兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法
【專利摘要】本發明公開了一種兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，包括以下步驟：步驟一、換流器故障保護，具體過程為：步驟101、換流器出口電流信號采集及處理，步驟102、使故障換流器的IGBT器件不再工作，步驟103、故障換流器所在換流站的交流系統斷路器跳閘，步驟104、非故障換流器工作于無功補償狀態；步驟二、換流器故障診斷，具體過程為：步驟201、故障信號采集；步驟202、故障信號預處理；步驟203、故障特征參數計算；步驟204、換流器故障診斷模塊通過層次化方法進行換流器故障診斷。本發明的方法步驟簡單，實現方便，成本較低，故障診斷識別率高，實用性強，使用效果好，便于推廣使用。
【專利說明】
兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法
技術領域
[0001] 本發明屬于柔性直流輸電系統技術領域，具體涉及一種兩電平柔性直流輸電換流 器故障保護及故障診斷方法。
【背景技術】
[0002] 柔性直流輸電系統(VSC-HVDC)是應綠色電網、新能源發電并網要求而發展起來的 一種新型直流輸電技術，現今已廣泛應用到風力發電、孤島送電、海洋發電等很多領域。柔 性直流輸電換流器每個橋臂都需要若干個大功率全控器件級聯而成，是裝置中的核心部 分。當電壓源換流器發生故障時，構成系統的各個設備或組件都有可能承受過電壓、過電 流、過熱等不正常應力，如果沒有及時保護可能造成設備或者組件的損壞。若換流器為嚴重 瞬時性故障或者永久性故障，不僅會強迫系統退出運行甚至會損壞換流站中最為昂貴的全 控電力電子器件及其他重要部件，由此造成系統不能快速恢復運行給用戶造成更大的經濟 損失。分析制定故障控制保護策略在預定的時間內采取措施隔離故障保護可能損壞的元 件，準確辨識故障查找和確定導致相應故障模式的故障元件組，可為裝置的安全可靠運行 與故障快速恢復提供有力的保障。
[0003] 目前關于VSC-HVDC換流器故障控制保護的取得了很多成果，例如，申請號為 201510421542.0的中國專利公開了 一種柔性直流輸電系統的故障保護方法，該方法通過分 區保護對直流線路和換流器進行分區保護，通過加裝保護裝置對不同故障類型和故障位置 進行保護。申請號為201510216573.2的中國專利公開一種柔性直流輸電換流閥控制保護系 統計閥控閉鎖方法，該方法提出換流閥控系統出現故障時，將系統最上層的極控接口單元 獨立通信通道將緊急閉鎖信號發送給底層的子模塊實現換流器閥的閉鎖。201110243651.X 的中國專利公開一種模塊化多電平換流器的保護系統及其保護方法，該方法在電抗器和電 網的連接之間設置光學電流互感器，通過監測判定是否有過流現象，若有過流現象是進行 暫時全局閉鎖還是永久全局閉鎖。申請號為201510089088.3的中國專利公開了柔性直流輸 電多電平的過流保護方法，該方法研究解決了包括閥基電子設備檢測閥橋臂過流故障保護 配置方法，以及閥基電子設備檢測過流故障時保護功能實現方法。
[0004] 目前關于VSC-HVDC換流器故障診斷的成果較少。例如，申請號為201310132795.7 的中國專利公開了一種模塊化多電平換流器的子模塊故障診斷方法，針對子模塊的子模塊 IGBT短路、IGBT開路、FWD短路等故障做了分析，通過電容電壓、橋臂電流及此時的觸發信號 作為故障診斷信號進行子模塊故障診斷。作者李志雄和嚴新平于2011年發表的論文《獨立 分量分析和流形學習在VSC-HVDC系統故障診斷的應用》，以及作者孫曉云于2012年發表的 論文《VSC-HVDC系統換流器故障仿真分析及診斷方法的研究》研究了基于兩電平電壓源換 流器的VSC-HVDC故障運行特性，結合信號處理和模式識別的思想設計換流器故障診斷方 法。但是現有故障診斷技術中提出的基于兩電平電壓源換流器的VSC-HVDC故障診斷方法需 要提取較長時間的診斷信號，如果電壓源換流器出現后果嚴重的貫穿故障，故障瞬間產生 嚴重過流現象短時間內需要啟動保護策略保護電壓源換流器，而提出的診斷方法遇到了提 取故障診斷信號的困難其故障診斷方法很難應用于實際系統。

【發明內容】

[0005] 本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種兩電平柔 性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其方法步驟簡單，實現方便，成本較低，故障 診斷識別率高，實用性強，使用效果好，便于推廣使用。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種兩電平柔性直流輸電換流 器故障保護及故障診斷方法，其特征在于該方法包括以下步驟：
[0007] 步驟一、換流器故障保護，具體過程如下：
[0008] 步驟101、換流器出口電流信號采集及處理:換流器故障保護模塊實時采集直流電 流傳感器檢測到的換流器出口直流電流Idc(t)，并根據條f
