VSC-HVDC系统送端换流器短路与IGBT开路故障诊断研究

摘要

基于电压源型换流器的直流输电(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current Transmission，VSC-HVDC)系统的换流器在发生短路故障引发保护动作后，需要快速地对故障进行处理以使VSC-HVDC系统能够快速重启，从而保障功率的传输与系统的稳定。然而VSC-HVDC系统换流器的短路保护可动作于多种换流器区内的所有短路故障，因而无法简单地根据保护动作情况判断出具体的故障类型与位置，这给故障处理带来了巨大压力。另外，IGBT开路也是VSC-HVDC系统换流器研究领域较为关注的故障类型，换流器IGBT开路故障虽不会导致保护立即动作，即不会引起VSC-HVDC系统的立即崩溃，但其将导致系统的电压或者电流出现失真情况，乃至于可能引发正常的IGBT或者换流站内其它设备发生故障，严重时可能导致VSC-HVDC系统停运。因此，有必要研究VSC-HVDC系统换流器短路与IGBT开路故障的诊断算法，以提高对VSC-HVDC系统的运营维护效率，从而保障VSC-HVDC系统的设备安全以及系统的可靠稳定运行。　　因此，本文以VSC-HVDC系统送端换流器为对象，以其短路故障和IGBT开路故障的诊断为目标，开展了以下研究工作：　　(1)搭建双端两电平VSC-HVDC系统模型。基于RT-LAB半实物实验平台，依据国际大电网会议(CIGRE )中VSC-HVDC测试系统标准，搭建了双端两电平VSC-HVDC系统模型，并且通过在模型上设置VSC-HVDC系统有功功率、无功功率以及换流器直流侧电压目标量的突变，分析了所建系统模型的静态特性。该部分工作为本文对VSC-HVDC系统送端换流器短路故障和IGBT开路故障诊断的研究提供了验证平台。　　(2)研究考虑短路保护的VSC-HVDC系统送端换流器短路故障诊断方法。在考虑送端换流器短路保护对故障电气特征影响的基础上，系统地分析了送端换流器3种接地短路故障和3种非接地短路故障在短路保护启动IGBT闭锁后的电气量特征；基于此，利用IGBT闭锁后5ms~25ms时间段内的送端换流器交流侧三相电流、直流支撑电容器电流以及直流侧高压端和低压端电流数据，设计了不同位置的短路故障分类判据；进而提出了一种VSC-HVDC系统送端换流器短路故障的诊断方法。基于搭建的VSC-HVDC系统模型对所提方法进行了实验，实验结果表明，所提故障诊断方法能够准确识别6种短路故障，并且能够识别出相间短路故障的故障相和桥臂短路的具体故障桥臂。　　(3)研究基于电压残差的VSC-HVDC系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法。基于VSC-HVDC系统送端换流器拓扑结构得到了换流器开关函数模型，给出了基于开关函数的三相电压残差定义；推导了两类单桥臂IGBT开路故障和四类双桥臂IGBT开路故障下的三相电压残差计算公式，分析了IGBT开路故障的电压残差特征。基于此，通过设定电压残差阈值和IGBT故障标志，提出了基于电压残差的送端换流器IGBT开路故障诊断方法。基于搭建的VSC-HVDC系统模型对所提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各类单桥臂IGBT开路和双桥臂IGBT开路故障，具有较高的工程应用前景。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 课题的提出

1.2 国内外研究现状

1.2.1 换流器短路故障诊断方法研究现状

1.2.2 换流器IGBT开路故障诊断方法研究现状

1.3 本论文的主要工作

1.3.1 研究目标

1.3.2 论文的章节安排

第2 章 VSC-HVDC 系统建模

2.1 VSC-HVDC系统结构与功率传输原理

2.2 VSC-HVDC系统数学模型

2.3 VSC-HVDC系统的建模与运行结果

2.3.1 一次系统建模

2.3.2 控制系统建模

2.3.3 VSC-HVDC系统模型运行结果

2.4 本章小结

第3章 考虑短路保护作用的VSC-HVDC送端换流器短路故障诊断

3.1 送端换流器保护测点配置及典型短路故障

3.2 送端换流器接地短路故障特征分析

3.2.1 送端换流器交流侧接地短路故障特征分析

3.2.2 送端换流器直流侧高压端接地短路故障特征分析

3.2.3 送端换流器直流侧低压端接地短路故障特征分析

3.3 送端换流器非接地短路故障特征分析

3.3.1 送端换流器交流侧相间短路故障特征分析

3.3.2 送端换流器上桥臂短路故障特征分析

3.3.3 送端换流器下桥臂短路故障特征分析

3.4 短路故障诊断方法

3.5实验验证

3.6 本章小结

第4章 基于电压残差的VSC-HVDC送端换流器IGBT开路故障诊断

4.1 送端换流器开关函数模型与残差

4.2 送端换流器IGBT开路故障电压残差特征分析

4.2.1 单桥臂IGBT开路故障电压残差特征分析

4.2.2 双桥臂IGBT开路故障电压残差特征分析

4.2.3 电压残差特征总结

4.3 基于电压残差的故障诊断方法

4.3.1 故障诊断流程的设计

4.3.2 故障诊断方案的可行性

4.4 实验验证

4.4.1 单桥臂IGBT开路故障

4.4.2 双桥臂IGBT开路故障

4.5 本章小结

结论

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果