3类则为隔离级中高频变压器的内部故障［6］。从分析可以看出，隔离级DAB环节由于有更多的功率开关元件，且包含高频变压器，存在第2类和第3类故障可能性，出现故障的可能性更大。故本文针对DAB环节的故障形式及故障下运行方式进行重点研究。

2 DAB模块故障分析

DAB由功率开关元件和高频变压器两部分组成，其拓扑结构如图2所示，故障分析从这两部分展开。

图2 双主动桥DC-DC变换器拓扑结构

2.1 功率开关元件故障

功率开关元件其故障模式主要为开路与短路，产生原因和电压应力、电流应力、热应力和开关器件内部非线性效应有关。

功率开关元件故障直接表现为电路中电力电子器件的不可控通断，造成电路拓扑变化，与电路中非开关器件无关。若能将任意时刻电路中功率开关元件的通断状态确定，就能确定电路任意时刻的拓扑结构［8］。利用功率开关元件的通断状态，可知电路状态变量，通过监测这些状态变量即可确定拓扑。监测变量可以是电压、电流，也可以是电阻、功率、频率、谐波含量等，选择何种变量监测需要根据电路情况决定。针对DAB拓扑结构，选择开关支路电流作为判据：如果该支路的电流在一个时间段内为零，可推断该开关器件在该时间段内处于关断状态；如果该支路的电流非零，则可认为该器件处于导通状态，这里电流为零的概念应理解为电流的绝对值不大于器件漏电流。因此，检测所有开关器件支路的电流信号就能确定电路中各个开关的通断状态，完成电路拓扑辨识［7］，实现电路故障诊断。

以一级DAB为例，高频变压器原、副边类似于DC-DC环节［9-10］，每个开关器件由一个全控器件和一个二极管反并联而成，其故障存在3种可能：①全控器件或二极管短路故障；②全控器件断路；③二极管断路。高频变压器原边电路故障情况如表1所示。

表1 故障特征表

表1中存在空集φ，它表示电路中所有器件均关断时的情况。因此系统拓扑可以由此辨识，电路的 拓 扑 形 式 有 ：D1D4、T2T3、T1T4、D2D3、S1T2T3、S2T1T4、S3T1T4、S4T2T3、S1D2T3、S2D1T4、S3T1D4、S4T2D3、D1T2、D2T1、D3T4、D4T3。对应每个状况都会不同的电流状态，其对应的电流状态罗列如表2所示。

表2 电路状态判断表

同理，高频变压器副边功率开关元件的通断情况能相似推导。通过监测高频变压器原、副边电力电子器件的电流状态完成功率开关器件故障检测并判断电路故障原因，实现电路拓扑辨识，形成故障信息并反馈给控制单元。

2.2 高频变压器故障

PET中高频变压器故障的研究主要是基于各种运行情况下的仿真模型，其中包括正常运行、空载合闸、匝间短路和匝地短路，然后对仿真得到的电气量进行分析，提出故障判据。由于本文重点在于判断PET的故障，并设计相应的故障运行策略，故只需研究高频变压器故障时的故障特征，不需要研究故障机理。选取变压器原、副边电流作为监测变量，利用电流差动判断高频变压器故障与否，其原理如图3所示。

图3 电流差动监测原理

首先，高频变压器原、副边电流i1、i2经电流互感器 TA1、TA2 变换后得到测量电流 iⅠ、iⅡ，对 iⅠ、iⅡ分别进行傅里叶分解后，两相比较得到信号作为故障判据，TA1、TA2的变比比值等于高频变压器变比。高频变压器正常工作时，最后得到的信号应该为零。

高频变压器在各种运行情况，即包括正常运行、空载合闸、匝间短路、匝地短路四种工况条件下仿真实验，对电流监测量iⅠ、iⅡ的分析比较可以判断故障。通过分析，正常运行工况下，电流监测量iⅠ、iⅡ主要是由奇数次波分量合成，且 iⅠ、iⅡ的各次分量相等；空载合闸工况下，电流监测量iⅠ、iⅡ产生畸变，奇数次波分量衰减很多，但iⅠ、iⅡ的各次分量相近；匝间短路工况下，从3次波开始，iⅠ的奇数次波分量远远小于iⅡ的奇数次波分量；匝地短路工况下，iⅠ直流分量远远大于 iⅡ的直流分量， 同时，iⅠ各次奇数波分量远远小于iⅡ的各次奇数波分量。

由此，将电流监测量 iⅠ、iⅡ傅里叶分解后，分别比较iⅠ、iⅡ的直流分量和各次奇数波分量即可有效判定PET中的高频变压器是否故障。

3 故障运行策略

为保证DAB发生故障时PET正常运行，并快速恢复故障，需将故障级DAB快速切除。余下级DAB配合级联H桥整流器共同维持交流侧和直流侧各项性能指标合格，不对电网造成负面影响。

