高压大功率三电平逆变系统故障特性分析与保护原理研究.pdf

第４０卷第６期２０１２年３月１６日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶ＿０１．４０Ｎｏ．６Ｍａｒ．１６，２０１２高压大功率三电平逆变系统故障特性分析与保护原理研究刘健，尹项根，张哲，唐萍，熊卿，王存平（１．强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学），湖北武汉４３００７４；２．武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉４３００７３）摘要：高压大功率三电平逆变系统故障形式多样且特殊，传统主设备保护已不能完全满足要求。针对三电平逆变系统的结构特点，将其划分为交流输入、直流和交流输出三个环节，对各环节可能出现的故障及其特性进行了分析，并指出现有保护配置与原理的不足，同时对新的保护原理与实现方法进行了研究。建立了系统的故障仿真模型，并以此为基础进行了仿真分析。所提出的保护配置在６ｋＶ／１ＭＷ三电平逆变系统中得到了应用，静态模拟以及试验研究均验证了所提出的保护原理与算法的正确性。关键词：高压大功率；三电平逆变系统；保护；仿真分析；试验研究Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｆａｕｌｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅａｎｄｈｉｇｈｐｏｗｅｒｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌＮＰＣｉｎｖｅｒｔｅｒｓｙｓｔｅｍ’ＬＩＵＪｉａｎ。，Ｙ１ＮＸｉａｎｇ．ｇｅｎ，ＺＨＡＮＧＺｈｅ，ＴＡＮＧＰｉｎｇ，ＸＩＯＮＧＱｉｎｇ，ＷＡＮＧＣｕｎ．ｐｉｎｇ（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅ￣ｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆａｕｌｔｔｙｐｅｓｉｎｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅａｎｄｈｉｇｈｐｏｗｅｒｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌＮＰＣｉｎｖｅａｅｒｓｙｓｔｅｍａｒｅｄｉｖｅｒｓｅａｎｄｓｐｅｃｉａｌ，ａｎｄｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍａｉｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｎｏｔｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｖｉｄｅｓｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒｓｙｓｔｅｍｉｎｔｏｔｈｒｅｅｐａｒｔｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．ＴｈｅｙａｒｅＡＣｉｎｐｕｔ，ＤＣｌｉｎｋａｎｄＡＣｏｕｔｐｕｔ．Ｔｈｅｎｔｈｅｐｏｓｓｉｂｌｅｆａｕｌｔｓａｎｄｔｈｅｉｒｆｅａｔｕｒｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｅａｃｈｐａｒｔ．Ｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ，ａｎｄｔｈｅｎｅｗｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｆａｕｌｔｓｉｍｕｌ￣ｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｂｕｉｌｔａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｔｈａｔｂａｓｉｓ．Ａｔｌａｓｔ．ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｉｓｐｕｔｉｎｔｏｐｒａｃｔｉｃｅｉｎｔｈｅ６ｋＶ／１ＭＷｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌｉｎｖｅｒｔｅｒｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｔｈｅｓｔａｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ＴｈｅｗｏｒｋｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＨｉｇｈＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（８６３Ｐｒｏｇｒａｍ）（Ｎｏ．２００９ＡＡ０５Ｚ２０８）ａｎｄＣｈｉｎａＰｏｓｔｄｏｃｔｏｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ（Ｎｏ．２０１００４７００５５）．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒ；ｔｈｒｅｅｌｅｖｅｌＮＰＣｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈ中图分类号：ＴＭ７６文献标识码：Ａ文章编号：１６７４．３４１５（２０１２）０６．００２２．０８Ｏ引言三电平逆变电路直流母线电压由多个开关器件共同承担，输出功率大、ｄｕ／ｄｔ变化率小，是实现高压大功率变换的一种优良的拓扑结构ｎｌ。在我国高校、科研院所和部分企业已经进行了一些探索性的研究，应用涉及到了电网电能质量控制【２】、高压大功率异步电机驱动Ｌ３ｑＪ，以及新型分布式能源的接入［５－６］等多个领域，并且其电压等级逐渐提高（由原基金项目：国家８６３高技术基金项目（２００９ＡＡＯ５Ｚ２０８）；中国博士后科学基金（２０１００４７００５５）来的几百伏提高到几千伏），容量也不断增大（由原来的几百千瓦，提升到几千千瓦甚至几十兆瓦）。三电平逆变系统目前的研究工作主要集中在主电路与控制技术】方面，而在保护手段上，仍是以简单的快熔保护【９刚、电气量（过流过压、欠压缺相等）ＩＪ＿ｊＪ和非电气量（温度、压力等）保护为主，或者是针对其中某几种故障进行的研究【Ｉ引，并且着重于针对单个器件进行设置，而不太重视从整个变换系统的角度来考虑保护的配置，从而降低了设备的安全稳定运行能力。此外，高压大功率电力电子变换系统故障形式更为复杂，且与传统的电力系统设备故障有差异，将电力系统传统主设备保护原刘健，等高压大功率三电平逆变系统故障特性分析与保护原理研究２３．理不加修改地用于大功率电力电子变换系统不够科学与合理。因此，结合大功率电力电子变换系统自身的特点对其故障特性与保护新原理进行研究与设计，既是电力电子技术发展的需要，也是继电保护技术发展的新任务，其研究工作具有重要的理论意义和实用价值。本文将针对高压大功率三电平逆变系统实际情况，密切结合继电保护理论，对系统故障特性与保护原理展开分析与研究。１系统故障特性分析与保护现状三电平逆变系统电气量性质多样，包括输入工频交流、直流和输出变频交流，各环节如图１所示。相应的故障形式也更为复杂，因此保护功能面临着更多问题，同时也给保护配置以及原理算法提出了更多要求，为分析方便，本文将故障区域分为交流输入环节故障、直流环节故障以及交流输出环节故障三部分进行研究。踊Ｃｌ交流输ｌ竺÷一上厂曛本．上Ｉ本——ＬｒｒｒＬ’ＴＬ、～．。—‘ｒｒｒ图１三电平逆变系统简化示意图Ｆｉｇ．１Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌＮＰＣｉｎｖｅｒｔｅｒｓｙｓｔｅｍ１．１交流输入环节故障特性分析与保护现状为减小对电网侧的谐波干扰，三电平逆变系统交流输入侧一般由移相整流变压器与多个二极管整流桥共同构成多脉波整流。而移相变压器绕组数量多，其故障形式相比普通变压器复杂，图２中给出了交流输入侧的典型故障示意图。图２交流输入环节故障示意图Ｆｉｇ．２ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｙｐｉｃａｌｆａｕｌｔｔｙｐｅｓｉｎＡＣｉｎｐｕｔ各种故障形式与特性分析如下：（１）一次侧绕组的相间短路，如图２中ｋ１点所示，当故障发生时，故障相间的电流增加，电压降低，若为不对称短路还将产生负序分量。