双端柔性直流输电系统换流器件开路故障诊断方法研究

摘要

应电力发展和新能源并网发电需求，柔性直流输电(VSC-HVDC，Voltage SourceConverter Based High Voltage Direct Current)在国内外电力系统中正逐步得到广泛应用，其数学模型、运行控制策略和保护等方面的研究深受国内外学者关注。换流器件作为VSC-HVDC系统实现交直流变换的关键设备，其开路故障将造成系统电压和电流波形畸变，并有可能导致构成VSC-HVDC系统的各个设备或组件承受过电压、过电流、过热等不正常应力，严重时可能影响到整个VSC-HVDC系统运行的可靠性和有关设备的安全，由此造成VSC-HVDC系统不能快速恢复运行。因此，快速准确诊断VSC-HVDC系统换流器件开路故障，进而采取合理的保护策略对整个VSC-HVDC系统至关重要。然而，目前针对VSC-HVDC系统换流器件中IGBT开路故障的诊断大多需在系统双端进行，不能通过单端信号进行识别和定位，增加了诊断系统成本及复杂度。另外，研究表明续流二极管导致换流器故障所占的比例达到10％，而目前针对换流器件中续流二极管开路故障诊断方面的报道较少。为此，本文以双端VSC-HVDC系统为对象，对上述两个问题分别进行了深入研究，进一步完善了VSC-HVDC系统换流器件开路故障诊断方法，提高了VSC-HVDC系统的运行安全性和稳定性。 首先，本文通过对VSC-HVDC系统基本拓扑结构的分析，建立了基于三相静止坐标系和同步旋转坐标系的数学模型。通过对VSC-HVDC系统独立控制有功功率和无功功率工作原理的研究，推导了VSC-HVDC系统四象限运行特性及其运行区域。根据VSC-HVDC系统控制结构，分别研究了VSC-HVDC系统换流站控制、换流器控制和换流阀控制，并建立了VSC-HVDC系统控制模型。基于Matlab/Simulink仿真平台，构建了两电平双端VSC-HVDC系统仿真模型。通过设置系统三相接地短路故障、功率突变和直流电压突变，验证了本文所建两电平双端VSC-HVDC系统仿真模型具有良好的静态稳定性和动态稳定性。 然后，本文建立了换流器件内部IGBT(Insulated Gate Bipolar Translator)开路故障等效模型，理论推导了IGBT开路故障传递特性，并基于该特性，提出了一种包含零标记法和相位法的IGBT开路故障诊断方法。其中，零标记法对诊断系统所在端故障IGBT进行识别和定位，相位法用于诊断对端故障IGBT，由此克服了目前VSC-HVDC系统IGBT开路故障需在双端诊断的现状。 其次，针对目前VSC-HVDC系统换流器内部续流二极管开路故障研究较少的问题，本文通过分析续流二极管在换流器整流或逆变过程中的工作原理，研究了续流二极管开路故障时，故障相电流正、负半波总谐波畸变率差异较大的特性，并提出了基于相电流总谐波畸变率差异特性的续流二极管开路故障诊断方法，由此实现了VSC-HVDC系统故障续流二极管的识别和定位。 最后，基于两电平双端VSC-HVDC系统仿真模型，本文对上述所提换流器件开路故障诊断方法进行了仿真验证。针对基于故障传递特性的IGBT开路故障诊断方法，仿真结果表明，当诊断系统安装于送端或受端时，零标记法可实时准确地确定诊断系统所在端故障位置，相位法则可准确地诊断对端IGBT开路故障，从而实现了整个VSC-HVDC系统IGBT开路故障的单端诊断。若将本文所提诊断系统安装在VSC-HVDC系统两端，一端的相位法可作为另一端零标记法的后备诊断方法，更加准确可靠地识别故障IGBT，从而提高了VSC-HVDC系统的运行安全性与可靠性。同时，本文研究可为多端VSC-HVDC系统IGBT诊断提供重要的参考思路。针对基于相电流总谐波畸变率差异特性的续流二极管开路故障诊断方法，仿真结果表明，本文所提方法能够实现对VSC-HVDC系统故障续流二极管的快速准确识别和定位。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2直流输电技术特点

1．2．1直流输电与交流输电的比较

1．2．2柔性直流输电与传统直流输电的比较

1．3直流输电的运行方式

1．3．1单极直流输电系统

1．3．2双极直流输电系统

1．3．3背靠背输电系统

1．4 VSC-HVDC系统研究现状

1．4．1 VSC-HVDC研究现状

1．4．2 VSC-HVDC系统换流器件开路故障诊断研究现状

1．4．3 VSC-HVDC工程应用

1．5本文主要研究内容

2 VSC-HVDC系统控制策略研究及系统建模

2．2 VSC-HVDC系统数学模型

2．3 VSC-HVDC系统工作原理及运行特性

2．3．2 VSC-HVDC系统运行特性

2．4 VSC-HVDC系统控制策略

2．4．1换流站控制

2．4．2换流器控制

2．4．3换流阀控制

2．5 VSC-HVDC系统仿真模型

2．6 VSC-HVDC系统仿真模型验证

2．7本章小结

3 VSC-HVDC系统IGBT开路故障诊断方法研究

3．1传统变流器功率器件开路故障诊断方法

3．1．1基于电流量的诊断方法

3．1．2基于电压量的诊断方法

3．2 VSC-HVDC系统IGBT开路故障传递特性

3．2．1故障相工作过程分析

3．2．2故障端交流电流畸变特性

3．2．3 IGBT开路故障传递特性

3．3 VSC-HVDC系统IGBT开路故障诊断

3．3．1 VSC-HVDC系统IGBT开路故障判定

3．3．2诊断系统所在端IGBT开路故障诊断

3．3．3对端IGBT开路故障诊断

3．4本章小结

4 VSC-HVDC系统续流二极管开路故障诊断方法研究

4．1续流二极管失效机理

4．2．1故障相工作过程分析

4．2．2续流二极管开路故障特性

4．3 VSC-HVDC系统续流二极管开路故障诊断

4．4本章小结

5 VSC-HVDC系统换流器件开路故障诊断方法仿真验证与分析

5．1．1 VSC-HVDC系统IGBT开路故障特性验证

5．1．2 VSC-HVDC系统续流二极管开路故障特性验证

5．2 VSC-HVDC系统换流器件开路故障诊断方法验证

5．2．1基于故障传递特性的IGBT开路故障诊断方法验证

5．2．2 VSC-HVDC系统续流二极管开路故障诊断方法验证

5．3本章小结

6总结与展望

6．1总结

6．2展望

致谢

参考文献

附录