AC-DC-AC變換系統(tǒng)短路保護研究

李 陽，劉 健

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢 430000）

近年來，AC-DC-AC 變換系統(tǒng)以其能夠同時實現(xiàn)整流及逆變兩個功率變換過程，在電力系統(tǒng)電能變換方面的滲透水平不斷提高[1]，并廣泛應用于可再生能源供電系統(tǒng)、柔性交流輸電系統(tǒng)、不間斷應急電源、交直交變頻調(diào)速控制等領域[2-3]。然而，由于功率開關器件數(shù)量多、變換拓撲復雜、變換系統(tǒng)運行工況多變等因素的影響，使系統(tǒng)的保護研究和控制策略研究逐漸達到并重的趨勢，特別是針對系統(tǒng)短路這一高頻故障，如何突破傳統(tǒng)過流保護方法的制約、提高系統(tǒng)的抗擾性和故障檢測及切除時間至關重要[4-5]。

目前，對于AC-DC-AC 變換系統(tǒng)過流保護方法的研究主要集中在優(yōu)化控制策略、故障檢測算法、特定短路故障的暫態(tài)分析、過流保護算法改進等方面。文獻[6-7]對AC/DC 變換器應用通用的或自補償?shù)倪^電流保護控制方案以提高其在啟動、動態(tài)響應和過載保護過程中的性能和輸出電流精度，但是對突發(fā)性過流故障有效切除有一定的局限性。文獻[8]在傳統(tǒng)過流保護原理的基礎上采用瞬時過流保護IOP 和延遲過流保護DOP 兩段保護算法，以滿足保護系統(tǒng)的選擇性、快速性和可靠性，但是對故障判斷方式單一缺乏準確性。文獻[9]提出了控保協(xié)同的保護策略，提升了對保護研究的理論高度，但是僅適用于單極接地的特性故障。本文基于現(xiàn)有對整流及逆變系統(tǒng)的過流保護研究，從AC-DC-AC 變換系統(tǒng)的拓撲結(jié)構出發(fā)，分析了存在于AC-DC 及DCAC 兩部分的功率開關器件、換流變壓器以及交直流線路的短路故障，提出了優(yōu)化的過流保護配置方案，實現(xiàn)了系統(tǒng)短路故障保護的有效性，為工程實際應用提供了理論分析依據(jù)。

1 系統(tǒng)模型及短路機理

圖1為AC-DC-AC 變換系統(tǒng)拓撲圖，由電源、整流電路、直流濾波、逆變電路和交流輸出組成，完成對電網(wǎng)輸出的三相交流電先整流后逆變，然后驅(qū)動交流負載的功能。本拓撲主要分為2 個方面：整流部分采用三相變壓器和與之相連的2 個三相全橋不控整流電路組成多脈波整流，減少輸出諧波，并通過增加充電回路及di/dt 抑制電路實現(xiàn)濾波和均壓，完成直流濾波；逆變部分采用NPC 三電平逆變電路，其一相橋臂由4 個功率半導體開關（IGBT）和2 個鉗位二極管構成，改善交流輸出波形質(zhì)量[10]。

圖1 AC-DC-AC 變換系統(tǒng)拓撲圖Fig.1 AC-DC-AC transformation system topology diagram

根據(jù)變換系統(tǒng)的組成部分及各部分功能，本文將AC-DC-AC 變換系統(tǒng)的短路故障分為AC-DC 及DC-AC 兩部分進行分析。

1.1 AC-DC 短路故障特性分析

AC-DC 短路故障主要來自換流變壓器、二極管以及直流濾波部分。如圖1中k1、k2點所示，三繞組變壓器在一次側(cè)和二次側(cè)發(fā)生接地短路。由于一次側(cè)繞組采用星型聯(lián)結(jié)，接地短路會造成輸入電壓產(chǎn)生零序分量，并可能造成故障穿越的現(xiàn)象；當變壓器閥側(cè)交流連接處k2發(fā)生接地故障時，由于繞組采用三角形接法，故隔離了零序分量向后傳遞[11]。