4斷換流器是 否出現了嚴重貫穿故障，當條餌
戎立時，判斷為換流器出現了嚴重貫穿故 障，執行步驟102,否則，判斷為換流器未出現嚴重貫穿故障，重復執行步驟101;其中，ΙΝ* 換流器的額定直流電流；
[0009] 步驟102、換流器故障保護模塊發送IGBT器件閉鎖脈沖給與其相接的IGBT驅動電 路模塊和換流器故障診斷模塊，IGBT驅動電路模塊接收到換流器故障保護模塊發送給其的 IGBT器件閉鎖脈沖后驅動故障換流器的IGBT器件，使故障換流器的IGBT器件不再工作，從 而使故障換流器不再工作；
[0010] 步驟103、換流器故障保護模塊發送斷路器跳閘觸發信號給故障換流器所在換流 站的換流站監控系統，換流站監控系統接收到斷路器跳閘觸發信號后，發送斷路器跳閘控 制信號給與其遠程通信的斷路器控制器，斷路器控制器控制故障換流器所在換流站的交流 系統斷路器跳閘；
[0011] 步驟104、換流器故障保護模塊發送非故障換流器工作觸發信號給故障換流器所 在換流站的換流站監控系統，故障換流器所在換流站的換流站監控系統接收到非故障換流 器工作觸發信號后，發送非故障換流器工作控制信號給非故障換流器所在換流站的換流站 監控系統，非故障換流器所在換流站的換流站監控系統控制非故障換流器工作于無功補償 狀態；
[0012] 步驟二、換流器故障診斷，具體過程如下：
[0013] 步驟201、故障信號采集：當換流器故障診斷模塊接收到換流器故障保護模塊發送 給其的IGBT器件閉鎖脈沖后，換流器故障診斷模塊采集電壓傳感器檢測到的故障換流器閉 鎖時刻輸出端的直流電壓Udc(O)，以及故障換流器閉鎖后兩個周期內A相電流傳感器檢測到 的故障換流器閉鎖后的A相交流電流i a(n)、B相電流傳感器檢測到的故障換流器閉鎖后的B 相交流電流ib(n)和C相電流傳感器檢測到的故障換流器閉鎖后的C相交流電流ic(n);其中， η的取值為1、2、-_、21~為故障換流器閉鎖后一個周期內4相電流傳感器、8相電流傳感器和 C相電流傳感器的采樣點數;Ν的取值為50~200的自然數；
[0014]步驟202、故障信號預處理:換流器故障診斷模塊以換流器故障前換流器直流電壓 設定值uset為標么值，根據標么化預處理直流電壓計算公式1]'<1。(0)=1]< 1。(0)/1^計算得到 標幺化預處理后的故障換流器閉鎖時刻輸出端的直流電壓U'dc(O);
[0015] 步驟203、故障特征參數計算，具體過程為：
[0016] 步驟2031、換流器故障診斷模塊根據公式
：')計算得到A相 交流電流的直流量ia〇、B相交流電流的直流量ibQ和C相交流電流的直流量1。〇;
[0017] 步驟2032、換流器故障診斷模塊根據公￥
I計算得到A相 交流電流的絕對平均值|ζ_α|、Β相交流電流的絕對平均值p和C相交流電流的絕對平均值
[0018] 步驟2033、換流器故障診斷模塊根據公式計算得到三相交流 電流絕對平均值的最大值g ^
[0019] 步驟2034、換流器故障診斷模塊根據公式
> 計算得到三相交流 電流絕對平均值的最小值; I Im iiL J
[0020] 步驟2035、換流器故障診斷模塊根據公式imax abs=max( I iaQ I，I ibQ I，I i。。I )計算得 到三相交流電流的直流量的絕對最大值imX abs;
[0021] 步驟204、換流器故障診斷模塊通過層次化方法進行換流器故障診斷，具體過程 為：
[0022] 步驟2041、換流器故障診斷模塊根據判定條件%_ < $判定故障類型，當判定條件 ftnax <為成立時，判定故障類型為橋臂直通故障和直流接地故障中的一類，執行步驟2042 ; 否則，當判定條件@^<4不成立時，判定故障類型為IGBT器件失效短路故障、單相接地故 障和兩相短路故障中的一類，執行步驟2043;其中，三相交流電流絕對平均值的最大值 |?|的故障判定閾值； I Imax
[0023] 步驟2042、換流器故障診斷模塊根據判定條件υ'^(0)>δ2判定故障類型，當判定條 件υ'&(ο)>δ 2成立時，判定故障類型為直流接地故障；否則，當判定條件υ'&(ο)>δ2不成立 時，判定故障類型為橋臂直通故障;其中，S 2為標幺化預處理后的故障換流器閉鎖時刻輸出 端的直流電壓U ' d。(0)的故障判定閾值；
[0024] 步驟2043、換流器故障診斷模塊根據判定條件判定故障類型，當判定條件 4成立時，判定故障類型為兩相短路故障，執行步驟2044;否則，當判定條件€ 不成立時，判定故障類型為IGBT器件失效短路故障和單相接地故障中的一類，執行步驟 2045;其中，δ3為三相交流電流絕對平均值的最小值pj min的故障判定閾值；
[0025] 步驟2044、換流器故障診斷模塊根據判定條件t =|/|min,(x = a,6,c)判定故障相位 置，當判定條件^=胃.成立時，判定A相為非故障相，B相和 C相為故障相；當判定條件 w· 1 irain 41成立時，判定b相為非故障相，A相和c相為故障相；當判定條件b 成立時，判 定C相為非故障相，A相和B相為故障相；
