MMC型電力電子變壓器：故障特性剖析與穿越能力提升策略研究一、引言1.1研究背景與意義隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的日益復雜，對電力傳輸和轉(zhuǎn)換設(shè)備的性能提出了更高的要求。MMC型電力電子變壓器作為一種新型的電力設(shè)備，融合了電力電子技術(shù)和電磁感應(yīng)原理，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。傳統(tǒng)的電力變壓器主要基于電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電壓變換和電能傳輸，其在電力系統(tǒng)中一直占據(jù)著核心地位。然而，隨著分布式能源的大規(guī)模接入、直流負荷的不斷增加以及對電能質(zhì)量要求的日益提高，傳統(tǒng)變壓器逐漸暴露出一些局限性。例如，它難以實現(xiàn)快速靈活的功率調(diào)節(jié)，對電能質(zhì)量問題的治理能力有限，且無法直接適應(yīng)交直流混合的電力系統(tǒng)環(huán)境。MMC型電力電子變壓器應(yīng)運而生，它克服了傳統(tǒng)變壓器的諸多不足，展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。在結(jié)構(gòu)上，MMC型電力電子變壓器采用模塊化多電平換流器（MMC），這種結(jié)構(gòu)具有模塊化設(shè)計的特點，易于擴展和維護。每個模塊都相對獨立，當某個模塊出現(xiàn)故障時，可以方便地進行更換，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。而且，MMC結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓的多電平化，有效減少了輸出電壓的諧波含量，提高了電能質(zhì)量。在高壓輸電領(lǐng)域，如MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)，MMC型電力電子變壓器可以實現(xiàn)高效的電能傳輸，其模塊化設(shè)計使得系統(tǒng)的建設(shè)和升級更加靈活。在分布式能源并網(wǎng)方面，以光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為例，MMC型電力電子變壓器能夠快速響應(yīng)光伏輸出的變化，調(diào)整電壓和電流，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的無縫對接，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能源利用效率。據(jù)相關(guān)研究表明，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，MMC型電力電子變壓器的轉(zhuǎn)換效率高達98%，能有效減少能源損耗，提高光伏發(fā)電的利用率。在實際運行過程中，MMC型電力電子變壓器也面臨著各種故障的挑戰(zhàn)。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，包含大量的電力電子器件和復雜的控制電路，任何一個部件出現(xiàn)故障都可能導致整個系統(tǒng)的性能下降甚至癱瘓。常見的故障類型包括交流輸入側(cè)單相接地故障、中壓直流側(cè)單極接地故障、低壓直流側(cè)單極接地故障以及交流輸出側(cè)單相接地故障等。當交流輸入側(cè)發(fā)生單相接地故障時，可能會引起電網(wǎng)電壓的不平衡，影響其他設(shè)備的正常運行；中壓直流側(cè)單極接地故障則可能導致直流電壓的波動，甚至引發(fā)過電流故障，損壞設(shè)備。故障穿越能力是衡量MMC型電力電子變壓器性能的重要指標之一。在電力系統(tǒng)中，故障的發(fā)生往往是不可避免的，當故障發(fā)生時，MMC型電力電子變壓器需要具備一定的故障穿越能力，以確保在故障期間能夠維持系統(tǒng)的基本運行，減少對電網(wǎng)和用戶的影響，并在故障消除后能夠快速恢復正常運行。如果MMC型電力電子變壓器不具備良好的故障穿越能力，在故障發(fā)生時可能會導致系統(tǒng)解列，造成大面積停電事故，給社會經(jīng)濟帶來巨大損失。對MMC型電力電子變壓器故障特性和故障穿越能力的研究具有重要的現(xiàn)實意義和學術(shù)價值。從現(xiàn)實意義來看，深入了解其故障特性可以為電力系統(tǒng)的運行維護人員提供準確的故障診斷依據(jù)，幫助他們快速定位故障點，采取有效的故障修復措施，提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。例如，通過對故障特性的分析，可以確定不同故障類型下的電流、電壓變化規(guī)律，從而設(shè)計出更加靈敏和準確的保護裝置。研究故障穿越能力則可以為MMC型電力電子變壓器的實際應(yīng)用提供技術(shù)支持，確保其在復雜的電力系統(tǒng)環(huán)境中能夠可靠運行，促進新能源的大規(guī)模接入和高效利用，推動電力系統(tǒng)向更加清潔、低碳、安全的方向發(fā)展。在新能源發(fā)電領(lǐng)域，MMC型電力電子變壓器作為關(guān)鍵設(shè)備，其良好的故障穿越能力可以保障新能源發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障時的持續(xù)運行，提高新能源的消納能力。