基于MMC的配电网电力电子变压器故障特性分析

周廷冬， 徐永海

(新能源电力系统国家重点实验室， 华北电力大学， 北京 102206)

基于MMC的配电网电力电子变压器故障特性分析

周廷冬， 徐永海

(新能源电力系统国家重点实验室， 华北电力大学， 北京 102206)

介绍了配电网电力电子变压器输入级、隔离级和输出级通常采用的拓扑结构；选取了半桥子模块型模块化多电平换流器、双有源桥和三相逆变器作为研究对象，基于PSCAD仿真平台，搭建了10kV配电网电力电子变压器仿真模型；对电力电子变压器中可能出现的故障类型，包括交流输入侧故障、中压直流侧故障、低压直流侧故障以及功率开关元件故障等进行了理论分析与仿真验证；对各类故障下电力电子变压器的过电压、过电流水平进行了分类统计，指出了对配电网电力电子变压器影响较大的故障类型。

电力电子变压器； 故障特性； 仿真分析； 过电压； 过电流

1 引言

电力电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)，又称为固态变压器(Solid State Transformer, SST)，既可替代传统变压器提高电网的智能化水平，也可作为能源互联网中的能量路由器实现电能在多源、多负荷之间的传输及变换。电力电子变压器的概念自提出以来，得到国内外的广泛关注，目前的研究主要集中在拓扑结构设计[1,2]、控制策略[2-4]、新型功率器件应用[5]、使用场合[6-8]以及电能优化[9,10]等方面，而对其故障特性分析及保护技术方面的研究较少。配电网电力电子变压器作为中低压电网之间的接口，其故障对电网及用户都有严重的影响，因此研究电力电子变压器的故障特性及保护技术具有重要意义。

文献[11]对电力电子变压器中的功率开关元件在短路与开路故障下的故障特性进行了分析，但对其他故障类型如中压和低压直流母线故障没有进行研究。文献[12]对级联H桥(Cascaded H Bridge，CHB)型电力电子变压器中压短路与过电压特性进行了详细分析，但对于研究相对较多的模块化多电平(Modular Multilevel Converter，MMC)结构的电力电子变压器没有涉及。现有文献研究了模块化多电平换流器高压直流输电系统(Modular Multilevel Converter Based High-Voltage Direct Current，MMC-HVDC)中不同故障类型及故障特性，如子模块故障特性及所引起的桥臂不对称运行特性分析[13,14]、直流侧故障特性分析[15,16]等。但MMC-HVDC不同于电力电子变压器，各种故障下的故障特性会有相应的变化，因此有必要对电力电子变压器的故障特性进行详细的分析。

本文基于PSCAD仿真平台，搭建了MMC型的配电网电力电子变压器仿真模型，对其在不同故障类型下的故障特性进行了理论与仿真分析，主要包括中压交流侧故障、中压直流侧故障、低压直流侧故障以及电力电子变压器内部不同位置下的功率开关短路与开路故障等，并对不同故障类型下电力电子变压器的过电压、过电流水平进行了分类统计，指出了对电力电子变压器影响较大的故障类型，本文的故障分析结果可为相应的保护配置及避雷器选型与绝缘配合提供依据。

2 电力电子变压器基本原理

2.1 拓扑结构

电力电子变压器目前主要有基于CHB结构和基于MMC结构的两种拓扑，其中基于MMC结构的电力电子变压器可以显著减少高频变压器以及功率开关的数量，体积和重量优势更加明显[17]，具有更好的应用前景。因此，本文选取MMC型的电力电子变压器为研究对象，分析在不同故障类型下的故障特性。

本文所选取的基于MMC型的配电网电力电子变压器拓扑如图1所示。电力电子变压器分为输入级、隔离级和输出级，输入级采用MMC结构，子模块选取半桥子模块，隔离级采用双有源桥(Dual Active Bridge，DAB)结构，主要包括原副边H桥和高频变压器，输出级采用三相四线制逆变器，中性线经低压直流电容中点接地。

图1 基于MMC的电力电子变压器拓扑Fig.1 Topology of power electronic transformer based on MMC

2.2 仿真建模

本文基于PSCAD仿真平台搭建了图1所示的电力电子变压器仿真模型。输入级MMC选用半桥子模块，采用基于dq变换的定中压直流电压双环解耦控制策略，调制策略选取的是最近电平逼近的方法，并采用工程中应用较多的排序法实现子模块电容均压。隔离级双有源桥由串联谐振的双H桥构成，多个双有源桥采用的是输入串联、输出并联的连接方式，中压侧的每个变换器可以通过低压侧并联的变换器进行能量交换，因此可以实现中压直流侧电容CM和低压直流侧电容CL上电压的自动均衡[17]；原副边H桥采用开环控制方式，且对应的功率开关触发脉冲同相位。输出级三相逆变器采用双闭环解耦控制策略和SPWM调制策略，在此不再详述。本文所建立的电力电子变压器仿真模型参数见表1，其中部分内容参考文献[17]中的模型给出。低压侧逆变器采用三相对称负载。