[0026]步驟2045、換流器故障診斷模塊根據判定條件判定故障類型，當判定 ^牛Pi_=成t時·，％定故%IGBT^牛&交女短路故_，手丸行&驟2046;否則，當 判定條件14^ 不成立時，判定故障類型為單相接地故障，執行步驟2047;
[0027]步驟2046、換流器故障診斷模塊根據判定條件| ix〇 | =imax abs, (x = a，b，c)判定故 障相位置，當判定條件I ia〇| =imax abs成立時，判定A相為故障相，B相和C相為非故障相，再根 據判定條件ia〇<〇判定故障是A相上橋臂故障還是A相下橋臂故障，當判定條件i a〇<0成立 時，判定為A相上橋臂故障，否則，當判定條件ia〇<0不成立時，判定為A相下橋臂故障；當判 定條件I ib〇| =imax abs成立時，判定B相為故障相，A相和C相為非故障相，再根據判定條件ib〇 <〇判定故障是B相上橋臂故障還是B相下橋臂故障，當判定條件ib〇<0成立時，判定為B相上 橋臂故障，否則，當判定條件ib〇<0不成立時，判定為B相下橋臂故障；當判定條件| i。。| = imax abs成立時，判定C相為故障相，A相和B相為非故障相，再根據判定條件;[。()<0判定故障是 C相上橋臂故障還是C相下橋臂故障，當判定條件ic^CO成立時，判定為C相上橋臂故障，否 貝1J，當判定條件1。0<0不成立時，判定為C相下橋臂故障；
[0028] 步驟2047、換流器故障診斷模塊根據判定條件f| = pmax,(x = a，6,C)判定故障相位 置，當判定條件P = Hmax成立時，判定A相為故障相，B相和C相為非故障相；當判定條件 41=Λιωχ成立時，判定財目為故障相，a相和〇相為非故障相；當判定條件Μ=成立時，判 定C相為故障相，Α相和Β相為非故障相。
[0029] 上述的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特征在于:步驟 201種所述故障換流器閉鎖后一個周期的時長為20ms。
[0030] 上述的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特征在于:步驟 201和步驟203中所述N的取值為100。
[0031] 上述的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特征在于:步驟 2041中所述δ:的取值為換流器交流電流額定值的1 %。
[0032] 上述的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特征在于:步驟 2042中所述δ2的取值為0.25。
[0033] 上述的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特征在于:步驟 2043中所述δ3的取值為換流器交流電流額定值的1 %。
[0034] 上述的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特征在于:所述 換流器故障保護模塊和換流器故障診斷模塊均包括DSP芯片。
[0035] 本發明與現有技術相比具有以下優點：
[0036] 1、本發明的方法步驟簡單，實現方便。
[0037] 2、本發明可以實現兩電平柔性直流輸電換流器故障保護和故障診斷工作，能夠避 免因換流器因出現嚴重貫穿故障導致的裝置毀壞現象，同時能夠診斷出換流器的故障類型 且準確地定位到故障具體位置，為進行后期故障換流器的檢修提供了理論支撐，使得后期 能夠快速地完成故障換流器的檢修減少由于換流器故障帶來的經濟損失。
[0038] 3、本發明可以實現柔性直流輸電故障換流器的保護及診斷工作同時，還能夠使非 故障換流器工作于無功補償器狀態，提高了系統的整體經濟運行能力，減少了因故障帶來 的經濟損失。
[0039] 4、本發明進行換流器故障診斷時，采用的故障診斷方法建立在故障保護配合的基 礎上，不需要增加額外的傳感器，只需要利用換流器側現有的三相交流電流和換流器的直 流電壓作為故障診斷信號，實現成本較低，故障診斷方法簡單且計算速度快，故障診斷識別 率高。
[0040] 5、本發明進行換流器故障診斷時，采用的是在換流器故障保護模塊閉鎖保護故障 換流器IGBT器件且非故障側換流器工作于控直流電壓的無功發生器狀態下的換流器故障 診斷方法，利用了 IGBT器件閉鎖后兩個周期共40ms內故障換流器輸出端的直流電壓和故障 換流器的三相交流電流，不僅能夠診斷出換流器的故障類型，而且能夠準確地定位到故障 換流器的故障具體位置，為進行后期故障換流器的檢修提供了理論支撐，使得后期能夠快 速地完成故障換流器的檢修，減少由于換流器故障帶來的經濟損失。
[0041] 6、本發明進行換流器故障診斷時，采用的故障診斷方法克服了換流器嚴重貫穿故 障下的診斷信號提取困難，能夠應用于實際系統。
[0042] 7、本發明的實用性強，使用效果好，便于推廣使用。
[0043]綜上所述，本發明的方法步驟簡單，實現方便，成本較低，故障診斷識別率高，實用 性強，使用效果好，便于推廣使用。
