周廷冬，徐永海

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)

0 引 言

电力电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)，又称为固态变压器(Solid State Transformer, SST)，是一种利用电力变换技术和电磁感应原理实现电能高效传输与变换的新型变压器，除具有传统变压器电压变换、能量传递、电气隔离等基本功能以外，还可实现潮流控制、无功补偿以及电能质量控制等多种功能[1-3]。电力电子变压器作为能源互联网中能源路由器的核心设备，对实现高低压电网、交直流负荷、可再生能源等的互联以及能量交换有着至关重要的作用。

目前，针对电力电子变压器的研究主要集中在拓扑结构设计、控制策略、新型功率器件应用、使用场合以及电能优化等方面，而对其故障特性分析及保护技术方面的研究较少。电力电子变压器作为中低压电网之间的接口，其故障对电网的安全稳定运行及用户的供电可靠性都有极其严重的影响，因此，研究电力电子变压器的故障特性及保护技术具有重要意义。

文献[4]中对级联H桥(Cascaded H Bridge，CHB)型电力电子变压器的故障特性进行了分析总结，但此分析结果只适用CHB结构的电力电子变压器，而对研究相对较多的模块化多电平(Modular Multilevel Converter，MMC)结构的电力电子变压器拓扑没有涉及。目前，对于MMC的故障分析大多集中于直流侧故障后的故障电流闭锁[5-6]与子模块故障后的不平衡控制策略[7-8]等方面，而分析其故障特性的研究相对较少，文献[9]对模块化多电平换流器高压直流输电系统(Modular Multilevel Converter Based High-Voltage Direct Current，MMC-HVDC)中MMC子模块的故障特性进行了总结，其研究成果可为MMC型电力电子变压器的故障特性分析提供参考。文献[10]对外部电网故障、雷击过电压及非理想负荷等对电力电子变压器的影响及相应的保护配置要求进行了研究，但没有分析电力电子变压器本体故障时的故障特性与保护方案。

针对基于MMC的电力电子变压器故障特性进行了理论分析与仿真研究，对电力电子变压器中功率元件短路与开路故障下的故障特性进行了分析，基于PSCAD仿真平台，进行了所分析故障类型的仿真验证，证明了理论分析的正确性。

1 电力电子变压器基本原理

电力电子变压器由输入级、隔离级和输出级构成，其基本工作原理为：交流输入电压经电力电子变压器输入级整流形成直流电压，之后经过隔离级逆变器调制成高频方波利用高频变压器耦合到二次侧，高频方波经过隔离级整流电路形成直流电压，最后通过输出级逆变电路输出所需的交流电压。其基本实现原理如图1所示。

图1 AC-DC-AC型电力电子变压器的实现原理

电力电子变压器的输入级有MMC结构和CHB结构，本文以研究相对较多的MMC型结构为例分析其故障特性，同时，为使其具有直流故障闭锁功能，选取钳位双子模块作为分析对象，并采用工程中应用较多的排序法实现子模块电容的均压，MMC及钳位双子模块结构如图2所示。隔离级采用双主动桥(Dual Active Bridge，DAB)结构，主要由高频变压器、原边及副边可控H全桥组成，其中原副边H桥对应桥臂触发脉冲同步，其基本结构如图3所示。电力电子变压器输出级采用的是三相逆变器结构，其直流侧接于隔离级多个DAB副边H桥并联形成的低压直流母线。

图2 电力电子变压器输入级结构

图3 双主动桥变换器结构

2 故障特性分析

电力电子变压器主要由多级换流环节构成，功率开关元件众多，其可靠性主要取决于这些换流器和功率开关。电力电子变压器故障会对电网及用户造成严重影响，因此，分析其功率开关故障后的特性，对电力电子变压器而言至关重要。

功率开关的主要故障类型为短路故障和开路故障，其中短路故障发展迅速，通常在几十个微秒内即可将母线短路，造成严重后果。相比于短路故障，开路故障发生后可能不会立即造成系统停运，并在非正常状态下稳定运行一段时间，但开路故障可能会造成电力电子变压器中其他正常的功率开关承受过电压、过电流等电应力，从而引发其他功率开关故障[4]。

为便于分析，将电力电子变压器中各个换流环节的连接关系用示意图表示，并对其中的开关器件进行编号，如图4所示，图中UC表示子模块电容电压，i表示桥臂电流，并定义此时图中的电流方向为正，反之为负。其中钳位双子模块在正常工作状态时，T15一直处于导通状态，其实质为两个半桥子模块的级联，其不同之处仅在于将T12和T14两个功率开关的触发脉冲对调。有关钳位双子模块的直流故障闭锁分析及电磁暂态等效模型可参考文献[11-12]，此部分不是文章的重点，在此不再详述。