對于整流部分的二極管短路，分析得出相當于變壓器二次側(cè)繞組在出線端口的相間短路。如下，對于三相橋式二極管整流橋來說，二極管導通順序為（6，1）→（1，2）→（2，3）→（3，4）→（4，5）→（5，6）如此循環(huán)。如圖2（a）所示為正常情況下開關（6，1）導通時電流的流通路徑。此時，若二極管5 發(fā)生短路故障（故障點k3所示），并假設故障發(fā)生時刻為（5，6）→（1，6）的開關過程中，將導致故障相橋臂直通，如圖2（b）所示，則相當于變壓器繞組在出線端口A 和B 發(fā)生相間短路（如k4所示）。若故障點為k5，則相當于變壓器二次側(cè)三角形連接繞組A、B 輸出端短路（如k6所示）。

圖2 二極管正常及短路情況電流通路Fig.2 Diode normal and short circuit case current path

如圖1中I 回路所示，直流母線部分作為前端整流和逆變輸出的中間部分，電路中分布著直流濾波電容、di/dt 抑制電路等，由多種原因可造成直流母線回路的短路故障。此時，直流母線電壓會迅速下降至零，并伴隨變壓器一次側(cè)出現(xiàn)嚴重過流。

1.2 DC-AC 短路故障特性分析

DC-AC 短路故障主要來自IGBT 及逆變輸出線路上。IGBT 功率單元短路，如圖1中k8點所示。首先結(jié)合IGBT 的輸出特性，當其發(fā)生短路后，集射極電壓UCE 會迅速減小到幾乎等于直流母線電壓，IGBT 從正向阻斷區(qū)進入飽和區(qū)，集電極電流IC 激增，產(chǎn)生功率損耗，還可能伴隨結(jié)溫升高使其失效。其次，以A 相為例，根據(jù)開關的導通順序，假設在IGBT 開關S2a、S3a導通（輸出0 電平）向S3a、S4a導通期間，IGBT 開關S2a發(fā)生短路，則會發(fā)生鉗位二極管與橋臂之間形成回路燒毀器件，或是導致短路電流流過直流電容而燒毀電容，如圖3所示。

圖3 IGBT 正常及短路情況電流通路Fig.3 IGBT normal and short circuit case current path

對于逆變輸出部分，考慮三相短路和單相接地短路，如圖1中k9、k10所示。在發(fā)生三相短路后，首先逆變側(cè)交流電壓會跌落或不平衡，導致導通角α減小，換流閥提前觸發(fā)后導致直流母線上的電流上升；隨后會在整流側(cè)定電流控制的調(diào)節(jié)作用下下降，最后衰減到零[12]。直流側(cè)電流和三相電流都會隨故障后時刻發(fā)生變化，并且三相短路電流的大小跟隨直流電流的變化而變化。而對于單相接地短路，由于濾波電容中性點接地，逆變橋輸出側(cè)將明顯出現(xiàn)零序電壓和零序電流。

2 系統(tǒng)保護算法

本文在對AC-DC-AC 變換系統(tǒng)的AC-DC（整流）和DC-AC（逆變）兩部分存在的典型短路故障特性與機理進行分析后，歸納得出短路故障主要發(fā)生在系統(tǒng)的移相變壓器、功率開關器件、直流母線以及逆變橋輸出線路上，為實現(xiàn)對系統(tǒng)整體短路保護的有效性和快速性，本文提出應對功率開關器件、大功率變壓器設備以及交直流輸電線路短路故障的多重復合過流保護算法，包含零序電壓/電流保護、改進復合電壓過流保護及基于直流母線方向低電壓保護，并給出相應的保護判據(jù)、整定原則以及保護邏輯圖。

2.1 零序電壓/電流保護

針對移相變壓器一次側(cè)星型聯(lián)結(jié)繞組發(fā)生的單相接地故障，為防止故障產(chǎn)生的零序過電壓對系統(tǒng)造成威脅，采用零序電壓保護。其中零序電壓取自一次側(cè)繞組自產(chǎn)零序電壓，當其值大于整定值并經(jīng)整定延時后，零序電壓保護動作警告，判別邏輯如圖4所示。