[0044]下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
【附圖說明】
[0045]圖1為兩電平柔性直流輸電系統的電路拓撲圖。
[0046] 圖2為本發明所采用的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷系統的電 路連接框圖。
[0047] 圖3為本發明兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法的方法流程框 圖。
[0048]圖4為IGBT器件失效短路故障、橋臂直通故障、單相接地故障、兩相短路故障和直 流接地故障的位置分布圖。
[0049]圖5A為換流器發生IGBT器件失效短路故障時閉鎖保護后的電壓波形圖。
[0050]圖5B為換流器發生IGBT器件失效短路故障時閉鎖保護后的電流波形圖。
[0051]圖6A為換流器發生橋臂直通故障時閉鎖保護后的電壓波形圖。
[0052]圖6B為換流器發生橋臂直通故障時閉鎖保護后的電流波形圖。
[0053]圖7A為換流器發生單相接地故障時閉鎖保護后的電壓波形圖。
[0054]圖7B為換流器發生單相接地故障時閉鎖保護后的電流波形圖。
[0055] 圖8A為換流器發生兩相短路故障時閉鎖保護后的電壓波形圖。
[0056] 圖8B為換流器發生兩相短路故障時閉鎖保護后的電流波形圖。
[0057]圖9A為換流器發生直流接地故障時閉鎖保護后的電壓波形圖。
[0058] 圖9B為換流器發生直流接地故障時閉鎖保護后的電流波形圖。
[0059] 附圖標記說明：
[0060] 1 一換流器故障診斷模塊；2-換流器故障保護模塊；
[0061] 3-電壓傳感器；4一A相電流傳感器；5-B相電流傳感器；
[0062] 6-C相電流傳感器。
【具體實施方式】
[0063] 本發明針對如圖1所示的兩電平柔性直流輸電系統而提出，圖1中，左側的換流站 為送端換流站(VSC1)，右側的換流站為受端換流站(VSC2)，送端換流站(VSC1)的各物理量 以下標"Γ表示，受端換流站(VSC2)的各物理量以下標"2"表示，U dcl為送端換流站(VSC1)出 口的直流電壓，iai為送端換流站(VSC1)的A相交流電流，i bl為送端換流站(VSC1)的B相交流 電流，ici為送端換流站(VSC1)的C相交流電流；ia2為受端換流站(VSC2)的A相交流電流，i b2 為受端換流站(VSC2)的B相交流電流，1。2為受端換流站(VSC2)的C相交流電流;id。為直流線 路的直流電流。圖2給出了本發明所采用的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診 斷系統的電路連接框圖，圖2中，送端換流站(VSC1)通過變壓器12和交流系統斷路器11與交 流電源13連接，送端換流站(VSC1)為故障側;受端換流站(VSC2)通過變壓器12和交流系統 斷路器11與交流電源13連接，受端換流站(VSC2)為非故障側。
[0064] 如圖2和圖3所示，本發明的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方 法，包括以下步驟：
[0065] 步驟一、換流器故障保護，具體過程如下：
[0066]步驟101、換流器出口電流信號采集及處理:換流器故障保護模塊2實時采集直流 電流傳感器7檢測到的換流器出口直流電流IdJt)，并根據條件
判斷換流 器是否出現了嚴重貫穿故障，當條件
；成立時，判斷為換流器出現了嚴重貫 穿故障，執行步驟102,否則，判斷為換流器未出現嚴重貫穿故障，重復執行步驟101;其中， In為換流器的額定直流電流，Idc(t)中的t為換流器出口直流電流的采樣時刻；
[0067]步驟102、換流器故障保護模塊2發送IGBT器件閉鎖脈沖給與其相接的IGBT驅動電 路模塊8和換流器故障診斷模塊1，IGBT驅動電路模塊8接收到換流器故障保護模塊2發送給 其的IGBT器件閉鎖脈沖后驅動故障換流器的IGBT器件，使故障換流器的IGBT器件不再工 作，從而使故障換流器不再工作；
[0068] 步驟103、換流器故障保護模塊2發送斷路器跳閘觸發信號給故障換流器所在換流 站的換流站監控系統9,換流站監控系統9接收到斷路器跳閘觸發信號后，發送斷路器跳閘 控制信號給與其遠程通信的斷路器控制器10,斷路器控制器10控制故障換流器所在換流站 的交流系統斷路器11跳閘；
[0069] 步驟104、換流器故障保護模塊2發送非故障換流器工作觸發信號給故障換流器所 在換流站的換流站監控系統9,故障換流器所在換流站的換流站監控系統9接收到非故障換 流器工作觸發信號后，發送非故障換流器工作控制信號給非故障換流器所在換流站的換流 站監控系統9,非故障換流器所在換流站的換流站監控系統9控制非故障換流器工作于無功 補償狀態；
[0070] 步驟二、換流器故障診斷，具體過程如下：