图4 电力电子变压器换流器连接示意图

2.1 MMC子模块故障

对于模块化多电平结构，子模块故障是其常见的故障类型之一，对于MMC型的电力电子变压器，其子模块故障会对隔离级和输出级的输入量产生影响，从而破坏电力电子变压器的整体性能。文中以钳位双子模块为例分析其故障特性，故障类型主要包括功率开关的短路与开路故障，其中钳位双子模块实质为两个半桥子模块级联，因此针对桥臂中的功率开关只分析单个半桥子模块即可。

(1)T11短路或D11短路。功率元件T11和D11任意一个短路，其效果是相同的，在T13导通时，会造成MMC子模块桥臂直通，子模块电容通过T11与T13迅速放电，导致电容电压迅速下降，放电电流可以表示为：

(1)

式中VCSM表示MMC子模块电容电压；RIGBT表示IGBT的通态电阻；C表示子模块电容值。对于电力电子变压器而言，子模块电容电压等级通常在几百到几千伏，而IGBT的通态电阻只有几个毫欧，因而此放电电流高达几十到几百千安，使得T11和T13承受严重的过电流，非故障的开关T13可能因此而损害。

MMC的单相数学模型[7]可表示为：

(2)

(3)

式中L0表示桥臂电感；ip、in分别表示上、下桥臂电流；up、un分别表示上、下桥臂电压；Udc表示直流侧电压；uin表示交流输入电压；iin表示交流输入电流；icir表示环流。基于开关函数的MMC单个子模块数学模型表示为:

(4)

(5)

式中Spi表示子模块的开关函数(p表示上桥臂；i表示子模块编号)；C表示子模块电容；ucpi表示该子模块电容电压；ui子模块输出电压。则该桥臂所有子模块的开关函数数学模型可表示为：

(6)

T11短路或D11短路后，子模块电容迅速放电，其电压ucpi迅速下降，根据式(6)可知，过快的电容电压变化率将引起上桥臂电流的增大，根据式(4)，上桥臂电流增大会使得MMC环流增大以及输入电流波动，并通过式(2)最终引起直流电压的波动。

当T13短路或D13短路时同样也会造成桥臂直通故障，故障特性与T11短路或D11短路相同。

(2)T11开路故障。若此时半桥子模块工作在切除状态时(T13导通)，则半桥子模块和正常时相同；若半桥子模块工作在充放电状态(T11导通)，当桥臂电流方向为正时，则此时子模块通过续流二极管D11正常工作，若桥臂电流方向为负，由于T11开路，不能形成放电回路，桥臂电流将直接流过D13，因此，在此故障下，子模块电容将只能充电而不能放电，由于排序均压作用，当电容电压上升到一定值时不再对电容充电，但此时本应该T11导通，子模块对外呈现电压UC，由于T11开路故障，导致子模块对外呈现电压为0，因此会造成MMC三相不平衡，子模块电压严重偏离正常值，产生较大的环流。此故障情况下的电流通路如图5所示。

图5 T11开路故障时子模块电流通路

(3)T13开路故障。若此时子模块工作在充放电状态(T11导通)，则子模块特性与正常时相同；若此时子模块工作在切除状态(T13导通)，当桥臂电流方向为负时，可通过续流二极管D13切除，与正常时特性相同，若桥臂电流方向为正，由于T13开路，桥臂电流将通过D11对电容进行充电，对外呈现电压为UC，而非0，因而也会产生三相电压不平衡，产生环流。由于均压作用，电容电压会在额定值附近波动。此故障情况下的电流通路如图6所示。

图6 T13开路故障时子模块电流通路

(4)D11开路故障。D11开路会导致MMC半桥子模块在桥臂电流方向为正时失去充电通路。T13导通时，子模块正常切除，T11导通时，若此时桥臂电流方向为正，由于D11开路，电流失去通路，则此时电流会迅速降为0，桥臂电流中断，根据式(2)可知，桥臂电流的突然中断会在桥臂电感中产生过电压冲击，并最终导致直流侧电压出现过电压冲击。此外故障桥臂的电流中断会使得MMC故障相上下桥臂的电抗器不再是并联关系，造成三相桥臂电感不对称，由此引发有功无功及直流电压的二倍频波动[9]。若此时桥臂电流方向为负，则此时电容通过T11放电，由于此故障时，电容失去充电通路会使得电容电压持续下降，会造成三相电压不均衡，产生环流。此故障情况下的电流通路如图7所示。