（２）单相接地短路，如图２中ｋ２，ｋ６点所示，当故障发生时，系统将出现零序电压分量。（３）匝间短路，如果图２中ｋ３，ｌ（４，ｋ５点所示，此外，匝间短路还包括同相支路匝间短路（ｋ３，ｋ４点）、异相支路短路（ｋ５点）。对于以上故障，前两种可以通过检测负序电压分量和零序电压分量加以判别，但对于匝间短路故障而言，其检测难度较大，以ｋ３点为例进行分析。设该相发生过渡电阻为的匝间故障，被短路部分线圈磁链和电阻分别为ｗｒｉｔ１ｒｇ，故障相本身的电流为ｆｃ，短路环电流为ｉ。，则短路回路的电压方程为…ｊ＋之＋（＋ｉｏ）＝０（１）ｄ。。由式（１）可知，当短路环中过渡电阻Ｒ很小时，将会出现较大的短路电流，但是在变压器端口的电流、电压变化不明显。而目前国内外在三电平逆变器输入环节所配置的保护，仅包括过流保护、缺相保护、不平衡保护等，这些保护措施在保护可靠性和动作灵敏度方面已经难以满足应用要求。加之，由于移相整流变压器二次绕组和抽头数量多，不便于安装电流互感器，传统的变压器差动保护难以实现。１．２直流环节故障特性分析与保护现状高压大功率三电平逆变系统直流环节主要由多脉波整流单元与直流母线构成。图３中给出了直流环节的典型故障示意图。ｋ７．＝－Ｊ古ｋｓＤ．Ｅ＝ｂ－－－－Ｌ幺＇＿１一ｉｉ）ＦＧ，Ｌ／１图３直流环节故障示意图Ｆｉｇ．３ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｙｐｉｃａｌｆａｕｌｔｔｙｐｅｓｉｎＤＣｌｉｎｋ各种故障形式与特性分析如下：（１）整流二极管短路，如图３中ｋ，点所示，当二极管短路时相当于变压器二次侧发生相间短路，变压器一次输入电流将会出现负序分量。当二极管开路时，系统相当两相桥整流状态，将引起整流波形发生畸变，直流母线脉动数值加大。（２）直流母线短路，如图３中Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ回路所示，此时直流母线电压会迅速下降，伴随变压器原方出现过流。如果是金属性的短路，则会导致直流电容直通的严重故障，必须加以快速判断和处理。电力系统保护与控制（３）直流母线接地短路，如图３中ｋ８，ｋ９，ｋ１０点所示，当出现两点，或多点接地短路时，与直流母线短路相当。但是，在发生一点接地时（ｋ８，ｋ９，ｋ】０中的某一点），直流母线上下电容电压以及平衡度均正常，这时如果保护不能有效加以识别，当出现第两点接地时，将会导致直流母线短路，因此，对直流母线一点接地故障应该引起足够重视。而目前国内外在三电平逆变器直流环节所配置的保护，仅限于直流母线过压、过流保护，低电压保护，以及正负母线不平衡保护等。对一点接地短路，无法进行有效识别，此外，由于电力电子设备启动停机频繁，在直流母线充电过程中存在低电压，简单的低电压保护存在死区。因此，对目前现有的保护配置有必要进行完善和调整。１．３变频交流输出环节故障特性分析与保护现状交流输出环节主要包括逆变器与负载。图４中给出了交流输出环节的典型故障示意图。图４交流输出环节故障示意图Ｆｉｇ．４ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｙｐｉｃａｌｆａｕｌｔｔｙｐｅｓｉｎＡＣｏｕｔｐｕｔ各种故障形式与特性分析如下：（１）逆变电路功率开关损坏，如图４中ｋｌ】点所示，该部分的故障一方面由功率开关自身的检测电路完成【ｌ，或者在电路中设置快熔元件实现对系统的保护［９－１０］。（２）相间短路，如图４中ｋ】２点所示，当发生相间短路时将使输出侧故障相电压降低、电流增大，不对称时还会出现负序电流。（３）单相接地短路，如图４中ｋｌ３点所示，当发生单相接地短路时，系统输出侧将产生明显的零序电压、电流。需要特别说明的是，为达到不同控制目的，逆变器输出电压的幅值、频率以及相位均会大幅度变化，例如在驱动异步电机时，频率从几赫兹到几百赫兹、电压从额定值的３％～５％到高于额定值、相位跳跃式改变，这些都与传统交流电气量有很大差异，因此，常规的保护原理与故障识别算法【ｌ中基于工频下的故障分量提取方法已不能完全适用。通过以上分析可以得知，在环境工况、电路结构日益复杂的现状下，目前高压大功率三电平逆变系统的保护设计与原理研究已落后于主电路和控制技术的发展，难以满足实际应用的要求，需要进行完善。２三电平逆变系统保护原理研究根据上述故障形式和电气量变化特性的分析结果，分别对三个环节的保护原理进行研究。２．