表1 电力电子变压器仿真模型参数Tab.1 Simulation model parameters of power electronic transformer

3 故障特性分析

电力电子变压器由多级换流器构成，故障类型较多，本文主要分析交流输入侧故障、中压直流侧故障、低压直流侧故障以及内部不同位置的功率开关故障下电力电子变压器的故障特性。

3.1 交流输入侧故障

交流输入侧故障主要有三相对称故障和三相不对称故障。三相对称故障包括三相短路故障F11，三相短路接地故障F12；三相不对称故障包括单相接地故障F13，两相短路故障F14，两相接地短路故障F15。交流输入侧采用中压交流配电网中应用广泛的接地变压器接地[18]，接地及故障示意如图2所示，有关接地变压器的相关内容可参考文献[19]。

图2 交流输入侧接地及故障示意图Fig.2 Schematic diagram of AC input grounding and faults

按照表1中参数搭建仿真模型，电力电子变压器所带负载额定功率2.5MW，交流线路长度6km，等值电阻0.263Ω/km，等值电感1.108mH/km，仿真中设定距离电力电子变压器3km处发生金属性短路及接地故障，短路接触电阻及接地电阻均为0.01Ω，MMC采用定直流电压控制。选取交流侧输入线电压G1、交流侧输入交流线电流峰值G2，中压直流母线电压G3、中压直流母线电流G4，低压直流母线电压G5、低压直流母线电流G6以及MMC子模块电容电压G7为观测量，其额定功率状态下的基准值见表2。对上述5种交流侧故障进行仿真，其过电压、过电流水平(标幺值)见表3，表中“—”表示未出现过电压或过电流现象。

表2 额定功率时电压电流基准值Tab.2 Reference value of voltage and current at rated power

表3 交流输入侧故障下的过电压和过电流水平Tab.3 Overvoltage and overcurrent levels under AC input fault

由表3可以看出，相间短路故障和相间短路接地故障相对于单相接地故障类型会造成严重的交流侧输入电流过流，输入过电流保护应动作，断开交流侧断路器，MMC换流器闭锁，以免桥臂出现过电流损坏功率开关。由于单相接地故障为电力系统中发生概率最高的故障类型，本文以单相接地故障为例进行深入分析。MMC的等效电路如图3所示，图3中ua、ub、uc表示交流侧输入相电压瞬时值，uap、ubp、ucp表示MMC三相上桥臂电压，uan、ubn、ucn表示MMC三相下桥臂电压，iap、ibp、icp表示MMC三相上桥臂电流，ian、ibn、icn表示MMC三相下桥臂电流，Udc表示MMC直流侧电压。

图3 MMC等效电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram of MMC

以A相为例，MMC的数学模型可表示为：

(1)

式中，U表示交流侧相电压有效值。正常运行情况下中压直流母线正负极对假想中性点的电压为：

(2)

在发生A相接地时A相电压ua对地电压变为0，因此，故障发生后的正负极对假想中性点的电压变为：

(3)

由式(3)可知，直流正负极母线电压出现正弦波动，而由于正负极电压波动同步，因而直流母线正负极间电压不变。

交流侧发生单相接地故障时的仿真结果如图4所示，仿真中设定0.3s触发故障，故障特性分析如下：

图4 单相接地故障下电压、电流波形图Fig.4 Waveforms for single-phase to ground fault

(2)交流侧单相接地故障后，由于交流侧接地变压器的存在使得直流系统的电位参考点发生变化，中压直流母线的正负极直流电压出现同步正弦波动现象，直流母线电压最高可达到正常情况下的1.81倍，因而会对直流线路的绝缘水平提出考验，而中压直流母线正负极之间的直流电压保持不变，因此不会对电力电子变压器的隔离级和输出级造成影响。

(3)故障点与接地变压器形成零序电流回路，流过接地变压器的零序电流增大并出现零序电压。

由以上分析可知，交流输入侧发生单相接地故障后，系统可正常运行，此时应考虑中压直流母线的过电压水平与绝缘配合标准；此外，对于接地变压器而言，流过中性点的电流的持续时间通常被限值在数秒，当中性点经消弧线圈接地时持续时间通常为2h[19]，因而需要根据接地变压器中性点的电流持续时间采取相应的保护措施。

3.2 中压直流侧故障

中压直流母线的故障类型主要包括单极接地故障F21、双极短路故障F22和单极断线故障F23，其中单极接地故障和单极断线故障正负极直流母线分析过程类似，本文以正极直流母线为例进行分析，短路接触电阻及接地电阻均为0.01Ω。上述三种直流侧故障下的系统观测量过电压和过电流水平见表4，基准值已在表2中给出。