图7 D11开路故障时子模块电流通路

(5)D13开路故障。D13开路时，子模块拥有充放电通路，桥臂电流方向为正时，子模块正常工作，T13导通时也可切除子模块，但当桥臂电流方向为负时，T11导通可实现子模块正常放电，但是T13导通时，电流通路被阻断，电流迅速将为0，电流中断，产生较大的电压冲击。此故障情况下的电流通路如图8所示。

图8 D13开路故障时子模块电流通路

(6)T15短路或D15短路。T15短路或D15短路造成的结果是相同的。由于钳位双子模块在正常工作时T15一直处于导通状态，因此T15短路对正常运行时的MMC没有影响。当发生直流侧故障时，需要闭锁T15，若T15短路，则交流侧向直流侧馈入电流时，钳位双子模块对外呈现电压为0，而正常时应对外呈现单个电容电压UC，根据文献[11]，以ab相为例，交流侧向直流侧馈入电流的基本条件为：

Uab>2NUc

(7)

式中N为MMC桥臂中钳位双子模块个数，而正常运行下的调制策略，通常调制比小于等于1，因此满足：

(8)

式中Um为相电压峰值；Uabm为线电压峰值。由于T15短路无法闭锁，因此钳位双子模块直流故障闭锁功能失效。此情况下的直流侧故障电流通路如图9所示。

图9 T15短路时直流侧故障电流通路

(7)T15开路故障。若桥臂电流方向为正，由于D15的续流作用，其电流通路与T15正常时相同。若桥臂电流方向为负，则故障前后电容状态如表1所示，C1表示前级子模块电容，C2表示后级子模块电容。由表1可知，由于T15开路使得钳位双子模块的两个电容均失去放电通路，故障特性与T11开路故障类似。

表1 T15开路故障前后电容状态

(8)D15开路故障。若桥臂电流方向为负，则钳位双子模块与正常工作状态相同。若桥臂电流方向为正，由于D15开路使得电流失去续流通路，电流中断，产生冲击过电压，故障特性与D11开路故障分析结果相同。

(9)D16或D17短路故障。D16或D17短路会导致子模块电容发生短路故障，使得T15承受过电流应力，有可能致其损坏。

2.2 隔离级H桥故障

由于隔离级原副边都是可控全桥结构，各个开关管的故障特性类似，因此只分析原边和副边各一个开关故障后的特性即可。

(1)T21短路或D21短路。此时会造成桥臂直通，输入级子模块电容通过T21和T23短路，MMC子模块电容电压迅速下降，造成此桥臂开关过电流，电流表达式可见式(1)。故障特性与T11短路或D11短路分析结果类似。

(2)T21开路故障。由于T21开路，因此无法通过T21和T24将电能传递到变压器，T22和T23导通时H桥与正常情况下相同，T22和T23关断时，电流通过D21和D24续流，因此，此全桥变换器转变为半桥变换器，输出电压比原先低了一倍。由于其他变压器可正常工作，此故障对中低压直流母线电压影响不大，但有可能是其他高频变压器过负荷运行。

(3)T21和D21开路故障。此时变压器无法通过D21和D24续流，变压器磁通归零，变压器偏磁严重，直至饱和。变压器原边可视为短路，当T22和T23导通时，会造成子模块电容短路，电容电压迅速下降，T22和T23过流，MMC三相不平衡，产生环流，故障特性与T11短路或D11短路分析结果类似。

(4)T31短路或D31短路。DAB的开关函数数学模型可表示为：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中S1i、S2i分别表示DAB原、副边H桥的开关状态；u1i、u2i分别表示高频变原、副边电压；i1i、i2i分别表示高频变原、副边电流；ucLi表示DAB低压侧电容电压；k表示高频变压器变比。此故障会造成桥臂直通，由于隔离级所有副边H桥电容并联，导致低压直流母线双极短路，DAB低压电容迅速放电，电压降低，根据式(13)可知，低压侧电容电压降低会导致MMC子模块电压降低；同时，T31还会与T33形成变压器副边绕组短路回路，导致高频变过流，根据式(12)可知高频变过电流则会导致MMC子模块电容电流增大，再通过式(3)和式(6)分析得知，子模块电压的异常导致MMC环流增大。

(5)T31开路且D31开路。此故障下副边全桥整流器变为半桥整流器，变压器副边电能只有一半能传递到电容，会造成电容欠压，故障前由T31和T34流向低压直流母线的电流全部由T32和T33传输，可能造成T32和T33过电流，与之对应导通的原边T22和T23也可能会过流。