１三电平逆变系统交流输入环节保护原理针对交流输入环节故障特性，该部分除了配置简单的相电流过流保护、缺相保护、变压器绕组温度越域保护等常规保护外，还针对移相绕组的故障特性设计了如下保护功能。（１）复合电压过流保护由前文所述可知，多绕组移相变压器绕组短路难以通过传统的变压器纵差保护来实现，因而本文设计了由过流元件、低电压元件、负序电压元件共同构成的复合电压过流保护，保护逻辑如图５所示。图５复合电压过流保护逻辑图Ｆｉｇ．５Ｌｏｇｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｖｏｌｔａｇｅｏｖｅｒ－ｃｉｒｃｕｉｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ其中各元件的动作判据和说明如下。Ａ．过流元件动作判据为（Ｉａ＞Ｉｓ）Ｕ（＞）Ｕ（＞）（２）式中：厶，，ｂ，，ｃ为Ａ、Ｂ、Ｃ相电流；为过流整定值。为防止扰动导致保护误动，过电流元件需与电流突变量启动元件相配合，即在突变量元件启动时，不附加延时出口。Ｂ．低电压元件动作判据为＜（３）式中：ｉ为三个线电压中最小一个；ｕｓ武为低电压整定值。ＰＴ断线时会造成低电压元件误判，故ＰＴ断线时将闭锁低电压元件。刘健，等高压大功率三电平逆变系统故障特性分析与保护原理研究．２５．Ｃ．负序电压元件动作判据为＞Ｕ２（４）式中：为负序电压；ｕ２。乱为负序电压整定值。ＰＴ断线时会造成负序电压元件误判，故ＰＴ断线时将闭锁负序电压元件。Ｄ．线电流突变量启动元件启动判据为—ｆ（一ｆ（一ＩＩｆ（，ｚ一一ｉ（ｎ一２Ｎ）Ｉ＞（５）式中：）为ｎ点或ｎＴｓ时刻的线电流采样值；Ｎ为每基频周期采样点数；，ｓ。为启动门槛值。（２）负序过流保护为增加复合电压过流保护的灵敏度，交流输入侧还辅助配置了负序过流保护，在发生不对称短路时，其动作灵敏度远胜于普通的相电流过流保护。（３）零序过压保护当变压器发生单相接地故障时，将出现比较明显的零序电压分量，因此，变压器绕组单相接地保护由零序过压保护构成，保护启动后给出告警信号。（４）变压器二次谐波制动变压器上电过程中存在励磁涌流，负序过流保护在此时会动作，为了避免保护误动，增加了变压器二次谐波制动功能。该功能还会与输入过流保护以及负序过流保护相互配合，以避免变压器在上电时存在保护死区。由于过流保护、负序过流保护、零序过压保护相对简单，加之文章篇幅限制，在此仅做出说明。２．２三电平逆变系统直流环节保护原理由前文分析可知，简单的低电压保护、过电压过电流保护，正负母线不平衡保护，无法反应直流母线的一点接地故障，并且在系统上电过程中存在的正常低电压过程也无法实现有效保护。为弥补以上不足，本文针对直流环节的故障特性设计了如下保护功能。（１）基于电压平衡的直流母线一点接地保护当正常运行时，正、负极对地电压相等，当出现１点接地后，接地母线对地电压降低，而非接地母线对地电压升高，由此可综合比较判断系统是否出现１点接地故障，其动作判据为ＩＩ＋ｌ＋ｌｌ＞。（６）式中：是靠近正母线直流电容上的电压；Ｕ是靠近负母线直流电容上的电压；是整流输出的中性点对地电压；乱是电压平衡整定值。该保护需要逆变器增设额外的霍尔电压测量元件。（２）自适应直流母线电压偏移越域保护变频器正常运行时，变压器输入电压与整流后的直流母线电压存在一个固定的比例关系，当整流单元二极管开路，或发生其他内部故障时，该比例关系将被破坏。其动作判据为ｕ＋－ｌ＜（７）’７ｃ式中：是变压器输入侧相电压幅值；是电压整定系数。为防止系统充电时保护误动，该保护仅在装置主电路上电就绪后才投入。（３）组合式直流回路充电保护主要用于对充电回路短路故障进行保护，通过检测整流输出正极电流及电容器两端的电压进行判断，该保护用作判断系统上电过程中是否出现短路故障。其动作判据为＞儿Ｊ｛ｌ（＜）ｕ（＜）ｌｎ（＞）｝（８式中：，＋是正母线上的电流；，ｓ。ｌ、厶。ｔ２是直流正极电流整定值；豇是电容器电压整定值。当电流大于整定值ｋ１时，开始计时；当电流大于整定值ｅｔ２时立即跳闸；当充电时间超过且电容两端电压小于整定值毗时，给出跳闸命令。，Ｓ反映充电电阻短路故障；。为系统充电时间。２．３三电平逆变系统交流输出环节保护原理交流输出侧保护主要反应逆变系统输出侧各种类型的故障，其中主要包括输出侧相间短路、输出侧单相接地、输出侧三相不平衡等，其保护原理可借鉴传统的保护方法，包括过电流保护、采样值过流保护、零序过电压保护、零序过电流保护、负序过电流保护等。