從學術(shù)價值層面而言，MMC型電力電子變壓器故障特性和故障穿越能力的研究涉及電力電子技術(shù)、電磁學、自動控制理論等多個學科領(lǐng)域，通過對這些問題的深入研究，可以進一步豐富和完善相關(guān)學科的理論體系。例如，在研究故障特性時，需要運用電路理論和電磁學知識，建立準確的故障模型，分析故障過程中的電磁暫態(tài)特性；在研究故障穿越策略時，則需要結(jié)合自動控制理論，設(shè)計出合理的控制算法，實現(xiàn)對故障的有效應(yīng)對。這不僅有助于解決實際工程問題，還能為相關(guān)領(lǐng)域的學術(shù)研究提供新的思路和方法，推動學科的交叉融合和創(chuàng)新發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在MMC型電力電子變壓器故障特性分析方面，國內(nèi)外學者已開展了一系列研究工作。國外的研究起步相對較早，[文獻名1]對基于MMC的統(tǒng)一潮流控制器（MMC-UPFC）的故障特性進行了深入分析，提出了聯(lián)接變壓器閥側(cè)繞組星接接地、交流側(cè)大電抗接地和交流側(cè)接地變壓器接地等多種可行的接地方式，并針對不同接地方式下的故障特性進行了研究，為后續(xù)MMC型電力電子變壓器故障特性分析提供了重要的參考思路。[文獻名2]則聚焦于模塊化多電平換流器高壓直流輸電系統(tǒng)（MMC-HVDC），研究了其接地方式及故障特性，采用的聯(lián)接變壓器閥側(cè)繞組星接接地、交流側(cè)大電抗接地等方式在MMC型電力電子變壓器的研究中也具有一定的借鑒價值。國內(nèi)學者在MMC型電力電子變壓器故障特性分析領(lǐng)域也取得了不少成果。[文獻名3]針對基于MMC的配電網(wǎng)電力電子變壓器，全面分析了交流輸入側(cè)單相接地故障、中壓直流側(cè)單極接地故障、低壓直流側(cè)單極接地故障以及交流輸出側(cè)單相接地故障等多種故障類型下的故障特性。通過詳細的理論推導和仿真分析，揭示了不同故障情況下系統(tǒng)的電流、電壓變化規(guī)律，為故障診斷和保護策略的制定提供了有力依據(jù)。在故障穿越能力研究方面，國外研究人員提出了多種控制策略以提升MMC型電力電子變壓器的故障穿越能力。例如，[文獻名4]提出了一種基于改進控制算法的故障穿越策略，通過優(yōu)化控制器的參數(shù)和控制邏輯，使MMC型電力電子變壓器在故障期間能夠快速調(diào)整自身運行狀態(tài)，有效抑制故障電流的增長，維持系統(tǒng)的基本運行。該策略在仿真和實際應(yīng)用中都取得了較好的效果，驗證了其可行性和有效性。[文獻名5]則研究了采用附加設(shè)備來增強故障穿越能力的方法，通過在系統(tǒng)中增加儲能裝置或動態(tài)無功補償裝置，在故障發(fā)生時為系統(tǒng)提供額外的能量支持和無功補償，幫助MMC型電力電子變壓器順利穿越故障。國內(nèi)學者也在不斷探索創(chuàng)新，提出了一系列具有針對性的故障穿越策略。[文獻名6]針對應(yīng)用于交直流混合微電網(wǎng)的MMC型電力電子變壓器，提出了一種直流故障穿越方法。該方法通過合理控制MMC和中間的隔離型DC-DC變換器（ISOP）的工作狀態(tài)，在不額外增加裝置的情況下，實現(xiàn)了直流側(cè)的故障穿越功能。在直流短路故障情況下，能夠提供短路電流支撐，當故障恢復后快速建立低壓側(cè)母線電壓，有效改善了微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電電源質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。[文獻名7]則從控制策略的優(yōu)化角度出發(fā)，提出了一種基于多目標優(yōu)化的故障穿越控制策略，該策略綜合考慮了故障期間的功率平衡、電壓穩(wěn)定和電流限制等多個因素，通過優(yōu)化控制算法，實現(xiàn)了MMC型電力電子變壓器在故障穿越過程中的多目標協(xié)調(diào)控制，進一步提升了系統(tǒng)的故障穿越能力和運行性能。盡管國內(nèi)外在MMC型電力電子變壓器故障特性分析與故障穿越能力研究方面已取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。一方面，目前的研究大多集中在單一故障類型或特定運行條件下的故障特性分析，對于多種故障同時發(fā)生以及復雜運行工況下的故障特性研究還相對較少。在實際電力系統(tǒng)中，MMC型電力電子變壓器可能面臨各種復雜的運行環(huán)境和故障情況，多種故障的耦合可能導致系統(tǒng)的故障特性更加復雜，現(xiàn)有研究成果難以全面準確地描述和分析這些復雜故障情況，這為故障診斷和保護策略的制定帶來了困難。另一方面，在故障穿越策略研究方面，現(xiàn)有的策略雖然在一定程度上能夠提升MMC型電力電子變壓器的故障穿越能力，但部分策略存在實現(xiàn)復雜度高、成本昂貴或?qū)ο到y(tǒng)運行性能影響較大等問題。例如，一些基于附加設(shè)備的故障穿越策略需要增加額外的硬件設(shè)備，這不僅增加了系統(tǒng)的成本和體積，還可能降低系統(tǒng)的可靠性；而一些控制策略在實現(xiàn)過程中需要復雜的計算和調(diào)試，對控制器的性能要求較高，且可能會對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生一定的負面影響。此外，目前對于故障穿越過程中MMC型電力電子變壓器與電力系統(tǒng)其他部分的相互作用和協(xié)調(diào)控制研究還不夠深入，如何實現(xiàn)MMC型電力電子變壓器在故障穿越過程中與電網(wǎng)、其他分布式能源以及負載等的協(xié)同運行，以確保整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，仍是一個亟待解決的問題。