圖4 零序過電壓保護邏輯框圖Fig.4 Block diagram of zero sequence overvoltage protection logic

針對DC-AC 部分逆變橋輸出線路單相接地故障，為防止由于濾波器的中性點接地而產(chǎn)生零序電壓和零序電流，增加零序電流保護，其邏輯框圖如圖5所示。其動作判據(jù)如式（1）、式（2）所示，式中I0是濾波器中性點對地電流，I0set1、I0set2分別是零序過流保護電流I 段、II 段整定值，Tset1、Tset2分別是I 段、II 段延時時間整定值。

圖5 零序過電流保護邏輯框圖Fig.5 Zero sequence overcurrent protection logic block diagram

第Ⅰ段：

第Ⅱ段：

2.2 改進復合電壓過流保護

移相變壓器作為整流設備的電源變壓器，具有原邊輸入交流，而副邊通過整流元件后輸出直流的特性，且閥側(cè)電壓的調(diào)壓范圍大，運行過程中變壓器的變比和網(wǎng)側(cè)電流變化范圍大。故此，傳統(tǒng)的變壓器縱聯(lián)差動保護，會因變壓器接線方式、電流互感器誤差、勵磁涌流等原因引起不平衡電流，故不適用于移相變壓器的保護。針對移相變壓器的相間短路故障以及二極管短路故障，采用由過流元件、低電壓元件、負序電壓元件共同構成的改進復合電壓閉鎖的過電流保護，邏輯圖如圖6所示。

圖6 改進復合電壓過流保護Fig.6 Improved compound voltage overcurrent protection

當電流電壓的值都達到整定值時，保護動作；動作電流按躲過正常運行時的最大負荷電流，低電壓按系統(tǒng)啟動時保護安裝的最低電壓，負序電壓按躲過正常運行時不平衡電壓產(chǎn)生的負序電壓。低電壓元件、負序電壓元件、突變量啟動元件和過電流元件動作判據(jù)對應式（3）～式（6）。

式中：Umin為三個線電壓中最小一個；Uset為低電壓整定值。TV 斷線時會造成低電壓元件誤判，故TV斷線時將閉鎖低電壓元件。

式中：U2為負序電壓；U2set為負序電壓整定值。TV斷線時會造成負序電壓元件誤判，故TV 斷線時將閉鎖負序電壓元件。

式中：i（n）為n 點或nTs時刻的線電流采樣值；N 為每基頻周期采樣點數(shù)；Iset為啟動門檻值。

式中：Ia，Ib，Ic為A，B，C 相電流；Iset為過流整定值。為防止擾動導致保護誤動，過電流元件需與電流突變量啟動元件相配合，即在突變量元件啟動時，不附加延時出口。

2.3 直流母線方向低電壓保護

針對整流電路或者直流母線發(fā)生短路時直流母線電壓明顯降低等問題，但考慮外部故障也可能造成直流母線低電壓的影響；為區(qū)分內(nèi)、外部短路故障，加入方向判斷元件，構成直流母線方向低電壓保護，其邏輯框圖如圖7所示。動作判據(jù)如式（3）所示，其中電壓取自直流濾波電容兩端的測量值。

圖7 直流母線方向低電壓保護邏輯圖Fig.7 Logic diagram for low voltage protection in the direction of the DC bus

式中：U+是靠近正母線直流電容上的電壓；U-是靠近負母線直流電容上的電壓；Uset是低電壓保護定值，正負母線電壓采用平均值算法得到。

3 仿真及試驗

3.1 仿真模型

在各種短路故障特性分析的基礎上，為確保系統(tǒng)保護策略的可實施性，本文在MATLAB/Simulink中搭建了AC-DC-AC 系統(tǒng)進行仿真驗證，模型如圖8所示。按照圖1拓撲結(jié)構搭建，并在此基礎上增加了LC 交流濾波及三相異步電機負載模塊，且DC_Link 模塊中包含直流濾波環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖8 AC-DC-AC 系統(tǒng)仿真建模Fig.8 Simulation modelling of AC-DC-AC system