需要特别指出的是，由于三电平逆变系统输出电压幅值、频率存在交大范围的波动，因此，如何正确、快速地计算出上述保护所需的基频电流、电压值，是实现各项保护功能的关键。本文针对该问题，提出了一种自适应变步长的全周傅氏算法。该方法可以大幅度提高基频分量的计算速度，减少数据计算量，该方法的基本步骤是，先在线测量输出信号的基频频率，然后自适应调整全周傅氏算法的数据窗长度，其实虚部计算公式如下。ｙＲ￣，，ｅｐＣＯＳｋ－２６－电力系统保护与控制ｒ，－一。七Ⅳ（／）＝ｉｎｔ（５０ｘ÷）（１１）＿，ｘｓｔｅｐⅣ式中：ｙＲ为交流量的实部；为交流量的虚部；（厂）为一个周波内的傅氏算法计算点数；ｓｔｅｐ为傅氏算法在当前周波数据窗中的取值间隔；ｙｋ为当前周波傅氏算法最终取值；ＣＰ为系统采样频率；厂为三电平逆变器输出频率；ｈｎ为取整符号。，辫一圈囊模型参数与本文研制的６ｋＷ１Ｍｗ三电平逆变器结构参数一致，如表ｌ所示。表１仿真模型主要器件参数Ｔａｂｌｅ１Ｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ部件参数系统电源移相变压器直流母线电容ｄＡ限制电路ｄｆ逆变输出滤波器输出负载６．３ｋＶ，短路功率１０ＭＶＡ，阻抗角８０￣容量１．５ＭＶＡ，二次侧绕组线电压３．４５ｋＶ２２００ｌａＦ，充电电阻５ｋｎ电感３５Ｈ，电阻５ｎ，箝位电容４５电感４ｍＨ，电容７０６ｋＶ／１ＭＷ异步电机图７为变压器二次侧绕组相间短路后变压器输入侧电流变化情况。故障时刻为０．１５Ｓ，当发生相间短路时，其基本故障特性是，故障相电流显著增大，故障相之间的电压大幅降低，若为不对称短路，同时将产生明显的负序分量。当二极管短路时，此类故障相当于输入变压器二次侧绕组在出线端口的相问短路，其波形与图７类似。而单个二极管开路时，会使得整流后的直流电压波形出现降低。如图８所示，当单个二极管开路时，直流母线电压随之降低。而且，变压器原方的电流负序分量也相应增加。０萋＿５００一ｌ００００．Ｏ００．０５０．１００１５０－２Ｏ０，２５０．３０ｔ／ｓ图７变压器二次绕组相间短路输入侧电流波形Ｆｉｇ．７Ｆａｕｌｔｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｉｎｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｕｎｄｅｒｐｈａｓｅｆａｕｌｔｉｎｓｅｃｏｎｄａｒｙｗｉｎｄｉｎｇｓｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ１Ｏ耋８６ｉ：ｉｉｉｉｊｉ‘…一一，｝＾ｖ，＾＿＿啼ｗ，ｌ：：！ｉｉｉ””……’‘０・｝ｍ扣－－・・・｝＇－・÷‘．．・－扣～ｌ；：；；ｉ：ｉ；图８变压器二次绕组相间短路直流母线电压波形Ｆｉｇ．８ＦａｕｌｔｗａｖｅｆｏｒｍｏｆＤＣｌｉｎｋｖｏｌｔａｇｅｕｎｄｅｒｐｈａｓｅｆａｕｌｔｉｎｓｅｃｏｎｄａｒｙｗｉｎｄｉｎｇｓｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ图９所示为逆变器输出端Ａ，Ｂ两相对地短路发生（０．３５ｓ）与故障消除（Ｏ．５５Ｓ）过程中负载电机的定子电流波形（图中电流为标幺值）。从仿真波形中可以看到在短路发生后，逆变器输出Ａ，Ｂ相仍然有电压和电流存在，约为额定值的２倍。但对Ｃ相的电压电流波形冲击更大，约为额定值的５—————ｏ；＿＿志８０．２ｎ３０．４０．５ｎ６０．７０８ｆ，ｓ图９逆变器Ａ，Ｂ相对地短路电流波形Ｆｉｇ．９ＦａｕｌｔｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｐｈａｓｅｃｕｒｒｅｎｔｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｆａｕｌｔｏｆＡａｎｄＢｐｈａｓｅｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒ刘健，等高压大功率三电平逆变系统故障特性分析与保护原理研究．２７．倍。由于文章篇幅所限，在此仅给出了几个典型的故障仿真波形。为进一步验证以上保护配置与原理的正确性，本文在６ｋＶ／１ＭＷ的三电平逆变系统中，依照ＤＬ／Ｔ８７１．