[0071] 步驟201、故障信號采集：當換流器故障診斷模塊1接收到換流器故障保護模塊2發 送給其的IGBT器件閉鎖脈沖后，換流器故障診斷模塊1采集電壓傳感器3檢測到的故障換流 器閉鎖時刻輸出端的直流電壓Udc(O)，以及故障換流器閉鎖后兩個周期內A相電流傳感器4 檢測到的故障換流器閉鎖后的A相交流電流i a(n)、B相電流傳感器5檢測到的故障換流器閉 鎖后的B相交流電流ib(n)和C相電流傳感器6檢測到的故障換流器閉鎖后的C相交流電流i c (η);其中，η的取值為1、2、…、2N，N為故障換流器閉鎖后一個周期內A相電流傳感器4、B相電 流傳感器5和C相電流傳感器6的采樣點數;N的取值為50~200的自然數；
[0072]本實施例中，步驟201種所述故障換流器閉鎖后一個周期的時長為20ms。故障換流 器閉鎖后兩個周期的時長即為40ms。
[0073] 步驟202、故障信號預處理:換流器故障診斷模塊1以換流器故障前換流器直流電 壓設定值uset為標幺值，根據標幺化預處理直流電壓計算公式U'dc(0)=Ud c(0)/Uset計算得 到標幺化預處理后的故障換流器閉鎖時刻輸出端的直流電壓U'dc(O);
[0074] 步驟203、故障特征參數計算，具體過程為：
[0075] 步驟2031、換流器故障診斷模塊1根據公式〗
）計算得到A 相交流電流的直流量ia〇、B相交流電流的直流量ibQ和C相交流電流的直流量1。〇;
[0076] 步驟2032、換流器故障診斷模塊1根據公式
計算得到A相 交流電流的絕對平均值P、B相交流電流的絕對平均值0和C相交流電流的絕對平均值P ;
[0077] 步驟2033、換流器故障診斷模塊1根據公另
汁算得到三相交 流電流絕對平均值的最大值@max ;
[0078] 步驟2034、換流器故障診斷模塊1根據公￥
十算得到三相交流 電流絕對平均值的最小值;
[0079] 步驟2035、換流器故障診斷模塊1根據公式imax abs=max( I iaQ I，I ibQ |，| i。。| )計算 得到三相交流電流的直流量的絕對最大值imX abs;
[0080] 本實施例中，步驟201和步驟203中所述N的取值為100。
[0081] 步驟204、換流器故障診斷模塊1通過層次化方法進行換流器故障診斷，具體過程 為：
[0082] 步驟2041、換流器故障診斷模塊1根據判定條件|i|max _< $判定故障類型，當判定條 件成t時，判定故障類型為橋臂直通故障和直、流接地故障中的一類，執行步驟 2042;否則，當判定條件不成立時，判定故障類型為IGBT器件失效短路故障、單相接 地故障和兩相短路故障中的一類，執行步驟2043;其中，δ:為三相交流電流絕對平均值的最 錄章離謹
[0083]本實施例中，步驟2041中所述δ!的取值為換流器交流電流額定值的1 %。
[0084] IGBT器件失效短路故障(F1)、橋臂直通故障(F2)、單相接地故障(F3)、兩相短路故 障(F4)和直流接地故障(F5)是兩電平柔性直流輸電換流器常見的五類故障，五類故障的位 置分布如圖4所示。
[0085]步驟2042、換流器故障診斷模塊1根據判定條件υ'&(0)>δ2判定故障類型，當判定 條件υ'&(ο)>δ2成立時，判定故障類型為直流接地故障；否則，當判定條件υ'ι(0)>δ 2不成立 時，判定故障類型為橋臂直通故障;其中，S2為標幺化預處理后的故障換流器閉鎖時刻輸出 端的直流電壓U ' d。(0)的故障判定閾值；
[0086] 本實施例中，步驟2042中所述δ2的取值為0.25。
[0087] 步驟2043、換流器故障診斷模塊1根據判定條件gnm <J3判定故障類型，當判定條 龜，&觸日寸，釀章#勸耐目鱗章，撕頻2044 ;測，3釀餅 不成t時，判定故障類型為IGBT器件失效短路故障和單相接地故障中的一類，執行 步驟2045;其中，δ3為三相交流電流絕對平均值的最小值pjmin的故障判定閾值；
[0088]本實施例中，步驟2043中所述δ3的取值為換流器交流電流額定值的1 %。
[0089] 步驟2044、換流器故障診斷模塊1根據判定條件|?|ωιι>(χ 判定故障相位 置，當判定條件@ = PL;n成立時，判定Α相為非故障相，Β相和C相為故障相；當判定條件 4 h 成立時，判定B相為非故障相，A相和C相為故障相；當判定條件Μ=1? ιη成立時，判 定C相為非故障相，Α相和Β相為故障相；
[0090] 步驟2045、換流器故障診斷模塊1根據判定條件判定故障類型，當判定 餅戯日寸，離章麵力腿紐対娜各章，撕頻2046;測，3 判定條件=4^^不成立時，判定故障類型為單相接地故障，執行步驟2047;
[0091]步驟2046、換流器故障診斷模塊1根據判定條件| ix〇| =imax abs，（x = a，b，c)判定故 障相位置，當判定條件I ia〇| =imax abs成立時，判定A相為故障相，B相和C相為非故障相，再根 據判定條件ia〇<〇判定故障是A相上橋臂故障還是A相下橋臂故障，當判定條件i a〇<0成立 時，判定為A相上橋臂故障，否則，當判定條件ia〇<0不成立時，判定為A相下橋臂故障；當判 定條件I ib〇| =imax abs成立時，判定B相為故障相，A相和C相為非故障相，再根據判定條件ib〇 <〇判定故障是B相上橋臂故障還是B相下橋臂故障，當判定條件ib〇<0成立時，判定為B相上 橋臂故障，否則，當判定條件ib〇<0不成立時，判定為B相下橋臂故障；當判定條件| i。。| = imax abs成立時，判定C相為故障相，A相和B相為非故障相，再根據判定條件;[。()<0判定故障是 C相上橋臂故障還是C相下橋臂故障，當判定條件ic^CO成立時，判定為C相上橋臂故障，否 貝1J，當判定條件1。0<0不成立時，判定為C相下橋臂故障；