判断DAB环节故障与否，主要依靠检测DAB中高频变压器原、副边的电流情况以及功率开关元件上的电流情况。

DAB装置正常运行时，采用电压外环和电流内环控制，其控制策略如图4所示。同时，监测DAB装置中开关器件电流和高频变压器内部电流，通过监测机制判定DAB故障。发生故障后，将监测信息汇总、分析故障原因，反馈至控制单元，控制系统迅速回应。运行策略切换为故障策略，控制故障级DAB对应的级联H桥整流器进入旁路工作状态，以完成故障级DAB快速切除。同时，良好控制余下DAB与级联H桥整流器，维持PET不停机稳定运行。切除流程如图5所示。

图4 系统控制策略

图5 故障切除流程

若要故障级DAB切离系统，需对故障级H桥整流器进行控制，使其进入旁路工作状态，从而达到目的，其控制原理如图6所示。

图6 DAB切除控制策略

单级H桥整流器的拓扑结构如图7所示，若流过H桥整流器的电流Is为正，图7中的SA导通，SB、SC、SD均关断；若流过H桥整流器的电流Is为负，图1 中的 SB导通，SA、SC、SD均关断。 无论流入故障级整流桥的电流Is为正向还是反向，都能使故障级整流器上桥臂功率开关元件SA和SB配合导通，同时其下桥臂功率开关元件SC和SD封锁阻断。这样，整流桥后级装置进入旁路状态，从而使故障级DAB切除出装置。

图7 H桥整流器拓扑

故障级旁路后，要正常运行的余下级装置共同维持PET稳定运行以保证交流侧和直流侧各项性能指标合格。改变余下级装置控制策略可达到目的。仍然保持电压外环与电流内环控制，调制波生成方式不变。载波相应做出变化，重新计算余下级载波移相角，改变与之比较的三角载波，控制策略如图8所示。设置载波切换开关，PET装置正常运行时使用载波1，若装置发生故障形成故障信号后则切换至载波2，在故障发生时迅速动作改变与调制波相比较的载波以完成控制，使整流桥输出到达稳定。

图8 载波切换策略

4 实验仿真

利用PSCAD/EMTDC仿真软件建立图1所示12级级联型电力电子变压器模型，验证某一级DAB故障产生后切除运行的实验效果。电网额定电压为6 kV，额定频率为50 Hz，仿真中公共电网采用理想电压源。

在t=0.5 s时，某级DAB发生故障，输入级交流侧电压 Vs波形如图9（a）所示，图9（b）为故障发生时刻局部放大。

图9 输入级交流侧电压波形

输入级交流侧电流Is波形如图10（a）所示，图10（b）为故障发生时刻局部图。

图10 输入级交流侧电流波形

输入级交流侧电压Vs和电流Is波形合图如图11 所示，图11（a）为整体，图11（b）为故障发生时刻局部放大，为便于直观分析，其中电流为放大50倍后的效果。

图11 输入级交流侧电压和电流波形

由图9～图11 可以看出，在 t=0.5 s，故障引起输入电流变化，峰值增大了0.5倍。PET在1.5个电网周期内检测出故障并调整控制策略，将输入电流调整至正常水平，维持功率因数运行。

故障级旁路后，余下级装置需维持PET稳定运行。直流侧电压总电压波形如图12所示，某运行级直流侧电压波形如图13所示，故障级直流侧电压波形如图14所示。

图12 输入级直流侧总电压波形

图13 某运行级直流侧电压波形

图14 故障级直流侧电压波形

从图12～图14可以看出，在0.5 s发生故障后，各级直流侧电压需进行调整，余下各级的直流侧电压在开关器件耐压范围内小幅提升，维持直流侧总电压不变。总电压在调整时出现了轻微波动，1.5个电网周期后重新恢复至正常水平。

逆变器输出电压波形如图15（a）所示，图15（b）为故障发生时刻局部放大。

图15 逆变器输出电压波形

仿真可看出，由于良好的控制策略，三相输出电压在故障前后无变化，DAB故障切除时不影响后级电路运行，故PET能维持电网稳定运行。

5 结语

本文分析了级联型PET的故障形式，将DAB故障作为典型对象研究。提出一种DAB故障检测方法和应对运行方案，切除故障级DAB，并平稳调整运行策略，利用余下级装置维持PET运行。使得PET能在故障情况下稳定运行，维修时对电网运行零影响。对提出的方案进行了仿真验证。仿真结果验证了该方案的有效性。

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