２００４《电力系统继电保护产品—动模试验》，ＧＢ１４２８５９３《继电保护和安全自动装置技术规程》的要求，进行了多项静态模拟与试验研究。３．２静态模拟与试验研究试验对象的实物图如图１０所示在逆变系统保护功能投入试验之前，为了验证系统内部各保护程序模块的功能，首先对其进行了静态模拟试验，该部分功能均是结合继电保护测试仪完成，由于篇幅限制，本文仅给出三个保护环节中典型保护功能的测试结果，如表２所示。图ｌ１所示为利用故障录波仪器记录的６ｋＶ启动时刻交流输入侧负序过流保护的动作波形。该问题是由于变压器上电瞬间的励磁涌流现象造成，为验证负序过流保护功能的正确性，在进行本次试验时，将变压器二次谐波制动元件退出了运行，为便于分析，还延长了保护动作出口时间。图１２为直流母线短路故障时的动作波形（取Ａ相电气量进行分析）。本次故障是装置在研发试运行■（ａ）６ｋＶ／１Ｍｗ三电平逆变系统（ｂ）直流母线部分图１０６ｋＶ／１Ｍｗ三电平逆变系统实物图—Ｆｉｇ．１０６ｋＶ／１ＭＷｔｈｒｅｅｌｅｖｅｌＮＰＣｉｎｖｅｒｔｅｒｓｙｓｔｅｍ表２典型保护功能测试结果Ｔａｂｌｅ２Ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｙｐｉｃａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ保护功能整定值输入值结果说明ｌ０Ａｌ０，１Ａ动作区内故障复合电压１０Ａ９．９Ａ不动作过流保护１ＯＡ１０．１Ａ动作区外故障１０Ａ９．９Ａ不动作母线电压直流母线不动作交直流输入电压２Ｖ５．２Ｖ电压偏移转换系数：偏移系数２母线电压越域保护动作１＿３５５－３Ｖ输出侧自适应ｌ０Ａｌ１．９Ａ不动作过流系数：变频保护１ＯＡ１２．１Ａ动作１．２过程中，由于整流桥散热器绝缘击穿而导致的直流母线短路，录波仪记录了该次故障的发生以及保护动作的波形，表３所示为故障前后的电气量数值。［ｎｎｎ，、ｎ竺——［ｖｖ、，、～△［．Ａ＾Ｊ．：————［从…＾…３００４００５００６００７００８００ｔ／ｍｓ图１１输入负序过流保护动作波形Ｆｉｇ．１１Ｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｉｎｐｕｔｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｏｖｅｒｃｕｒｒｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ政惮时ｕ）．）Ｖ王始器刚＾一Ｖ勇相输入２＞—、＾～，、一．／４５４８．７‘、ｌ一一５４５ｎ６Ｖ逆变器Ａ相输出电压／：５３．０Ａ４２．２Ａ’……Ｖ图１２直流母线短路保护动作波形Ｆｉｇ．１２Ｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆＤＣｂｕｓ表３故障前后电气量数值Ｔａｂｌｅ３ＶａｌｕｅｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａＲｅｒｆａｕｌｔ直流母线发生短路后（３５０ｍｓ时刻），保护程序立即判断出直流母线短路故障，并迅速闭锁了功率开关器件，同时向主断路器发出跳闸命令。由图１２可以看出闭锁脉冲后逆变器Ａ相已停止输出（故障后的电压波形为异步电机反供电产生），电机的反供电电流通过逆变器续流二极管流入直流母线，绝０湖姗００ｏ１ｆｌ｝ｌｆｌ｝ｌ电力系统保护与控制对值达到２５７．３Ａ。在跳闸命令发出约５０ｍｓ后（４００ｍｓ时刻），主断路器成功跳开，故障切除，输入电压电流迅速降为零。输出电流随电机惯性作用逐渐降低至零。由表３数据可以看出，由于是内部故障，故障时间内系统输入端电压明显下降，并且电流上升明显，绝对值达到４５１．２Ａ。此时，由于直流母线短路，因此该电流数值很大，绝对值达到１７５４＿３Ａ。图ｌ３为逆变器驱动６ｋＶ异步电机以３Ｈｚ频率启动时，人为调低采样值过流保护门槛时的保护动作波形，系统设定采样值过流定值为７０Ａ。从图中可以看出当逆变器Ａ相输出电流超过保护设定值后，系统立即闭锁了逆变器控制脉冲（图ｌ３为故障录波仪记录的数据，因此存在一定的测量误差，显示最大电流达到７７．８Ａ）。另外，三电平逆变系统采用了恒压频比控制，因此，启动时输出电压较低（为２７８．６Ｖ），当闭锁逆变器输出后，由于电机反供电作用，出现了２～３个周波的电压冲击。５喜一０５Ｏ≤一５ｏ２耄ｏ－８。２≤一８ｏ系统Ａ相输入电压Ｏ时刻八八八茹”’。