表4 中压直流侧故障下的过电压和过电流水平Tab.4 Overvoltage and overcurrent levels under medium voltage DC fault

单极接地故障时，由于交流侧接地变压器的作用会在接地变压器和故障点之间形成零序电流通路，因而造成输入电流和中压直流母线过电流，此时MMC桥臂过电流保护应动作，闭锁MMC换流器，若为永久性故障，需断开交流侧断路器进行检修；由于MMC采用定直流电压控制，因而在发生中压直流侧断线故障后直流电压基本保持恒定，未出现过电流现象，直流侧断线一般为永久性故障，此时的功率传输已经终止，需要断开交流侧断路器进行停机检修；直流侧双极短路故障为最严重的故障类型，以此为例进行分析。直流侧双极短路后的子模块放电通路如图5所示，单相等效模型如图6所示，图中UL表示桥臂电感电压，UC表示子模块电容等效电压，UR表示放电回路等效电阻上的电压。

图5 MMC子模块放电回路Fig.5 Sub module discharge circuit of MMC

图6 单相等效电路Fig.6 Single phase equivalent circuit

根据文献[15]中分析可知，该放电回路的电容电压及放电电流可表示为：

(4)

式中

式中，L0表示MMC桥臂电感；IL表示故障前瞬间桥臂电感电流；N表示MMC桥臂半桥子模块数。

由式(4)可知，故障后的放电电流为振荡衰减的过程，在MMC不闭锁的情况下，由于交流侧可向直流侧馈入电流，因而短路电流经过衰减后最终会稳定在一定值。

中压直流侧发生双极短路故障下的仿真结果如图7所示，仿真中设定0.3s触发故障。故障后MMC子模块电容通过直流侧短路路径迅速放电，子模块电压与直流母线电压迅速降为0，中压直流母线与交流侧输入电流出现严重过电流，桥臂中的功率开关承受巨大的电应力，电力电子变压器输入级与隔离级之间的功率传输终止，交流侧输入电压被拉低，交流电压电流故障特征近似于发生三相短路故障。中压直流侧双极短路故障使得MMC上下桥臂均会出现严重的过电流并引起输入过电流，需要开启子模块过流保护并断开交流侧断路器，以免危及交流系统。

图7 中压直流侧双极短路故障下电压、电流波形Fig.7 Waveforms for medium voltage DC pole to pole fault

3.3 低压直流侧故障

低压直流侧故障类型与中压直流侧类似，主要包括单极接地故障F31、双极短路故障F32和单极断线故障F33。对低压直流侧的三种故障类型进行仿真分析，短路接触电阻及接地电阻均为0.01Ω，其系统观测量过电压和过电流水平见表5，基准值同表2。

表5 低压直流侧故障下的过电压和过电流水平Tab.5 Overvoltage and overcurrent levels under low voltage DC fault

低压直流侧双极短路故障会造成低压直流母线的支撑电容短路，电容放电，电压迅速下降并产生严重的过电流，进而引起中压直流母线及交流输入侧均出现严重的过电流，此时低压过流保护应在电流高于允许值之前动作，否则会引起中压直流侧以及交流输入侧过电流；低压直流母线断线故障会立即终止功率传输，引起短暂的直流电压波动，不会产生严重的过电压和过电流现象，但与输出级的功率传输终止，需断开低压直流侧断路器进行检修，若低压直流侧有直流负荷，电力电子变压器仍可正常运行；低压直流侧发生单极接地故障时，由于低压直流侧电容采用的是电容中点接地的方式，因此故障接地点会与电容中点形成短路回路，接地极一侧电容短路迅速放电并伴随较为严重的过电流，接地极电压降至0，非故障极电压升至故障前的2倍，此时低压直流侧电压紧靠非故障极一侧的电容支撑，因而此电容的电压也会升高至故障前的2倍，需配置低压直流电容的过电压保护，以免其长期承受过电压应力而损坏，进而引发双极短路故障；低压直流侧的放电电流同样也会引起中压直流侧以及交流输入侧过电流。低压直流侧发生单极接地故障下的仿真结果如图8所示，仿真中设定0.3s触发故障。

图8 低压直流侧单极接地故障下电压、电流波形Fig.8 Waveforms for low voltage DC pole to ground fault

3.4 功率开关故障

电力电子变压器中存在众多功率开关(IGBT和续流二极管)，其故障会对电力电子变压器的可靠性有严重的影响，因此，分析其功率开关故障后的特性，对电力电子变压器而言至关重要。功率开关的主要故障类型为短路故障和开路故障，故障位置包括输入级MMC子模块、隔离级原边及副边H桥、输出级逆变器，本文按照图1中所规定的元件编号选取以下故障类型：T11短路或D11短路F41，T11开路F42，T12开路F43，D11开路F44，D12开路F45，T21短路或D21短路F46，T21开路F47，T21和D21开路F48；T31短路或D31短路F49，T31和D31开路F410，D31开路F411；T41短路或D41短路F412，T41开路F413，D41开路F414。对上述功率开关元件的故障类型进行仿真分析，得出系统过电压和过电流水平见表6，基准值同表2。