[0092]步驟2047、換流器故障診斷模塊1根據判定條件ζ'、ι =|/|_,(1_=<2，.6，<3)判定故障相位 置，當判定條件l = Pl成立時，判定A相為故障相，B相和C相為非故障相；當判定條件 & I 成立時，判定B相為故障相，A相和C相為非故障相；當判定條件|纟| = Hmax成立時，判 定C相為故障相，A相和B相為非故障相。
[0093]本實施例中，所述換流器故障保護模塊2和換流器故障診斷模塊1均包括DSP芯片。 [0094]為了驗證本發明能夠產生的技術效果，通過在PSCAD/EMTDC軟件環境下仿真提取 換流器需要的故障診斷信號，并在MATLAB環境下對本發明的兩電平柔性直流輸電換流器故 障保護及故障診斷方法進行了仿真驗證。得到的仿真結果如下：
[0095] (1)換流器發生IGBT器件失效短路故障（F1)時閉鎖保護后的電壓波形如圖5A所 示，電流波形如圖5B所示；圖中為換流站（VSC1)A相上半橋臂IGBT短路，10ys后換流站 (VSC1) IGBT器件全部閉鎖的信號波形。從圖5A和圖5B可以看出，故障瞬間直流側電壓快速 衰減到〇,若上橋臂IGBT故障，故障側換流器三相交流電流的故障相大于0,非故障相電流小 于等于0,直流量約為故障相直流分量的一半；下橋臂故障時的電流流向則恰恰相反，與本 發明方法中對IGBT器件失效短路故障(F1)的判定方法吻合。
[0096] (2)換流器發生橋臂直通故障(F2)時閉鎖保護后的電壓波形如圖6A所示，電流波 形如圖6B所示；圖中為換流站(VSC1)A相橋臂直通，10ys后換流站(VSC1) IGBT器件全部閉鎖 的信號波形。從圖6A和圖6B可以看出，故障造成故障換流器直流側電壓快速衰減到0,閉鎖 保護后故障換流器三相穩態電流為0,與本發明方法中對橋臂直通故障(F2)的判定方法吻 合。
[0097] (3)換流器發生單相接地故障(F3)時閉鎖保護后的電壓波形如圖7A所示，電流波 形如圖7B所示；圖中為換流站(VSC1)出口A相接地故障，10ys后送端換流站(VSC1 )IGBT器件 全部閉鎖的信號波形。從圖7A和圖7B可以看出，閉鎖時的直流電壓降到0附近，閉鎖后故障 側換流器穩態的故障相電流正弦度較好，穩態的非故障相電流約為1/2周期為0，1/4周期大 于0，1/4周期小于0,根據三相交流電流之和為0的原理，非故障相電流絕對值之和約為故障 相電流絕對值之和的一半，與本發明方法中對單相接地故障(F3)的判定方法吻合。
[0098] (4)換流器發生兩相短路故障(F4)時閉鎖保護后的電壓波形如圖8A所示，電流波 形如圖8B所示；圖中為換流站(VSC1)出口A、B相兩相短路故障，10ys后送端換流站(VSC1) IGBT器件全部閉鎖的信號波形。從圖8A和圖8B可以看出，閉鎖時的直流壓快速下降，閉鎖后 故障側換流器穩態的兩故障相交流電流彼此大小相等方向相反，穩態的非故障相電流為0， 與本發明方法中對兩相短路故障(F4)的判定方法吻合。
[0099] (5)換流器發生直流接地故障(F5)時閉鎖保護后的電壓波形如圖9A所示，電流波 形如圖9B所示；圖中為換流站(VSC1)直流側正極出口接地故障，10ys后送端換流站(VSC1) IGBT器件全部閉鎖的信號波形。從圖9A和圖9B可以看出，閉鎖時的直流電壓下降為額定值 的一半，閉鎖后故障側換流器穩態的三相交流全部為〇,與本發明方法中對直流接地故障 (F5)的判定方法吻合。
[0100] 另外，設定換流器故障前換流器直流電壓設定值uset分別為20kV、19kV、18kV，SS 換流器的有功功率為4MW，設定換流器的無功功率為lMVar，換流器交流電流額定值為 0.36kA，4.01s后送端換流站(VSC1)故障，10ys后送端換流站(VSC1) IGBT器件全部閉鎖，受 端換流站(VSC2)工作于控直流電壓的無功發生器狀態，進行了仿真，共仿真了送端換流站 (VSC1)A相上橋臂IGBT器件失效短路故障(F1)、送端換流站(VSC1)橋臂直通故障(F2)、送端 換流站(VSC1)A相接地故障(F3)、送端換流站(VSC1)A、B兩相短路故障(F4)和送端換流站 (VSC1)直流正極接地故障(F5)五種工況，得到的仿真結果如表1所示。其中4: = 0.00361^^ δ2 = 〇·25、δ3 = 〇·〇〇361?Α。
[0101] 表1五種故障工況仿真結果表
[0102]
[0103] 從表1可以看出：
[0104] (1)送端換流站(VSC1)A相上橋臂IGBT器件失效短路故障(F1)時，故障特征參數不 滿足|:，'|艦<4，不滿足l?:LB ，滿足卜1祖q順a，滿足I ia°l =imax -，且ia°<〇,滿足1GBT 器件失效短路故障(FI)的A相上橋臂故障判定條件，定位結果正確；
