分頻輸電系統交交變頻器橋臂短路故障研究

滕予非，寧聯輝，王錫凡

（1.國家電網四川省電力公司電力科學研究院，610072，成都；2.西安交通大學電氣工程學院，710049，西安）

分頻輸電系統作為一種新型的高壓輸電方式，在遠距離輸電和風力發電領域倍受關注［1-2］。由于首次將交交變頻器引入輸電領域，因此整個輸電系統的可靠性、故障情況下的運行狀態及其保護都是值得研究的［3-4］。文獻［5］對分頻輸電系統主要的設備交交變頻器發生橋臂斷路時的運行狀態進行分析，而本文則要對變頻器橋臂發生短路故障時的運行狀態進行研究。

橋臂短路是由于橋臂內部、外部絕緣損壞，或晶閘管元件被短接而造成的故障。在晶閘管元件組成的橋臂中，一旦出現晶閘管經歷反向電壓幅值大幅度的躍變或者晶閘管冷卻系統故障時往往會造成絕緣損壞，從而使晶閘管短路。該故障發生時，橋臂將失去對正向及負向電壓的阻斷能力，從而周期性的引起換相失敗，并導致故障閥電流急劇增大，是變頻器最為嚴重的故障之一。

橋臂短路同樣是直流輸電系統最嚴重的一種故障［6-7］，文獻［8］對直流輸電橋臂短路情況進行了詳細的分析，結果表明，直流輸電系統整流橋發生橋臂短路時，系統電氣量的特征有：

（1）交流側交替發生兩相短路和三相短路；

（2）通過故障閥的電流反向，并劇烈增大；

（3）交流側電流激增，使交流閥和換流變壓器承受比正常時大得多的電流；

（4）直流側母線電壓下降，直流側電流下降。

當直流輸電逆變器出現短路故障時，將會周期性地出現換相失敗，同時出現逆變器交流側兩相短路。以上分析對分頻輸電變頻器橋臂短路的研究有較大的啟發作用。但是，交交變頻器的控制方式與直流輸電換流器有較大區別，例如分頻輸電系統低頻側電流基波以正弦規律變化，不像直流輸電為直流電流，而且交交變頻器還存在著換橋問題。因此，分頻輸電系統變頻器橋臂短路故障的狀態與直流輸電同樣故障的工作狀態有較大差異，需要重新進行研究。

國外有學者對拖動用變頻器整流狀態下出現橋臂短路進行分析，并給出了低頻側電壓波形［9-10］。但是，分頻輸電用變頻器與拖動用的變頻器工作條件有較大差別。首先，分頻輸電低頻側接有發電機及輸電線路，這與拖動用變頻器低頻側直接接阻感負載有所區別。其次，變頻器的工作狀態有整流和逆變兩種，且分頻輸電系統變頻器主要工作在逆變狀態，因此僅對整流狀態下短路時逆變器的工作狀態進行研究，不能解決分頻輸電系統實際問題。再次，拖動用變頻器中性點不接地，因此單相的故障往往會對其余兩相產生影響，而根據文獻［5］的分析，考慮絕緣因素，分頻輸電用交交變頻器中性點必須直接接地，這也造成了相同故障時兩者工作狀態會有所差異。最后，以上文獻對故障情況進行分析時，并沒有考慮短路對換橋的影響。因此，分頻輸電系統變頻器短路故障時工作狀態與以上文獻中所述有較大的差異。

本文分析了分頻輸電系統變頻器發生的橋臂短路故障對工作在整流、逆變、換橋3種狀態時低頻側和工頻側產生的影響，并給出了低頻側電壓波形和低頻、工頻側電流的計算方法。最后，得出了分頻輸電系統變頻器橋臂故障的一般規律，并通過算例仿真加以驗證。

1 變頻器橋臂短路故障電壓電流分析

分頻輸電系統變頻器單相六脈波結構如圖1所示。由于分頻輸電系統變頻器可能工作于整流、逆變兩種狀態，同時運行過程還存在正、反橋間的切換，為此，以下將根據晶閘管的導通特性，對變頻器分別工作于整流狀態、逆變狀態以及正、反橋切換階段時，正橋發生橋臂短路故障后，變頻器低頻側輸出電壓情況進行分別討論。