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文圍繞MMC型電力電子變壓器展開深入研究，主要內(nèi)容涵蓋故障特性分析與故障穿越能力研究兩大核心板塊，具體如下：MMC型電力電子變壓器故障特性分析故障類型分類與原理分析：全面梳理MMC型電力電子變壓器在實際運行中可能遭遇的各類故障，包括交流輸入側(cè)單相接地故障、中壓直流側(cè)單極接地故障、低壓直流側(cè)單極接地故障以及交流輸出側(cè)單相接地故障等。深入剖析每種故障類型產(chǎn)生的根本原因，從電路原理、電磁特性等角度詳細闡述故障發(fā)生時的內(nèi)在機制。以交流輸入側(cè)單相接地故障為例，當某一相發(fā)生接地時，會打破三相電路的平衡狀態(tài)，導致電流分布異常，進而引發(fā)一系列電磁暫態(tài)過程，通過對這些原理的分析，為后續(xù)的故障特性研究奠定堅實基礎(chǔ)。不同故障下電氣量變化規(guī)律研究：運用電路理論、電磁學等相關(guān)知識，對不同故障類型下MMC型電力電子變壓器的電流、電壓等電氣量的變化規(guī)律進行深入研究。建立精確的數(shù)學模型，推導故障發(fā)生瞬間及后續(xù)暫態(tài)過程中電氣量的表達式，分析其幅值、相位、諧波含量等參數(shù)的變化趨勢。在中壓直流側(cè)單極接地故障中，通過數(shù)學推導和分析，明確直流電壓的跌落程度、故障電流的大小和方向，以及這些變化對系統(tǒng)其他部分的影響，從而準確把握故障特性。故障傳播特性分析：探究故障在MMC型電力電子變壓器內(nèi)部以及與電力系統(tǒng)其他部分之間的傳播特性。分析故障發(fā)生后，故障信號如何在不同模塊、不同電壓等級之間傳播，以及傳播過程中對系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的影響。例如，研究中壓直流側(cè)故障如何通過隔離變壓器和換流器傳播到交流側(cè)，導致交流電壓波動，進而影響電網(wǎng)的正常運行，為制定有效的故障隔離和保護策略提供依據(jù)。MMC型電力電子變壓器故障穿越能力研究現(xiàn)有故障穿越策略分析與評估：對國內(nèi)外現(xiàn)有的MMC型電力電子變壓器故障穿越策略進行全面調(diào)研和深入分析，包括基于控制算法優(yōu)化的策略、采用附加設(shè)備的策略等。從控制原理、實現(xiàn)方式、應(yīng)用效果等多個維度對這些策略進行詳細闡述，并評估其在不同故障類型和運行條件下的優(yōu)缺點。以基于改進控制算法的故障穿越策略為例，分析其如何通過優(yōu)化控制器參數(shù)和控制邏輯，實現(xiàn)對故障電流的有效抑制和系統(tǒng)運行狀態(tài)的快速調(diào)整，但同時也指出該策略在計算復雜度和對控制器性能要求方面存在的不足。新型故障穿越策略的提出與設(shè)計：針對現(xiàn)有故障穿越策略存在的問題，結(jié)合MMC型電力電子變壓器的工作原理和故障特性，提出一種新型的故障穿越策略。該策略將綜合考慮多種因素，如故障類型、故障嚴重程度、系統(tǒng)運行狀態(tài)等，通過優(yōu)化控制算法和合理配置附加設(shè)備，實現(xiàn)故障期間系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和故障后的快速恢復。例如，提出一種基于多目標優(yōu)化的故障穿越控制策略，該策略在故障期間不僅能夠有效抑制故障電流，還能保證系統(tǒng)的功率平衡和電壓穩(wěn)定，同時在故障恢復后能夠快速調(diào)整系統(tǒng)運行狀態(tài)，實現(xiàn)與電網(wǎng)的無縫對接。故障穿越策略的仿真驗證與實驗研究：利用MATLAB/Simulink等仿真軟件搭建MMC型電力電子變壓器的仿真模型，對提出的新型故障穿越策略進行仿真驗證。設(shè)置各種典型故障場景，模擬故障發(fā)生和恢復過程，觀察系統(tǒng)在不同策略下的運行響應(yīng)，對比分析新型策略與現(xiàn)有策略的性能差異。例如，在仿真中對比新型策略和傳統(tǒng)策略在故障期間的電流、電壓波動情況，以及故障恢復后的系統(tǒng)恢復時間和穩(wěn)定性，驗證新型策略的有效性和優(yōu)越性。在仿真驗證的基礎(chǔ)上，搭建MMC型電力電子變壓器的實驗平臺，進行實驗研究。通過實際實驗進一步驗證新型故障穿越策略在實際應(yīng)用中的可行性和可靠性，為其工程應(yīng)用提供有力支持。1.3.2研究方法為確保研究的科學性、準確性和可靠性，本論文綜合運用多種研究方法，具體如下：理論分析方法：運用電力電子技術(shù)、電路原理、電磁學、自動控制理論等相關(guān)學科的基礎(chǔ)知識，對MMC型電力電子變壓器的工作原理、故障特性以及故障穿越策略進行深入的理論分析。通過建立數(shù)學模型，推導相關(guān)公式，從理論層面揭示其內(nèi)在規(guī)律和本質(zhì)特征。在故障特性分析中，利用電路理論建立故障等效電路模型，運用電磁學知識分析故障時的電磁暫態(tài)過程，通過理論推導得出電氣量的變化規(guī)律；在故障穿越策略研究中，基于自動控制理論設(shè)計控制算法，通過理論分析確定控制參數(shù)和控制邏輯，為后續(xù)的仿真和實驗研究提供理論依據(jù)。仿真實驗方法：借助MATLAB/Simulink、PSCAD等專業(yè)仿真軟件，搭建MMC型電力電子變壓器的詳細仿真模型。通過設(shè)置不同的運行條件和故障場景，模擬系統(tǒng)在各種情況下的運行狀態(tài)，對故障特性和故障穿越策略進行仿真分析。仿真實驗?zāi)軌蚩焖?