3.2 典型故障仿真波形

在仿真中利用“Breaker”模塊設置短路時間，模擬移相變壓器二次側(cè)三角形聯(lián)結(jié)繞組發(fā)生相間短路，由1.1 節(jié)分析可知相當于整流二極管短路，設置故障時刻發(fā)生在3 s 時，故障波形如圖9、圖10所示，此時故障相與非故障相電流均發(fā)生變化，造成變壓器輸入三相電流激增，造成嚴重時燒壞變壓器及二極管。正常運行時，設置直流母線發(fā)生短路，其不僅使輸出直流電壓快速下降為零，還會出現(xiàn)故障穿越現(xiàn)象，造成移相變壓器一次側(cè)出現(xiàn)嚴重過流，損害變壓器。

圖9 移相變壓器二次側(cè)繞組短路故障波形Fig.9 Phase shifting transformer secondary side winding short circuit fault waveform

圖10 直流母線短路故障波形Fig.10 DC bus short-circuit fault waveform

對于逆變輸出側(cè)單相接地，由于濾波電容中性點接地，逆變橋輸出側(cè)將明顯出現(xiàn)零序電壓和零序電流，如圖11和圖12所示。

圖11 零序電壓波形Fig.11 Zero sequence voltage waveform

圖12 零序電流波形Fig.12 Zero sequence current waveform

以上分別選取AC-DC-AC 變換系統(tǒng)中比較典型的短路故障，由波形驗證了第2 章中短路特性分析的正確性，發(fā)現(xiàn)故障相所引起的故障穿越，嚴重過流，產(chǎn)生零序分量等影響系統(tǒng)穩(wěn)定的短路后果，是工程實際運行所要考慮的因素。

3.3 典型保護動作試驗波形

直流母線位于AC-DC-AC 變換系統(tǒng)換流的中間位置，其發(fā)生短路故障后將會對系統(tǒng)的輸入輸出電氣量均造成影響，便于驗證保護方法的有效性。如圖13所示，設置故障時刻為0.35 s 時，對移相變壓器A 相的輸出電壓UA、輸出電流IA、逆變輸出A相的電壓U0A、輸出電流I0A以及直流線路電流Id的保護動作波形進行分析可得故障整體切除時間約為0.05 s 左右，保護動作準確。

圖13 直流母線短路故障保護動作圖Fig.13 DC bus short-circuit fault protection action diagram

針對所提出的保護功能，由于在實際裝置進行動模試驗會損害裝置并造成經(jīng)濟損失，故實驗中需結(jié)合繼電保護測試儀，并降低保護整定值進行動模試驗，其數(shù)據(jù)如表1所示，驗證了所提出保護方法的實踐性。

表1 保護功能動模試驗結(jié)果Tab.1 Protection function dynamic mode test results

4 結(jié)語

本文從AC-DC-AC 變換系統(tǒng)在電力電子化電力系統(tǒng)應用中，表現(xiàn)出來的系統(tǒng)抗干擾性及穩(wěn)定性亟待更優(yōu)化保護配置的需求出發(fā)，通過研究國內(nèi)外文獻發(fā)現(xiàn)從保護方法的系統(tǒng)性及整體性方面還應繼續(xù)探索。故此，本文從構成AC-DC-AC 變換系統(tǒng)的整流及逆變兩個工作過程出發(fā)，分析變壓器單相接地短路和兩相短路、功率器件短路、直流母線短路等典型短路類型的電氣故障量變化，歸納得出短路故障類型可劃分為功率開關器件、大功率變壓器設備以及交直流輸電線路3 個層面，由此提出多重復合過流保護策略，以實現(xiàn)系統(tǒng)整體性的短路保護；通過典型故障仿真驗證了短路特性分析的合理性和過流后果的嚴重性；通過動模試驗結(jié)果驗證了所提出保護策略和算法的正確性。

本文的工作中仍然存在一些不足，部分相關問題需要進一步的試驗與驗證，比如針對器件的保護方法未在短路故障的分析中提出，部分保護動作的波形需要精確及完善等，今后將在這些方面進行更加深入的研究。