圖1 分頻輸電變頻器單相結構圖

1.1 整流狀態下的故障分析

根據文獻［4］，設定分頻輸電系統低頻側頻率為50／3Hz，變頻器生成低頻正弦超前工頻側Uab相角為10°。假設a相正橋p2晶閘管發生短路故障，正橋工作時低頻側輸出波形及故障發展情況見圖2。故障的具體發展情況可詳細敘述如下，階段號與圖2c中的號碼對應。

（1）時段變頻器正橋p3、p4兩管觸發，正常時應該輸出電壓Uba。由于p2管短路，這樣就會在p2、p4兩管之間形成環流，由圖2a可知，這一時段內Uac＜0，所以p4兩端的電壓為正向電壓，p4管持續導通。此時低頻側實際輸出電壓為0.5（Uba+Ubc），而變頻器工頻側則處于a、c兩相短路接地狀態。

（2）時段變頻器正橋p5、p4兩管觸發，Uac＜0，基于同上的理由，p4管持續導通。此時實際導通的管子有p2、p4、p5三個，低頻側通過p2、p5兩管單相接地短路，低頻側輸出電壓為0，而變頻器工頻側則依然處于a、c兩相短路接地狀態。

圖2 整流狀態短路故障時的波形

（3）時段變頻器的p5、p6管被觸發，雖然這一時段Uac＞0，但是流經p2、p4兩管之間的環流由于換流變壓器的作用將滯后電壓將近90°，因此這段時間內Iac沒有反向，p4依然沒有關斷。此時，p6兩端承受的電壓為0.5（Uab+Ucb），并且由圖2a可知，p6承受正向電壓。所以，這時段內正橋有p5、p2、p4、p6四個晶閘管導通，低頻側輸出電壓為0，而工頻側則出現三相短路故障。

（4）時段觸發的晶閘管為p1、p6，與時段（3）原因相同，低頻側單相短路輸出電壓為0，而工頻側則繼續處于三相短路狀態。

（5）時段觸發的晶閘管與時段（4）相同，然而由于Iac反向，因此p4被關斷。此時，低頻側輸出電壓為0.5（Uab+Uac），工頻側則由三相短路轉為兩相短路接地狀態。

（6）時段晶閘管p1、p2被觸發，由于環流依然存在，所以p晶閘管6無法關斷。低頻側輸出電壓保持為0.5（Uab+Uac），工頻側依然為兩相短路接地狀態。

（7）時段Ibc反向，p6關斷，同時晶閘管p3、p2觸發，低頻側輸出電壓與所希望的相同，即為Ubc，而工頻側則為正常狀態。

（8）～（10）時段的分析與（1）～（3）時段相同。

當反橋工作在整流狀態時，橋臂短路故障產生的影響與上文相同，只是判斷管子被觸發是否導通的判據與上面所述有所區別。當變頻器p1、p3和p5號管發生短路時，其低頻側輸出電壓與上面所述類似，只是工頻側不會出現兩相短路接地故障，而是兩相短路故障。

1.2 逆變狀態下的故障分析

采用1.1節所設定的工況，這時正橋處于逆變狀態，低頻側輸出電壓為負，如圖3所示。

圖3 逆變狀態短路故障的波形

為方便分析，假定分析的0時刻正橋沒有管子導通，則變頻器具體發展情況可詳細敘述如下，其中階段號與圖3c中的號碼對應。

（1）時段觸發的晶閘管為p1、p6，且Ubc＞0，因此p6承受反壓，無法導通，變頻器換相失敗，此時p4管也由于環流Iac反向而關斷，因此正橋導通的管子有p1和p2，輸出電壓為Uac，工頻側處于正常狀態。