、便捷地獲取大量數(shù)據(jù)，直觀展示系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程，有助于深入理解故障發(fā)生和發(fā)展的機理，以及故障穿越策略的實施效果。在研究交流輸入側(cè)單相接地故障特性時，通過仿真模型可以清晰地觀察到故障發(fā)生瞬間電流、電壓的突變情況，以及后續(xù)暫態(tài)過程中的變化趨勢；在驗證故障穿越策略時，通過仿真對比不同策略下系統(tǒng)的運行指標，評估策略的優(yōu)劣。同時，搭建MMC型電力電子變壓器的實驗平臺，進行物理實驗研究。實驗平臺采用實際的電力電子器件、控制器和測量儀器，能夠真實地模擬系統(tǒng)的運行環(huán)境和故障情況。通過實驗獲取的數(shù)據(jù)更加貼近實際，能夠有效驗證仿真結(jié)果的準確性和可靠性，為理論研究和工程應(yīng)用提供有力支撐。對比分析方法：對不同的故障類型、故障穿越策略以及仿真實驗結(jié)果進行對比分析。通過對比，明確各種故障類型的特點和差異，找出不同故障穿越策略的優(yōu)缺點，評估不同策略在不同故障場景下的適應(yīng)性和有效性。在故障特性分析中，對比交流輸入側(cè)、中壓直流側(cè)、低壓直流側(cè)和交流輸出側(cè)不同故障類型下電氣量的變化規(guī)律，總結(jié)出各類故障的特征；在故障穿越策略研究中，對比現(xiàn)有策略和新型策略在故障抑制能力、系統(tǒng)恢復速度、對系統(tǒng)性能影響等方面的差異，從而優(yōu)化和改進故障穿越策略，提高MMC型電力電子變壓器的故障穿越能力和運行可靠性。二、MMC型電力電子變壓器概述2.1基本結(jié)構(gòu)與工作原理2.1.1拓撲結(jié)構(gòu)MMC型電力電子變壓器主要采用三級式拓撲結(jié)構(gòu)，由輸入級、中間級和輸出級三部分組成，各級之間相互協(xié)作，共同實現(xiàn)電能的高效轉(zhuǎn)換與傳輸。輸入級通常采用模塊化多電平換流器（MMC），其基本組成單元是子模塊（SM）。常見的子模塊拓撲有半橋子模塊（HBSM）、全橋子模塊（FBSM）等。以半橋子模塊為例，它由兩個絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和一個儲能電容構(gòu)成。在實際應(yīng)用中，多個半橋子模塊串聯(lián)組成MMC的橋臂，一般每相橋臂包含多個子模塊，三相共六個橋臂，通過合理控制子模塊的開關(guān)狀態(tài)，可實現(xiàn)交流電壓與直流電壓的轉(zhuǎn)換。在一個典型的11電平MMC中，每相橋臂包含10個子模塊，通過控制這些子模塊的投入和切除，能夠合成11電平的交流輸出電壓，有效降低了輸出電壓的諧波含量。中間級主要由隔離變壓器和雙向DC-DC變換器構(gòu)成。隔離變壓器實現(xiàn)了電氣隔離，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時還能根據(jù)實際需求進行電壓等級的匹配。雙向DC-DC變換器則負責在不同直流電壓等級之間進行高效的電能轉(zhuǎn)換，它能夠靈活地調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，以適應(yīng)不同的負載需求和運行工況。采用移相全橋型雙向DC-DC變換器，通過調(diào)節(jié)移相角，可以精確地控制輸出功率，實現(xiàn)能量的雙向流動。輸出級根據(jù)實際應(yīng)用場景的不同，可以采用不同的結(jié)構(gòu)。當用于交流輸出時，通常采用三相全橋逆變器，將中間級輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的三相交流電壓，為交流負載供電；當用于直流輸出時，則可采用簡單的整流電路或DC-DC變換器，將直流電壓進一步調(diào)整為合適的直流電壓，滿足直流負載的需求。在為交流負載供電的應(yīng)用中，三相全橋逆變器通過PWM調(diào)制技術(shù)，將直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率和幅值可控的交流電壓，為工業(yè)設(shè)備、民用電器等提供穩(wěn)定的電力。在整個拓撲結(jié)構(gòu)中，輸入級、中間級和輸出級通過電氣連接緊密協(xié)作。輸入級將電網(wǎng)輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電后，傳輸至中間級；中間級通過隔離變壓器和雙向DC-DC變換器對電能進行處理和變換，再將其傳輸至輸出級；輸出級根據(jù)負載需求，將電能轉(zhuǎn)換為合適的形式輸出，實現(xiàn)了從電網(wǎng)到負載的高效電能傳輸。這種三級式拓撲結(jié)構(gòu)具有模塊化程度高、可擴展性強、電能轉(zhuǎn)換效率高、輸出電能質(zhì)量好等優(yōu)點，使其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。2.1.2工作原理MMC型電力電子變壓器的工作原理基于電力電子技術(shù)和電磁感應(yīng)原理，通過各級的協(xié)同工作，實現(xiàn)電能在不同形式和電壓等級之間的高效轉(zhuǎn)換與傳輸。在輸入級，MMC通過控制子模塊的開關(guān)狀態(tài)來實現(xiàn)交流電與直流電的轉(zhuǎn)換。以半橋子模塊組成的MMC為例，當需要輸出正電壓時，控制相應(yīng)子模塊中的上管IGBT導通，下管IGBT關(guān)斷，子模塊電容電壓被接入電路，從而在橋臂上合成正電壓；當需要輸出負電壓時，控制下管IGBT導通，上管IGBT關(guān)斷，子模塊電容電壓反向接入電路，合成負電壓。