逆变器Ａ相输出电压１７１９．——５Ｖ～：＿２７８．６Ｖ…｜一＼／＼／一逆变器Ａ相输出电流７７．８Ａ图１３输出采样值过流保护动作波形Ｆｉｇ．１３Ｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｓａｍｐｌｅｖ￣ｕｅｓｏｖｅｒ－ｃｉｒｃｕｉｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆＡＣｏｕｔｐｕｔ由于篇幅限制，仅给出了三电平逆变系统输入、直流及输出三个环节在典型故障下的保护动作波形，其中有随机产生的故障，也有人为模拟的故障，从试验结果来看，相关保护元件均能正确动作。４结论高压大功率三电平逆变电路在实际应用中面临新的理论和技术问题，现有保护功能与原理己不能完全满足要求。本文结合高压大功率三电平逆变系统的故障特点，将系统划分为交流输入、直流、交流输出三个环节，对各环节故障特性与保护原理进行了研究，其主要特点与创新如下：（１）分析了交流输入侧现有故障形式，以及多绕组移相变压器保护配置的不足，提出了在交流输入侧设置以复合电压过流保护为代表的一套较为完整的交流输入侧保护方案。（２）针对直流母线现有故障形式，以及保护配置的不足，并结合直流母线短路、一点接地等故障的特点，提出了以基于电压平衡原理的一点接地保护为代表的一套较为完整的直流母线保护方案。（３）针对交流输出侧电气量特点，提出了一种自适应变步长的全周傅氏算法，提高了基频故障分量的计算速度。仿真计算、静态模拟以及试验研究均表明，保护方案与原理的合理性与可行性，其综合性能与传统保护相比有明显的改善与提高，能够更好地满足应用要求，同时也弥补了现有保护功能的不足。参考文献［１］ＮａｂａｅＡ，ＴａｋａｈａｓｈＩ，ＡｋａｇｉＨ．ＡｎｅｗｎｅｕｔｒａｌｐｏｉｎｔｃｌａｍｐｅｄＰＷＭｉｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ】．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９８１，１７（５）：５１８－５２３．［２］裘锦勇，宋文祥，韩杨，等．基于电压空间矢量的三电平ＰＷＭ整流器研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，—２００９，３７（１３）：５８６２．ＱＩＵＪｉｎ－ｙｏｎｇ，ＳＯＮＧＷｅｎ－ｘｉａｎｇ，ＨＡＮＹａｎｇ，ｅｔａ１．—ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｒｅｅｌｅｖｅｌＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒｂａｓｅｄｏｎｓｐａｃｅｖｅｔｏｒｐｕｌｓｅｗｉｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ】．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，３７（１３）：５８－６２．［３］李国栋，毛承雄，路继明，等．基于ＩＧＣＴ串联的三电平高压变频器直流环节研究【Ｊ】．中国电机工程学报，２００７，２７（１）：８２－８７．ＬＩＧｕｏ・ｄｏｎｇ，ＭＡＯＣｈｅｎｇ－ｘｉｏｎｇ，ＬＵＪｉ－ｍｉｎｇ，ｅｔａ１．ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅＤＣ．１ｉｎｋｏｆ６１（ＶＮＰＣｔｈｒｅｅ．１ｅｖｅｌ’ｍｅｄｉｕｍｖｏｌｔａｇｅｄｒｉｖｅｓｂａｓｅｄｏｎＩＧＣＴｓｓｅｒｉｅｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２００７，２７（１）：８２培７．［４］白华，赵争鸣．三电平高压大功率变频调速系统中的预励磁方案［Ｊ］．电工技术学报，２００７，２２（１１）：９１．９７．ＢＡＩＨｕａ，ＺＨＡＯＺｈｅｎｇ－ｍｉｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｔａｒｔｉｎｇ—ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｉｎｔｈｅｔｈｒｅｅｌｅｖｅｌｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒｉｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ—Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００７，２２（１１１：９１９７．