[0105] (2)送端換流站(VSC1)橋臂直通故障(F2)時，故障特征參數滿足<在:，不滿足 I ΙΠΙΑΧ； 1 υ\(0)>δ2，滿足橋臂直通故障(F2)的故障判定條件，定位結果正確；
[0106] (3)送端換流站(VSC1)A相接地故障(F3)時，故障特征參數不滿足J , f滿 足<?',,不滿足胃_ ，且，滿足單相接地故障(F3)的A相故障判定條件， 定位結果正確；
[0107] (4)送端換流站(VSC1)A、B兩相短路故障(F4)時，故障特征參數不滿足%^ <4， 滿足，且graih =0，滿足兩相短路故障(F4)的A、B相故障判定條件，定位結果準確；
[0108] (5)送端換流站(VSC1)直流正極接地故障(F5)時，故障特征參數滿足pi <<5；,滿 I Imax 1 足υ\(0)>δ2，滿足直流正極接地故障(F5)故障判定條件，定位結果正確。
[0109]從表1看出，不同系統運行參數下的故障診斷結果全部準確，正確率達到了 100%。 [0110]以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明 技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技 術方案的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特征在于，該方法包 括以下步驟： 步驟一、換流器故障保護，具體過程如下： 步驟101、換流器出口電流信號采集及處理:換流器故障保護模塊(2)實時采集直流電 流傳感器(7)檢測到的換流器出口直流電流IdJt)，并根據條件# > 5:判斷換流 器是否出現了嚴重貫穿故障，當條件/γ >5成立時，判斷為換流器出現了嚴重貫 穿故障，執行步驟102,否則，判斷為換流器未出現嚴重貫穿故障，重復執行步驟101;其中， In為換流器的額定直流電流； 步驟102、換流器故障保護模塊(2)發送IGBT器件閉鎖脈沖給與其相接的IGBT驅動電路 模塊(8)和換流器故障診斷模塊（1 )，IGBT驅動電路模塊(8)接收到換流器故障保護模塊(2) 發送給其的IGBT器件閉鎖脈沖后驅動故障換流器的IGBT器件，使故障換流器的IGBT器件不 再工作，從而使故障換流器不再工作； 步驟103、換流器故障保護模塊(2)發送斷路器跳閘觸發信號給故障換流器所在換流站 的換流站監控系統(9)，換流站監控系統(9)接收到斷路器跳閘觸發信號后，發送斷路器跳 閘控制信號給與其遠程通信的斷路器控制器(10)，斷路器控制器(10)控制故障換流器所在 換流站的交流系統斷路器(11)跳閘； 步驟104、換流器故障保護模塊(2)發送非故障換流器工作觸發信號給故障換流器所在 換流站的換流站監控系統(9)，故障換流器所在換流站的換流站監控系統(9)接收到非故障 換流器工作觸發信號后，發送非故障換流器工作控制信號給非故障換流器所在換流站的換 流站監控系統(9)，非故障換流器所在換流站的換流站監控系統(9)控制非故障換流器工作 于無功補償狀態； 步驟二、換流器故障診斷，具體過程如下： 步驟201、故障信號采集：當換流器故障診斷模塊（1)接收到換流器故障保護模塊(2)發 送給其的IGBT器件閉鎖脈沖后，換流器故障診斷模塊（1)采集電壓傳感器(3)檢測到的故障 換流器閉鎖時刻輸出端的直流電壓U dc(O)，以及故障換流器閉鎖后兩個周期內A相電流傳感 器(4)檢測到的故障換流器閉鎖后的A相交流電流i a(n)、B相電流傳感器(5)檢測到的故障 換流器閉鎖后的B相交流電流ib(n)和C相電流傳感器(6)檢測到的故障換流器閉鎖后的C相 交流電流i c(n);其中，η的取值為1、2、···、2Ν，Ν為故障換流器閉鎖后一個周期內A相電流傳 感器(4 )、B相電流傳感器（5)和C相電流傳感器(6)的采樣點數;N的取值為50~200的自然 數； 步驟202、故障信號預處理:換流器故障診斷模塊（1)以換流器故障前換流器直流電壓 設定值Use3t為標么值，根據標么化預處理直流電壓計算公式ITdc(O) =Udc(O)AJse3t計算得到 標幺化預處理后的故障換流器閉鎖時刻輸出端的直流電壓U'dc(O);步驟203、故障特征參數計算，具體過程為： 步驟2031、換流器故障診斷模塊（1)根據公3 4計算得到A相 交流電流的直流量ia〇、B相交流電流的直流量ibQ和C相交流電流的直流量1。〇; 步驟2032、換流器故障診斷模塊(1)根據公式^ =去Σ |U?)|，(nV.)計算得到A相交 1\ ·η^Μ+1 流電流的絕對平均值|4|、Β相交流電流的絕對平均值M和c相交流電流的絕對平均值|毛|; 步驟2033、換流器故障診斷模塊（1)根據公式|?|_ =rtmx(|z:a.|,ji6.)