通過對各相橋臂上子模塊開關(guān)狀態(tài)的有序控制，MMC能夠?qū)⑤斎氲娜嘟涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電壓輸出。在一個周期內(nèi)，按照一定的調(diào)制策略，依次控制各子模塊的開關(guān)，使得橋臂輸出的電壓波形接近正弦波，從而實現(xiàn)高效的AC-DC轉(zhuǎn)換。中間級的隔離變壓器基于電磁感應(yīng)原理工作，它將輸入級輸出的直流電壓通過高頻逆變轉(zhuǎn)換為高頻交流電，然后通過變壓器進行電壓變換和電氣隔離。變壓器的原邊和副邊通過電磁耦合傳遞能量，根據(jù)變壓器的變比關(guān)系，實現(xiàn)電壓的升高或降低。雙向DC-DC變換器則對變壓器輸出的高頻交流電進行整流和穩(wěn)壓處理，將其轉(zhuǎn)換為合適的直流電壓輸出，同時還能根據(jù)系統(tǒng)需求實現(xiàn)能量的雙向流動。當系統(tǒng)需要向負載供電時，雙向DC-DC變換器將變壓器輸出的電能轉(zhuǎn)換為合適的直流電壓，傳輸至輸出級；當負載側(cè)有多余能量時，雙向DC-DC變換器可將能量反向傳輸回電網(wǎng)或存儲在儲能裝置中。輸出級根據(jù)負載類型進行相應(yīng)的電能轉(zhuǎn)換。對于交流輸出，三相全橋逆變器采用PWM調(diào)制技術(shù)，將中間級輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率和幅值可控的三相交流電壓。通過控制逆變器中IGBT的開關(guān)頻率和占空比，調(diào)節(jié)輸出交流電壓的頻率和幅值，以滿足交流負載的需求。對于直流輸出，整流電路或DC-DC變換器將中間級輸出的直流電壓進一步調(diào)整為負載所需的直流電壓。采用Buck型DC-DC變換器，可以將較高的直流電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓，為低電壓直流負載供電。在整個工作過程中，MMC型電力電子變壓器的控制系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用?？刂葡到y(tǒng)實時監(jiān)測輸入輸出電壓、電流等電氣量，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略和運行要求，對各級的開關(guān)器件進行精確控制，確保電能的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換和傳輸。通過先進的控制算法，如比例積分（PI）控制、模型預(yù)測控制（MPC）等，實現(xiàn)對電壓、電流的精確調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)性能。在電網(wǎng)電壓波動或負載變化時，控制系統(tǒng)能夠快速調(diào)整各級的工作狀態(tài)，保持輸出電壓和電流的穩(wěn)定，確保電力系統(tǒng)的可靠運行。2.2優(yōu)勢與應(yīng)用場景2.2.1優(yōu)勢體積與重量優(yōu)勢：MMC型電力電子變壓器采用高頻變壓器和電力電子器件，相較于傳統(tǒng)變壓器，顯著減小了體積與重量。傳統(tǒng)變壓器基于50Hz或60Hz的工頻運行，其鐵芯和繞組體積較大以滿足電磁感應(yīng)需求。而MMC型電力電子變壓器通過電力電子技術(shù)將工頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，再經(jīng)高頻變壓器進行電壓變換，高頻變壓器的鐵芯可選用高導磁率的材料，如非晶合金等，且由于高頻下電磁感應(yīng)效率更高，繞組匝數(shù)減少，使得鐵芯和繞組體積大幅減小。在相同容量下，MMC型電力電子變壓器的體積可比傳統(tǒng)變壓器減小約50%，重量減輕約60%，這在對設(shè)備安裝空間和重量有嚴格要求的場合，如城市變電站、海上風電場等，具有極大的優(yōu)勢，方便設(shè)備的運輸、安裝和維護。效率優(yōu)勢：MMC型電力電子變壓器具備更高的轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)變壓器存在磁滯損耗和渦流損耗等，尤其是在輕載或過載情況下，效率會明顯下降。MMC型電力電子變壓器通過優(yōu)化控制策略和選用高性能電力電子器件，有效降低了能量損耗。在MMC型電力電子變壓器中，采用軟開關(guān)技術(shù)，使功率開關(guān)器件在零電壓或零電流條件下導通和關(guān)斷，減少了開關(guān)損耗；同時，通過精確的控制算法，實時調(diào)整變壓器的運行狀態(tài)，使其在不同負載條件下都能保持較高的效率。研究表明，在額定負載下，MMC型電力電子變壓器的效率可達98%以上，相比傳統(tǒng)變壓器提高了2-3個百分點，在長期運行中可節(jié)省大量的電能，降低能源消耗和運行成本?？煽匦詢?yōu)勢：MMC型電力電子變壓器的可控性強，能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓、電流、功率等電氣量的快速精確調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)變壓器主要通過分接頭調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)范圍有限且調(diào)節(jié)過程相對緩慢，難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量和靈活控制的要求。