（2）時段觸發的晶閘管為p1、p2，因此低頻側輸出電壓為Uac，工頻側處于正常狀態。

（3）時段p3、p2晶閘管被觸發，低頻側輸出電壓為Ubc，工頻側處于正常狀態。

（4）時段p3、p4晶閘管被觸發，而Uac＞0，因此p4得以導通，低頻側輸出電壓為0.5（Uba+Ubc），工頻側兩相短路接地。

（5）時段p5、p4晶閘管被觸發，且Uac＞0，p4繼續導通，由于p5、p2管導通，因此低頻側輸出電壓為0，工頻側兩相短路接地。

（6）時段p5、p6晶閘管被觸發，由于Ubc＞0，因此p6承受反壓，無法導通。但是，這一時段Iac并未反向，因此p4并未關斷，低頻側輸出為0，而工頻側繼續兩相短路接地故障。

（7）時段依然是p5、p6晶閘管被觸發，但是由于Iac反向，因此p4關斷，正橋導通的晶閘管只有p5和p2，低頻側輸出電壓為0，而工頻側沒有故障發生。

（8）～（10）時段的分析與（1）～（3）時段相同。

與整流時類似，在考慮反橋工作及p1、p3、p5號晶閘管發生短路時的分析與上述類似，只是需要在判斷晶閘管導通與否的判據及工頻側故障情況上略加修整。

1.3 正反橋換橋時的故障分析

換橋時短路故障的分析比較復雜，與換橋前工作的晶閘管、換橋后工作的管子都有關系，因此只能對換橋時出現的可能性進行分析。

首先，若換橋前導通的晶閘管大于2個，即出現了除了短路的外還有2個晶閘管正常工作的情況，那么在換橋時，與短路管子出現環流的管子將會繼續工作，直至環流減為0。因此，隨著換橋后觸發的管子不同，若被觸發的管子都能導通，工頻側可能出現兩相短路（接地）、三相短路等情況。

其次，由于換橋前導通的晶閘管可能無法關斷，因此換橋時低頻側輸出電壓基波將與希望生成的波形有一些差異，而可能出現被觸發的晶閘管正承受反壓，因而發生不能導通的情況。此時會出現換橋失敗，整個系統將處于斷路狀態，低頻系統電流為0，直至電流換相，換橋成功。

1.4 故障電流計算

本文在分析分頻輸電低頻電流計算時，為突出特點，做以下假設：①不計低頻輸電線路對地電容；②不計晶閘管并聯電阻的影響；③不計換橋時同時閉鎖兩橋對電流的影響。分頻輸電系統交交變頻器可視為一個電壓源，其等效電路如圖4所示。

圖4 分頻輸電系統等效電路

分頻輸電系統低頻側電流的表達式為

式中：E是低頻發電機電勢幅值；ωo是系統低頻側頻率；φE是低頻發電機初相位；L為低頻系統等值電感；R為低頻系統等值電阻；U為交交變頻器的等值電壓。

交交變頻器的等值電壓在正常工作時可由余弦交點法得到，故障時可由以上故障時變頻器輸出電壓分析得到。根據以上的分析，U在每一段時間內都可以用0或者工頻與低頻正弦的線性組合表示，因此U可以表示為

式中：ωi為系統工頻側頻率。因此，可以通過式（1）、式（2）利用數值算法或直接求解解出低頻側電流。

由于工頻側故障時故障電流遠遠大于正常時負載電流，因此計算工頻側故障電流時可忽略負載電流的影響。因此，當工頻側兩相短路（接地）時，故障電流為

式中：LT為換流變壓器單相電感；Ul為工頻側線電壓有效值。當工頻側三相短路時，故障電流為

工頻側正常工作時的電流，可見文獻［5］。

2 分頻輸電系統橋臂短路故障特征

經過以上分析，可以得到分頻輸電系統變頻器橋臂短路故障的一般規律如下。

（1）當變頻器工作在整流狀態時，工頻側交替發生兩相（接地）短路和三相短路，而工作在逆變環節時工頻側將出現兩相（接地）短路故障，變頻器換相失敗。由于分頻輸電系統大部分工作在逆變狀態，因此隨著功角的加大，工頻側出現三相短路的概率將降低。因此，在相同故障情況下，分頻輸電系統中交交變頻器的故障電流較其在拖動場合下拖動的故障電流要小。