計算得到三相交流 電流絕對平均值的最大值Pmax 步驟2034、換流器故障診斷模塊（1)根據公式p]min=min(p，]^,p)計算得到三相交流電 流絕對平均值的最小值胃_ ; 步驟2035、換流器故障診斷模塊（1)根據公式Zmaxi^ = max(|40|m|)計算得到三相交 流電流的直流量的絕對最大值Raxabs; 步驟204、換流器故障診斷模塊(1)通過層次化方法進行換流器故障診斷，具體過程為： 步驟2041、換流器故障診斷模塊（1)根據判定條件判定故障類型，當判定條件 <為成立時，判定故障類型為橋臂直通故障和直、流接地故障中的一類，執行步驟2042; 否則，當判定條件^胃 不成立時，判定故障類型為IGBT器件失效短路故障、單相接地故 障和兩相短路故障中的一類，執行步驟2043;其中，S1S三相交流電流絕對平均值的最大值 MLk的故障判定閾值； 步驟2042、換流器故障診斷模塊（1)根據判定條件υ'&(0)>δ2判定故障類型，當判定條 件υ'&(ο)>δ2成立時，判定故障類型為直流接地故障；否則，當判定條件υ'&(ο)>δ 2不成立 時，判定故障類型為橋臂直通故障;其中，S2為標幺化預處理后的故障換流器閉鎖時刻輸出 端的直流電壓U ' d。(0)的故障判定閾值； 步驟2043、換流器故障診斷模塊（1)根據判定條件. <4判定故障類型，當判定條件 <內成立時，判定故障類型為兩相短路故障，執行步驟2044;否則，當判定條件PLn <各 不成立時，判定故障類型為IGBT器件失效短路故障和單相接地故障中的一類，執行步驟 2045;其中，δ3為三相交流電流絕對平均值的最小值的故障判定閾值； 步驟2 0 4 4、換流器故障診斷模塊（1)根據判定條件s (χ_ = c)判定故障相位 置，當判定條件M =flmto成立時，判定A相為非故障相，B相和C相為故障相；當判定條件 1?| = 成立時，判定B相為非故障相，A相和C相為故障相；當判定條件M 成立時，判 定C相為非故障相，A相和B相為故障相； 步驟2045、換流器故障診斷模塊（1)根據判定條件胃_ =4^_判定故障類型，當判定條 觀，^戯日寸，離·章麵觸BT；^鐵交娜各章，拋亍頻2046;測，麵 定條件|/|max 不成立時，判定故障類型為單相接地故障，執行步驟2047; 步驟2046、換流器故障診斷模塊（1)根據判定條件I ix〇 I =imaxabs, (x = a，b，c)判定故障 相位置，當判定條件I I =imaxabs成立時，判定A相為故障相，B相和C相為非故障相，再根據 判定條件ia〇<〇判定故障是A相上橋臂故障還是A相下橋臂故障，當判定條件ia〇<0成立時， 判定為A相上橋臂故障，否則，當判定條件ia〇<0不成立時，判定為A相下橋臂故障；當判定條 件I ib〇| =imaxabs成立時，判定B相為故障相，A相和C相為非故障相，再根據判定條件ib〇<0判 定故障是B相上橋臂故障還是B相下橋臂故障，當判定條件ib〇<0成立時，判定為B相上橋臂 故障，否則，當判定條件ib〇<0不成立時，判定為B相下橋臂故障；當判定條件I i。。I = imaxabs 成立時，判定C相為故障相，A相和B相為非故障相，再根據判定條件ic^CO判定故障是C相上 橋臂故障還是C相下橋臂故障，當判定條件icoCO成立時，判定為C相上橋臂故障，否則，當判 定條件1。〇<〇不成立時，判定為C相下橋臂故障； 步驟2047、換流器故障診斷模塊（1)根據判定條件|^ = 1、辦=〃,/^)判定故障相位 置，當判定條件^ = 成立時，判定A相為故障相，B相和C相為非故障相；當判定條件 41=^1_成#時，判定財目為故障相，a相和〇相為非故障相；當判定條件h兩_成#時，判 定C相為故障相，A相和B相為非故障相。2. 按照權利要求1所述的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特 征在于:步驟201種所述故障換流器閉鎖后一個周期的時長為20ms。3. 按照權利要求1所述的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特 征在于:步驟201和步驟203中所述N的取值為100。4. 按照權利要求1所述的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特 征在于:步驟2041中所述S1的取值為換流器交流電流額定值的1 %。5. 按照權利要求1所述的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特 征在于:步驟2042中所述δ2的取值為0.25。6. 按照權利要求1所述的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特 征在于:步驟2043中所述δ3的取值為換流器交流電流額定值的1 %。7. 按照權利要求1所述的兩電平柔性直流輸電換流器故障保護及故障診斷方法，其特 征在于:所述換流器故障保護模塊(2)和換流器故障診斷模塊(1)均包括DSP芯片。
【文檔編號】H02H7/125GK105896476SQ201610228029
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月13日
【發明人】孫曉云
【申請人】西安科技大學