MMC型電力電子變壓器利用電力電子器件的快速開關(guān)特性和先進的控制算法，可實現(xiàn)對輸出電壓的幅值、相位和頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)，還能快速調(diào)節(jié)無功功率和有功功率。在電網(wǎng)電壓波動時，MMC型電力電子變壓器能在幾毫秒內(nèi)做出響應(yīng)，通過調(diào)節(jié)自身的工作狀態(tài)，穩(wěn)定輸出電壓，保證負載的正常運行；在分布式能源接入電網(wǎng)時，可根據(jù)能源的輸出特性和電網(wǎng)需求，快速調(diào)整功率傳輸，實現(xiàn)能源的高效利用和電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。電能質(zhì)量改善優(yōu)勢：MMC型電力電子變壓器對電能質(zhì)量的改善具有顯著作用。傳統(tǒng)變壓器在運行過程中會產(chǎn)生一定的諧波，對電網(wǎng)造成污染，影響其他設(shè)備的正常運行。MMC型電力電子變壓器采用多電平換流器技術(shù)，輸出電壓波形更接近正弦波，諧波含量大幅降低。MMC型電力電子變壓器通過合理控制子模塊的開關(guān)狀態(tài)，可實現(xiàn)輸出電壓的多電平合成，有效減少了電壓諧波；同時，利用其靈活的控制能力，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的諧波進行檢測和補償，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。據(jù)測試，MMC型電力電子變壓器輸出電壓的總諧波失真（THD）可控制在5%以內(nèi)，遠低于傳統(tǒng)變壓器，為電力系統(tǒng)中對電能質(zhì)量要求較高的負載，如精密電子設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等，提供了優(yōu)質(zhì)的電源。靈活性與多功能性優(yōu)勢：MMC型電力電子變壓器具有高度的靈活性和多功能性。它可以方便地實現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換，適應(yīng)不同類型的電源和負載需求，在交直流混合電網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。MMC型電力電子變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)多種運行模式的切換，如孤島運行、并網(wǎng)運行等，增強了電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，當外部電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，MMC型電力電子變壓器可迅速切換到孤島運行模式，為微電網(wǎng)內(nèi)的負載提供持續(xù)的電力供應(yīng)；當電網(wǎng)恢復正常后，又能平穩(wěn)地切換回并網(wǎng)運行模式，實現(xiàn)與電網(wǎng)的無縫對接。此外，MMC型電力電子變壓器還可集成無功補償、電能質(zhì)量監(jiān)測等功能，提高了設(shè)備的綜合利用率，減少了電力系統(tǒng)中設(shè)備的配置數(shù)量和投資成本。2.2.2應(yīng)用場景新能源并網(wǎng)：在新能源發(fā)電領(lǐng)域，MMC型電力電子變壓器有著廣泛的應(yīng)用前景。以太陽能光伏發(fā)電為例，由于光伏陣列輸出的是直流電，且其輸出功率受光照強度、溫度等因素影響波動較大，需要通過電力電子設(shè)備將其轉(zhuǎn)換為交流電并接入電網(wǎng)。MMC型電力電子變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)高效的DC-AC轉(zhuǎn)換，并且可以根據(jù)光伏陣列的輸出特性和電網(wǎng)需求，快速調(diào)整輸出電壓和電流，實現(xiàn)最大功率點跟蹤（MPPT），提高光伏發(fā)電的效率和穩(wěn)定性。在大規(guī)模光伏電站中，MMC型電力電子變壓器可將多個光伏陣列的直流電進行集中轉(zhuǎn)換和升壓，再接入高壓電網(wǎng)，減少了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，降低了能量損耗。在風力發(fā)電方面，風電機組輸出的電能也需要進行轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)后才能接入電網(wǎng)。MMC型電力電子變壓器能夠適應(yīng)風電的間歇性和波動性，通過靈活的控制策略，實現(xiàn)風電的平滑并網(wǎng)，減少對電網(wǎng)的沖擊。在海上風電場中，由于空間有限且對設(shè)備可靠性要求高，MMC型電力電子變壓器體積小、重量輕、可靠性高的優(yōu)勢更加突出，可有效降低海上風電場的建設(shè)和運維成本。智能電網(wǎng)：在智能電網(wǎng)建設(shè)中，MMC型電力電子變壓器是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化、柔性化的關(guān)鍵設(shè)備之一。它能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)潮流的精確控制，提高電網(wǎng)的輸電能力和穩(wěn)定性。