（2）變頻器在晶閘管之間出現故障環流，環流幅值由工頻側電壓和換流變壓器的電感決定，但遠遠大于正常負載電流；

（3）變頻器換橋時情況比較復雜，有可能出現工頻側兩相短路（接地）、三相短路或低頻側斷路等故障。

（4）變頻器交流側電流激增，使交流閥和換流變壓器承受比正常時大得多的電流。

（5）變頻器低頻側母線基波電壓下降。

與直流輸電和拖動用交交變頻器相比，分頻輸電用變頻器在換橋時故障狀態比較復雜，且由于主要工作在逆變狀態，工頻側出現三相短路概率減小，因此工頻側產生的故障電流可能較前兩種情況會有所減小，但依然遠遠大于負載電流。由于變頻器工作在逆變狀態會發生換相失敗，因此利用低頻側母線基波電壓下降、工頻側電流過大及變頻器晶閘管導通狀態與正常時不一致等判據，都能檢測出故障。

3 算例仿真

利用一個典型的分頻輸電系統，對變頻器橋臂短路故障進行仿真驗證，系統示意圖如圖5所示。

圖5 算例分析示意圖

根據文獻［3］，圖5中設定分頻輸電系統低頻側線電壓為500kV，輸電線路長度為1 200km，低頻側頻率為50／3Hz，變頻器生成低頻a相基波相電壓超前工頻側Uab的相角為10°，低頻側功角為70°。

設定0.5s時a相正橋p2管絕緣擊穿，發生短路故障。利用Matlab／Simulink仿真計算出的變頻器a相0.45～0.6s低頻側輸出電壓、電流及工頻側a相電流波形如圖6所示。

由圖6可知，當交交變頻器發生橋臂短路故障時，低頻側的電壓發生了明顯的畸變，工頻側電壓有明顯提高。對仿真結果進行分析，可以得到0.53～0.547 2s這段時間變頻器工作狀態、晶閘管的導通情況及低頻側與工頻側的故障情況由如表1所示。

通過圖6以及表1所示的結果，可以獲得以下幾點判斷。

圖6 a相正橋p2管短路故障變頻器波形（故障時間為0.5s）

（1）由于交交變頻器橋臂出現了短路故障，導致變頻器無法正常換相，變頻器在故障下換相次序與前文理論分析相同。

（2）由于系統功角較大，因此變頻器大多處于逆變狀態。因此由表1可知，整個過程中主要出現工頻側兩相接地故障以及換流器換相失敗故障，未出現工頻側三相短路故障。

表1 故障時變頻器工作狀態

（3）系統在從正橋至反橋的換橋過程中，由于p2、p4管之間存在環流，因此出現反橋n1管已經觸發而正橋p2、p4管卻沒有關閉的情況。在該情況下，反橋n6管無法導通，而工頻側處于兩相短路接地狀態。如果n6管在p2、p4關閉前導通，工頻側將變為三相短路狀態。

（4）由于變頻器周期性的換相失敗，其低頻側電壓無法保持正弦變化，經常性的維持在0，并持續數毫秒，因此其電壓有效值會明顯降低。通過對圖6a的計算可以得出，低頻側電壓基波相電壓的有限值為133.8kV，遠小于正常時基波相電壓有效值的288.67kV。

（5）故障時系統工頻側電流出現明顯提高，最大故障電流接近30kA，顯著高于負荷電流。對比圖6c與表1可以發現，當電流明顯增大時，主要是變頻器工頻側處于兩相短路接地的時刻。同時，對比圖6b與圖6c可以發現，由于低頻側沒有出現短路故障，低頻側電流沒有明顯提升，由此可見短路電流主要是通過不同橋臂形成環流，沒有流入低頻側。