(6)D31开路故障。由于D13开路致使T31正常导通时，仍然没有续流通路，此时的故障特性与T31开路且D31开路相同。

2.3 输出级故障

(1)T61短路或D61短路。此故障会导致逆变器桥臂直通，由于隔离级所有副边H桥电容并联，导致低压直流母线双极短路，T61和T64承受严重过电流，低压直流母线电压被拉低。此外，由于低压直流电容放电电流增大，该放电电流也会通过隔离级副边H桥传递到高频变及原边H桥，因此会造成隔离级H桥和高频变过电。该故障分析过程与T31短路或D31短路分析类似，不再详述;

(2)T61开路故障。此故障下逆变器无法通过T61的导通使得A相输出正脉冲而只能输出负脉冲，此时由于逆变器采用多路并联结构，其他逆变器会增大输出电流以弥补故障逆变器的功率缺额，可能会导致其他逆变器过载，危及系统安全;

(3)D61开路故障。D61开路使得T61失去续流通路，逆变器A相只能输出正脉冲而不能输出负脉冲，故障特性与T61开路类似，不再赘述。

3 仿真分析

为了验证上述分析的正确性，基于PSCAD仿真平台，搭建了10 kV/1 MVA的电力电子变压器仿真模型，对上述故障类型进行了仿真。仿真模型中输入级MMC每桥臂采用5个钳位双子模块将10 kV交流电压整流为±10 kV的直流电压，之后经双主动桥变换为750 V直流电压，最后经过三相逆变器输出380 V交流电压。

MMC桥臂电感设为32 mH，子模块电容为1 mF，输出级直流母线电容为24 mF，低压交流负载为0.144 Ω，约为1 MW，仿真中均设定在0.15 s发生故障。

针对上述故障类型分别进行了仿真，并对电力电子变压器的主要故障特性进行了分类统计，统计结果如表2所示，表中“√”表示故障前后特征明显，“×”表示故障前后无差别或差别很小。

表2 电力电子变压器故障特性统计

其中以T11为代表的短路故障会形成桥臂直通，产生过电流冲击，以D11为代表的开路故障则会造成电流断续，产生过电压冲击，此类故障需重点关注。由于故障类型较多且部分故障特性相同，本文选取具有代表性的故障类型给出仿真结果。

(1)T11短路或D11短路。图10所示为T11发生短路故障后的仿真结果，从图中可以看出，在0.15 s发生故障瞬间，子模块电容放电冲击电流可达40 kA，故障子模块电容电压迅速降为0，由此引发MMC三相不平衡，其他子模块电压不均衡，产生环流，并引起输入过流。受子模块电压影响，中压、低压直流电压出现较大幅度波动波;

图10 T11短路时仿真结果

(2)D11开路故障。图11所示为D11发生开路故障后的仿真结果，从图中可以看出，在0.15 s发生故障后，子模块电容将失去充电通路，电容电压无法维持恒定，将持续降低，由此引发三相不平衡，产生环流。此外，由于出现桥臂电流的断续现象，在桥臂电感的作用下，桥臂电流的快速变化导致中压直流母线出现严重的过电压冲击并伴随电压波动；

图11 D11开路时仿真结果

(3)T31短路或D31短路。图12所示为T31发生短路后的仿真结果，从图中可以看出，在0.15 s故障发生后，会与T33形成变压器副边绕组短路回路，导致高频变过电流，幅值可达2 kA左右，严重超过了高频变的额定电流。此外，高频变过电流引起相应的输入级MMC子模块电容过电流，子模块电压被拉低，进而出现输入级三相不平衡；

(4)T61短路或D61短路。图13所示为T61发生短路故障后的仿真结果，从图中可以看出，在0.15 s故障发生后，由于逆变器形成桥臂直通，低压直流母线短路，母线电压在T64导通时迅速降为零，与之对应的交流输出电压A相也因T61短路而只能输出正脉冲。低压直流的放电电流通过隔离级副边H桥传递到高频变及原边H桥，因此会造成隔离级H桥和高频变过电流，并引发输入过电流。

图12 T31短路时仿真结果

图13 T61短路时仿真结果

4 结束语

电力电子变压器主要有多个换流器构成，功率开关元件众多，换流器和功率开关故障会影响电力电子变压器的可靠性。为此，文中对电力电子变压器输入级MMC、隔离级DAB的两端H桥及输出级逆变器中的功率开关短路和开路后的故障特性进行了理论分析，为验证理论分析的正确性，基于PSCAD仿真平台搭建了电力电子变压器模型，对所分析的故障类型进行了仿真验证，并进行了故障特性统计。功率开关短路故障通常会形成桥臂直通，产生严重的过电流冲击；功率开关开路故障则会改变故障前电流的流通路径，输入级MMC产生三相不平衡，甚至出现电流断续，造成过电压冲击，隔离级高频变出现过电流，输出级电压畸变等。电力电子变压器故障特性分析结果对后续相应的保护配置及避雷器选型等都具有一定的指导意义。