表6 功率开关故障下的过电压和过电流水平Tab.6 Overvoltage and overcurrent levels under power switch fault

由表6可知，T21短路或D21短路、T31短路或D31短路以及T41短路或D41短路的情况下会造成输入电流、中压直流电流以及低压直流均出现较为严重的过电流现象，其本质在于此类故障下均会导致换流器出现桥臂直通，所连接的电容或直流母线形成短路回路而迅速放电所致；T11短路或D11短路则会形成MMC子模块电容的放电回路，子模块电压迅速下降，从而引起中压直流母线电压出现过电压波动。几种功率开关短路故障下的放电回路如图9所示，其中T31短路或D31短路以及T41短路或D41短路下的情况与T21短路或D21短路类似，在此只给出T21短路的情况。

图9 功率开关短路时的放电回路Fig.9 Discharge circuit for power switch short circuit

图9所示的电容放电回路中，由于IGBT中存在的电导调制效应使得其导通时具有极低的通态电阻，而对于配电网电力电子变压器而言，子模块电容及隔离级电容电压等级通常在数百伏到几千伏，因而此放电电流可高达几十到几百千安，使得非故障的开关可能因此而损害。功率开关短路故障发展迅速，通过软件保护的方法很难实现及时的过流保护，一般需要采用硬件保护的方法实现，如IGBT的短路保护、过温保护。

相比于短路故障，开路故障发生后可能不会立即造成系统停运，并在非正常状态下稳定运行一段时间，但开路故障可能会造成电力电子变压器中其他正常的功率开关承受过电压、过电流等电应力。

4 结论

针对MMC型配电网电力电子变压器可能出现的故障类型，包括交流输入侧故障、中压直流侧故障、低压直流侧故障以及功率开关元件故障等，本文进行了理论与仿真分析，指出了在上述故障下电力电子变压器的故障特性。

(1)交流输入侧相间短路及相间短路接地故障会形成较为严重的过电流现象，单相接地故障会在故障接地点与交流侧接地变压器之间形成零序电流回路，由于输入线电压不变，因而电力电子变压器仍可持续运行一段时间，但需要考虑中压直流母线的绝缘水平，并根据接地变压器中性点短路电流持续时间采取相应的保护措施。

(2)中压直流侧单极接地故障同样会在故障接地点与接地变压器之间形成零序回路，因而造成输入电流和中压直流母线过电流，双极短路故障是中压直流侧最为严重的故障类型，MMC子模块电容通过直流侧短路路径迅速放电，中压直流母线与交流侧输入电流出现严重过电流。

(3)低压直流侧单极接地与双极短路都会形成低压侧支撑电容的放电回路，产生严重的过电流现象，此外，单极接地还会使得非故障极一侧电容电压升高至故障前的2倍。

(4)T21短路或D21短路、T31短路或D31短路以及T41短路或D41短路会造成桥臂直通，造成输入电流、中压直流电流以及低压直流均出现较为严重的过电流现象，功率开关的开路故障则会使得其他正常的开关承受额外的过电压、过电流应力。

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Fault characteristic analysis of power electronic transformer based on MMC in distribution network

ZHOU Ting-dong， XU Yong-hai

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University， Beijing 102206， China)

The topology structures of the input stage，isolation stage and output stage of power electronic transformer in distribution network were introduced．Using the type of half bridge modular multilevel converter sub-module，the dual active bridge and three-phase inverter as the research object，the simulation model of 10kV distribution network power electronic transformer was built based on PSCAD simulation platform．The theoretical analysis and simulation verification of the possible fault types in power electronic transformer were carried out，including AC input fault，medium voltage DC side fault，low voltage DC fault and power switch component fault，etc．The overvoltage and overcurrent level of power electronic transformer under various faults were classified and tallied．The fault types which have greater impact on power electronic transformer in distribution network were pointed out.

power electronic transformer； fault characteristic； simulation analysis； overvoltage； overcurrent

2016-12-20

北京市自然科学基金项目(3172036)

周廷冬(1989-)， 男， 山东籍， 硕士研究生， 研究方向为电力电子变压器保护与控制; 徐永海(1966-)， 男， 河南籍， 教授， 博士生导师， 研究方向为电力电子技术、 电能质量分析与控制。

TM4

A

1003-3076(2017)05-0034-08