在電網(wǎng)中，MMC型電力電子變壓器可作為靜止同步補償器（STATCOM）或統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）使用，通過調(diào)節(jié)自身的無功功率輸出，快速穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)；同時，還能調(diào)節(jié)有功功率的傳輸方向和大小，優(yōu)化電網(wǎng)的潮流分布，提高電網(wǎng)的輸電效率。MMC型電力電子變壓器可以實現(xiàn)電網(wǎng)與分布式能源、儲能系統(tǒng)的靈活連接和協(xié)同運行。在分布式能源大量接入電網(wǎng)的情況下，通過MMC型電力電子變壓器的協(xié)調(diào)控制，可實現(xiàn)分布式能源的高效利用和電網(wǎng)的穩(wěn)定運行；在儲能系統(tǒng)中，MMC型電力電子變壓器可作為儲能變流器，實現(xiàn)儲能設(shè)備與電網(wǎng)之間的能量雙向流動，在電網(wǎng)負荷高峰時釋放儲能能量，在負荷低谷時儲存電能，起到削峰填谷的作用，提高電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟性。直流配電：隨著直流負荷的不斷增加，如數(shù)據(jù)中心、電動汽車充電樁等，直流配電系統(tǒng)的應(yīng)用越來越受到關(guān)注。MMC型電力電子變壓器作為直流配電系統(tǒng)的核心設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)交流與直流的高效轉(zhuǎn)換和配電功能。在數(shù)據(jù)中心中，大量的服務(wù)器等設(shè)備需要直流供電，采用MMC型電力電子變壓器可將市電轉(zhuǎn)換為合適的直流電壓，直接為數(shù)據(jù)中心設(shè)備供電，減少了中間的AC-DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了供電效率和可靠性。MMC型電力電子變壓器還能對直流配電系統(tǒng)中的電壓進行精確控制，保證各直流負載的穩(wěn)定運行。在電動汽車充電領(lǐng)域，MMC型電力電子變壓器可作為充電樁的核心部件，實現(xiàn)快速、高效的直流充電。通過靈活控制充電電流和電壓，可根據(jù)電動汽車電池的狀態(tài)進行智能充電，延長電池壽命，同時減少對電網(wǎng)的沖擊。在未來的直流配電網(wǎng)絡(luò)中，MMC型電力電子變壓器還可實現(xiàn)不同電壓等級直流網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)和功率傳輸，促進直流配電系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。三、MMC型電力電子變壓器故障特性分析3.1常見故障類型3.1.1功率開關(guān)故障MMC型電力電子變壓器中的功率開關(guān)分布于輸入級、隔離級和輸出級，其故障類型主要包括短路故障和開路故障，不同位置的功率開關(guān)發(fā)生故障時，會產(chǎn)生不同的現(xiàn)象及影響。在輸入級，以模塊化多電平換流器（MMC）中的半橋子模塊（HBSM）為例，當其中的功率開關(guān)發(fā)生短路故障時，故障相橋臂電流會迅速增大。由于短路點的阻抗極小，根據(jù)歐姆定律在輸入級，以模塊化多電平換流器（MMC）中的半橋子模塊（HBSM）為例，當其中的功率開關(guān)發(fā)生短路故障時，故障相橋臂電流會迅速增大。由于短路點的阻抗極小，根據(jù)歐姆定律I=\frac{U}{R}（其中I為電流，U為電壓，R為阻抗），在電壓不變的情況下，阻抗減小會導致電流急劇上升。這不僅會使該子模塊的電容迅速放電，還可能引發(fā)其他子模塊過流。因為故障相橋臂電流的增大，會打破系統(tǒng)原有的電流平衡，其他子模塊為了維持系統(tǒng)的運行，可能會承受超過正常范圍的電流，從而造成整個輸入級的故障擴大。嚴重時，可能會導致整個MMC無法正常工作，影響到交流輸入與直流輸出之間的轉(zhuǎn)換，進而使整個電力電子變壓器的輸入環(huán)節(jié)失效。當輸入級功率開關(guān)發(fā)生開路故障時，故障相橋臂的輸出電壓會出現(xiàn)缺失或異常。由于開路，該功率開關(guān)無法正常導通，導致子模塊不能按照正常的控制策略進行工作，從而使橋臂輸出電壓無法準確合成，出現(xiàn)電壓畸變。這會使輸入級輸出的直流電壓質(zhì)量下降，影響后續(xù)隔離級和輸出級的正常運行。例如，可能導致隔離級的高頻變壓器輸入電壓不穩(wěn)定，進而影響其變壓效果和能量傳輸效率。在隔離級，若功率開關(guān)發(fā)生短路故障，高頻變壓器的原邊或副邊電流會出現(xiàn)異常。因為隔離級的功率開關(guān)負責控制高頻變壓器的能量傳輸，短路故障會改變變壓器的工作狀態(tài)，使原邊或副邊的電流不再按照正常的規(guī)律變化。這可能會導致變壓器的鐵芯飽和，增加鐵芯損耗，甚至損壞變壓器。鐵芯飽和會使變壓器的磁導率下降，勵磁電流增大，不僅會降低變壓器的效率，還可能引發(fā)過熱等問題，影響整個電力電子變壓器的隔離和變壓功能。若隔離級功率開關(guān)發(fā)生開路故障，會使高頻變壓器的能量傳輸受阻。由于開路，功率開關(guān)無法將電能正常傳輸?shù)阶儔浩鞯牧硪粋?cè)，導致變壓器無法正常工作。這會使隔離級輸出的直流電壓或交流電壓異常，影響到輸出級的正常運行，無法為負載提供穩(wěn)定的電能。在輸出級，當功率開關(guān)發(fā)生短路故障時，輸出電流會急劇增大。以三相全橋逆變器為例，短路故障會導致某一相或多相的輸出電流瞬間增大，這可能會燒毀輸出線路和負載。過大的電流會使線路和負載承受過高的功率，超過其額定承受能力，從而引發(fā)過熱、損壞等問題。同時，也會對整個電力電子變壓器的輸出穩(wěn)定性造成嚴重影響，導致輸出電壓波動，無法滿足負載的正常用電需求。