VSC非破坏型故障诊断的仿真研究

发布时间：2020-11-05 03:31

　　 随着电力电子技术、计算机技术和控制技术的蓬勃发展,促使柔性直流输电技术(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current Tranmission,VSC-HVDC)日趋完善。现如今,VSC-HVDC被广泛用在新能源并网、直流输电、无功补偿以及潮流控制等领域。电压源换流器(VSC)作为VSC-HVDC系统中最为关键且昂贵的元件,是系统中需要重点保护的对象。本文从VSC故障诊断的研究现状入手,首先通过对VSC基本理论的研究,对比了常用的两种VSC拓扑结构,从中选择三相两电平VSC作为本文研究对象。并建立了两电平VSC的数学模型,阐述了两电平VSC运行模式下的控制方法原理。其次,基于本文中对VSC故障诊断的要求,建立了 VSC-HVDC仿真模型,并对该模型控制系统进行了介绍。将VSC中常出现的几种主要故障进行了对比,重点研究其中的两种非破坏型故障,包括交流侧单相断线故障和IGBT阀开路故障。最后,通过对比目前常用的IGBT阀开路故障诊断方法,重点研究了本文基于HHT的VSC阀开路故障诊断算法。本文的非破坏型诊断算法将直流电流、三相电流作为其主要特征变量,以直流电流中的一次谐波与二次谐波比值作为辨别非破坏型故障与其他运行状态的主要判据,以三相电流的有效值作为辨别单相断线故障的主要判据,以三相电流进行HHT变换后得到的时频图作为辨别IGBT阀开路故障的主要判据,通过层次性故障诊断过程,逐步对两种非破坏型故障进行故障定位。用PSCAD/EMTDC软件进行仿真并用MATLAB进行数据分析,最后以VSC-HVDC系统中的整流端为例,将理论分析与仿真结果进行对比,证明了本文VSC故障诊断算法的正确性,对VSC-HVDC系统的安全运行具有积极意义。
【学位单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM721.1
【部分图文】：

２．１?ＶＳＣ拓扑结构的选择??２．１．１两电平ＶＳＣ的拓扑结构及其工作模式??以整流器为例的两电平ＶＳＣ拓扑结构如图２．１所示。由三个桥臂并联而成，??由固定电压源供电，每个桥臂均包括两个半导体开关管（ＶＴｋ，?ＶＴｋ＋３，?ｈｉ，２，?３），??并且每个开关管均反向并联一个续流的二极管（ＶＤｋ，?ＶＤｋ＋３）。这些功率管是由门极??驱动（ｇｋ，ｇｋ＋３，?ｈｌ，２，?３）来控制的，且（ｇｋ，?ｇｋ＋３）?ｅ｛〇，?１｝。当跺或取衫为１??时，相应开关管导通，为０时，相应开关管关闭。??ＵｓＺ?ｓ?ＵｃＺ０??—ｎｒＶｖ－，?ｃｚｚｚｉ?（？?Ａ??＿＿＿＿＿＾?〇?Ｂ?－ＪＵｄｃ???Ｓ＝３?１?ｃ??」［＾Ｄ４?士」”??ＶＴ４＾?ＶＴ５、?ＶＴ６＾｜??Ｈ?Ｈ?Ｈ卜??图２．１两电平ＶＳＣ拓扑结构图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｔｗｏ－ｌｅｖｅｌ?ＶＳＣ?ｔｏｐｏｌｏｇｙ??这里为方便说明其工作情况，只研究三个桥臂中的Ａ、Ｂ两个桥臂。由于ｇｋ??和ｇｋ＋３是互补的，所以只需要考虑门极信号ｇｌ，ｇ４即可。两个桥臂共会出现四种??开关模式

Ｆｉｇ．?２．２?Ｖｏｌｔａｇｅ?ｌｅｖｅｌｓ?ｉｎ?ｆｏｕｒ?ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ?ｍｏｄｅｓ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ??表２．１正常状态开关模式线电压??Ｔａｂ．?２．１?Ｌｉｎｅ?ｖｏｌｔａｇｅｓ?ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ?ｔｏ?ｓｗｉｔｃｈ?ｍｏｄｅ?ｄｕｒｉｎｇ?ｎｏｎｎａｌ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎ??相电流?信号ｇｉ?信号ｇ２?线电压ＬＵ??１?１?０??／〇＞０？?ｉｂＳ〇?１?〇?＋Ｕｄｃ??０?１?－Ｖｄｃ??０?０?０??１?１?０??ｉａ＞〇ｆ?ｉｂ＞〇?１?〇?七?Ｕｄｃ??０?１?－Ｕｄｃ??０?０?０??１?１?０??／ａ＜〇？?ｌｂ＾．０?１?〇?＋Ｕｄｃ??

的开关频率来抑制谐波。??２．１．２三电平ＶＳＣ的拓扑结构??三电平ＶＳＣ拓扑结构如图２．３所示，开关频率相同的情况下，三电平比两电??平ＶＳＣ的谐波含量更低，直流电压相同情况下，三电平的阶跃电压仅为两电平ＶＳＣ??的一半。??＂＂＂??＋??ｕ?ｒＸ?２＼?ａ?＾?ｋＴＬ?ｉ＼?—ｔ—??＆??＜＇￣￣－］｜ｌ?Ｃ／ｄｔ??ｕｘ????＾?Ａ?ｌ＼?Ｚｌ?＼????ｒ?ｉ???图２．３三电平ＶＳＣ拓扑结构??Ｆｉｇ．?２．３?Ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ?ＶＳＣ?ｔｏｐｏｌｏｇｙ??三电平ＶＳＣ需大量箝位二极管，成本较大，且需要电容电压的平衡。为方便??理论分析，本文选择两电平ＶＳＣ作为研宄的对象。??２．２?ＶＳＣ的数学模型??２．２．１?坐标系下ＶＳＣ数学模型??本文中为论述方便，将开关函数Ｓ定义为单极二值函数。??及＝１上桥臂导通：＆＝０下桥臂导通；妗山ｃ；上下桥臂导通状态互补。则??可用逻辑开关函数表示出ＶＳＣ数学模型表达式（２．１）：??Ｚ?ｈｓｋ－ｉ，??⑵?ｋ＝ａ，ｂ，ｃ??出?ｆ?ｊ?Ａ??＇?Ｌ￣Ｔ＋?Ｒｉｋ＝ｅｋ￣＾ｄｃ?ｓｋ￣＾｛?Ｘ?Ｓｊ?（２．１）??出?＼?＾?ｊ＝ａ，ｂ，ｃ?＾??Ｙ．?ｅｋ＝?Ｚ?７＊＝?０??ｋ＝ａ，ｂ，ｃ?ｋ＝ａ
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本文编号：2871060