［５］肖华峰，杨晨，谢少军．ＮＰＣ三电平并网逆变器共模电流抑制技术研究［Ｊ】．中国电机工程学报，２０１０，—３０（３３）：２３２９．ＸＩＡＯＨｕ￣ｎｇ，ＹＡＮＧＣｈｅｎ，ＸＩＥＳｈａｏ－ｊｕｎ．ＮＰＣｔｈｒｅｅ．．１ｅｖｅｌｇｒｉｄ．．ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈｌｅａｋａｇｅｃｕｒｒｅｎｔｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０１０，３０（３３）：２３．２９．［６］解大，解蕾，张延迟，等．连接海上风电场的基于直接功率控制的三电平ＶＳＣ．ＨＶＤＣ［Ｊ１．电力系统保护与控制，２０１０，３８（１４）：９８．１０２．ⅪＥＤａ，ＸＩＥＬｅｉ，ＺＨＡＮＧＹａｎ．ｃｈｉ，ｅｔａ１．Ｔｈｒｅｅ．１ｅｖｅｌＶＳＣ．ＨＶＤＣｂａｓｅｄｏｎｄｉｒｅｃｔｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ刘健，等高压大功率三电平逆变系统故障特性分析与保护原理研究．２９．（上接第２１页ｃｏｎｔｉｎｕｅｄｆｒｏｍｐａｇｅ２１）［５］ＭｙｋｈａｉｌｏＫｌｙｍａｓｈ。ＩｖａｎＤｅｍｙｄｏｖ．Ｔｈｅｍａｔｒｉｘｍｅｔｈｏｄ’ｏｆｎｅｔｗｏｒｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｃ】／／’ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＡＤＳＭ２００７，Ｆｅｂ．，２００７，Ｐｏｌｙａｎａ，ＵＫＲＡＩＮＥ，２００７：２９８－３０１．［６］姚玉斌，王丹，吴志良，等．方程求解法网络拓扑分析［Ｊ】．电力自动化设备，２０１０，３０（１）：７９．８３．—ＹＡＯＹｕｂｉｎ，ＷＡＮＧＤａｎ。ＷＵＺｈｉ．１ｉａｎｇ，ｅｔａ１．Ｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙａｎａｌｙｓｉｓｂｙｓｏｌｖｉｎｇｅｑｕａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｍ，２０１０，３０（１）：７９－８３．［７］周云成，付立思，许童羽，等．基于ＧＩＳ的１０ｋＶ配电网络电气连通性分析『Ｊ］Ｊ．电力系统保护与控制，２０１０，３８（１０）：８３－８８．ＺＨＯＵＹｕｎ．ｃｈｅｎｇ，ＦＵＬｉ．ｓｉ，ＸＵＴｏｎｇ－ｙｕ，ｅｔａ１．Ｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙａｎａｌｙｚｉｎｇｆｏｒ１０ｋＶｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｂａｓｅｄｏｎＧＩＳ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，３８（１０）：８３－８８．［８］姚玉斌，宣俭，于娜，等．连通矩阵准平方法网络拓扑分析【Ｊ】．电力系统保护与控制，２０１１，３９（５）：３１－３４，４０．ＹＡＯＹｕ－ｂｉｎ，ＸＵＡＮＪｉａｎ，ＹＵＮａ，ｅｔａ１．ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙｂＹｑｕａｓｉ－ｓｑｕａｒｅｏｆｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙｍａｔｒｉｘ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１１，—３９（５）：３１３４，４Ｏ．收稿日期：２０１１－０５－１７；修回日期：２０１１－０６－２１作者简介：姚玉斌（１９６５一），男，博士，电力系统分析和控制。Ｅ．ｍａｉｌ：副教授，主要研究方向为ｙａｏｙｕｂｉｎ＠ｄｌｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