綜上所述，通過對典型系統進行仿真，得出的有關故障后電氣量的結果與前文理論分析得出的結論是一致的，從而驗證了理論分析的正確性。

將變頻器低頻側的發電機改為阻感負載，在工頻側系統參數以及換流變壓器參數不變的情況下，當變頻器發生相同故障時，工頻側短路電流峰值接近50 kA，較逆變狀態下的30kA有了明顯增加。這是由于當變頻器處于整流狀態時，工頻側交替發生兩相短路（接地）和三相短路，其故障形式比變頻器逆變運行時更為嚴重，這也與之前的理論分析結果相符。

4 結 論

本文對分頻輸電交交變頻器在整流、逆變、換橋3種工況下，發生橋臂短路故障時低頻側、工頻側電氣量特性進行了分析，給出了低頻側電壓波形和低頻、工頻側電流的計算方法，得到了分頻輸電系統變頻器橋臂短路故障時系統電氣量的特征規律。分析結果表明，分頻輸電系統在橋臂短路時存在著橋臂無法正常換相、低頻側電壓有效值明顯降低以及工頻側出現較大的故障電流等特征。將其與拖動用的交交變頻器相比較，由于分頻輸電系統中變頻器主要運行在逆變狀態，工頻側主要的故障類型為兩相短路（接地），發生三相短路的可能性較小，因此工頻側的短路電流幅值得到了明顯的抑制。算例仿真結果驗證了以上分析的正確性，在本算例中由于變頻器主要運行在逆變狀態，其故障下產生的短路電流比工作在整流狀態下的變頻器減小了40%。

［1］ 王錫凡，王秀麗，滕予非.分頻輸電系統及其應用［J］.中國電機工程學報，2012，32（13）：1-6.

WANG Xifan，WANG Xiuli，TENG Yufei.Fractional frequency transmission system and its applications［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（13）：1-6.

［2］ 寧聯輝，王錫凡，滕予非，等.風力發電經分頻輸電接入系統的實驗 ［J］.中國電機工程學報，2011，31（21）：9-16.

NING Lianhui，WANG Xifan，TENG Yufei，et al.Experiment on wind power grid integration via fractional frequency transmission system ［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31（21）：9-16.

［3］ WANG Xifan，CAO Chengjun，ZHOU Zhichao.Experiment on fractional frequency transmission system ［J］.IEEE Trans on Power System，2006，21（1）：372-377.

［4］ 曹成軍.分頻輸電系統的動模創建及實驗研究 ［D］.西安：西安交通大學，2006.

［5］ 滕予非，王錫凡，鄧敏.分頻輸電系統變頻器橋臂不導通故障及相關問題 ［J］.電力系統自動化，2008，32（7）：69-72.

TENG Yufei，WANG Xifan，DENG Min.Cycloconverter non-conduction fault and related problems in fractional frequency transmission system ［J］.Automation of Electric Power Systems，2008，32（7）：69-72.

［6］ 方太勛，朱振飛，田杰，等.直流輸電系統的動態模擬 ［J］.電力系統自動化，2004，28（10）：80-83.

FANG Taixun，ZHU Zhenfei，TIAN Jie，et al.Dynamic simulation of the HVDC system ［J］.Automation of Electric Power Systems，2004，28（10）：80-83.

［7］ 顏秉勇，田作華，施頌椒，等.高壓直流輸電系統故障診斷新方法 ［J］.電力系統自動化，2007，31（16）：57-61.

YAN Bingyong，TIAN Zuohua，SHI Songjiao，et al.A new method for fault diagnosis in HVDC systems［J］.Automation of Electric Power Systems，2007，31（16）：57-61.

［8］ 趙婉君.高壓直流輸電工程技術 ［M］.北京：中國電力出版社，2004：123-127.

［9］ PONTT J，RODRIGUEZ J，REBOLLEDO J，et al.Operation of high power cycloconverter-fed gear less drive under abnormal conditions［J］.IEEE Trans on Industry Applications，2007，43（3）：814-820.

［10］ILLANES I，PONTT J，RODRIGUEZ J.Model-based fault diagnosis applied to 6-pulse cycloconverter［C］∥IEEE Power Electronics Specialists Conference 2007.Piscataway，USA：IEEE，2007：684-689.