當輸出級功率開關(guān)發(fā)生開路故障時，輸出電壓波形會出現(xiàn)畸變。因為開路導致該相無法正常輸出電壓，使得三相輸出電壓不平衡，波形發(fā)生畸變。這會影響負載的正常工作，尤其是對電壓質(zhì)量要求較高的負載，如精密電子設(shè)備等，可能會導致設(shè)備損壞或工作異常。當輸入級功率開關(guān)發(fā)生開路故障時，故障相橋臂的輸出電壓會出現(xiàn)缺失或異常。由于開路，該功率開關(guān)無法正常導通，導致子模塊不能按照正常的控制策略進行工作，從而使橋臂輸出電壓無法準確合成，出現(xiàn)電壓畸變。這會使輸入級輸出的直流電壓質(zhì)量下降，影響后續(xù)隔離級和輸出級的正常運行。例如，可能導致隔離級的高頻變壓器輸入電壓不穩(wěn)定，進而影響其變壓效果和能量傳輸效率。在隔離級，若功率開關(guān)發(fā)生短路故障，高頻變壓器的原邊或副邊電流會出現(xiàn)異常。因為隔離級的功率開關(guān)負責控制高頻變壓器的能量傳輸，短路故障會改變變壓器的工作狀態(tài)，使原邊或副邊的電流不再按照正常的規(guī)律變化。這可能會導致變壓器的鐵芯飽和，增加鐵芯損耗，甚至損壞變壓器。鐵芯飽和會使變壓器的磁導率下降，勵磁電流增大，不僅會降低變壓器的效率，還可能引發(fā)過熱等問題，影響整個電力電子變壓器的隔離和變壓功能。若隔離級功率開關(guān)發(fā)生開路故障，會使高頻變壓器的能量傳輸受阻。由于開路，功率開關(guān)無法將電能正常傳輸?shù)阶儔浩鞯牧硪粋?cè)，導致變壓器無法正常工作。這會使隔離級輸出的直流電壓或交流電壓異常，影響到輸出級的正常運行，無法為負載提供穩(wěn)定的電能。在輸出級，當功率開關(guān)發(fā)生短路故障時，輸出電流會急劇增大。以三相全橋逆變器為例，短路故障會導致某一相或多相的輸出電流瞬間增大，這可能會燒毀輸出線路和負載。過大的電流會使線路和負載承受過高的功率，超過其額定承受能力，從而引發(fā)過熱、損壞等問題。同時，也會對整個電力電子變壓器的輸出穩(wěn)定性造成嚴重影響，導致輸出電壓波動，無法滿足負載的正常用電需求。當輸出級功率開關(guān)發(fā)生開路故障時，輸出電壓波形會出現(xiàn)畸變。因為開路導致該相無法正常輸出電壓，使得三相輸出電壓不平衡，波形發(fā)生畸變。這會影響負載的正常工作，尤其是對電壓質(zhì)量要求較高的負載，如精密電子設(shè)備等，可能會導致設(shè)備損壞或工作異常。在隔離級，若功率開關(guān)發(fā)生短路故障，高頻變壓器的原邊或副邊電流會出現(xiàn)異常。因為隔離級的功率開關(guān)負責控制高頻變壓器的能量傳輸，短路故障會改變變壓器的工作狀態(tài)，使原邊或副邊的電流不再按照正常的規(guī)律變化。這可能會導致變壓器的鐵芯飽和，增加鐵芯損耗，甚至損壞變壓器。鐵芯飽和會使變壓器的磁導率下降，勵磁電流增大，不僅會降低變壓器的效率，還可能引發(fā)過熱等問題，影響整個電力電子變壓器的隔離和變壓功能。若隔離級功率開關(guān)發(fā)生開路故障，會使高頻變壓器的能量傳輸受阻。由于開路，功率開關(guān)無法將電能正常傳輸?shù)阶儔浩鞯牧硪粋?cè)，導致變壓器無法正常工作。這會使隔離級輸出的直流電壓或交流電壓異常，影響到輸出級的正常運行，無法為負載提供穩(wěn)定的電能。在輸出級，當功率開關(guān)發(fā)生短路故障時，輸出電流會急劇增大。以三相全橋逆變器為例，短路故障會導致某一相或多相的輸出電流瞬間增大，這可能會燒毀輸出線路和負載。過大的電流會使線路和負載承受過高的功率，超過其額定承受能力，從而引發(fā)過熱、損壞等問題。同時，也會對整個電力電子變壓器的輸出穩(wěn)定性造成嚴重影響，導致輸出電壓波動，無法滿足負載的正常用電需求。當輸出級功率開關(guān)發(fā)生開路故障時，輸出電壓波形會出現(xiàn)畸變。因為開路導致該相無法正常輸出電壓，使得三相輸出電壓不平衡，波形發(fā)生畸變。這會影響負載的正常工作，尤其是對電壓質(zhì)量要求較高的負載，如精密電子設(shè)備等，可能會導致設(shè)備損壞或工作異常。若隔離級功率開關(guān)發(fā)生開路故障，會使高頻變壓器的能量傳輸受阻。由于開路，功率開關(guān)無法將電能正常傳輸?shù)阶儔浩鞯牧硪粋?cè)，導致變壓器無法正常工作。這會使隔離級輸出的直流電壓或交流電壓異常，影響到輸出級的正常運行，無法為負載提供穩(wěn)定的電能。在輸出級，當功率開關(guān)發(fā)生短路故障時，輸出電流會急劇增大。以三相全橋逆變器為例，短路故障會導致某一相或多相的輸出電流瞬間增大，這可能會燒毀輸出線路和負載。過大的電流會使線路和負載承受過高的功率，超過其額定承受能力，從而引發(fā)過熱、損壞等問題。同時，也會對整個電力電子變壓器的輸出穩(wěn)定性造成嚴重影響，導致輸出電壓波動，無法滿足負載的正常用電需求。當輸出級功率開關(guān)發(fā)生開路故障時，輸出電壓波形會出現(xiàn)畸變。因為開路導致該相無法正常輸出電壓，使得三相輸出電壓不平衡，波形發(fā)生畸變。這會影響負載的正常工作，尤其是對電壓質(zhì)量要求較高的負載，如精密電子設(shè)備等，可能會導致設(shè)備損壞或工作異常。在輸出級，當功率開關(guān)發(fā)生短路故障時，輸出電流會急劇增大。以三相全橋逆變器為例，短路故障會導致某一相或多相的輸出電流瞬間增大，這可能會燒毀輸出線路和負載。過大的電流會使線路和負載承受過高的功率，超過其額定承受能力，從而引發(fā)過熱、損壞等問題。同時，也會對整個電力電子變壓器的輸出穩(wěn)定性造成嚴重影響，導致輸出電壓波動，無法滿足負載的正常用電需求。當輸出級功率開關(guān)發(fā)生開路故障時，輸出電壓波形會出現(xiàn)畸變。因為開路導致該相無法正常輸出電壓，使得三相輸出電壓不平衡，波形發(fā)生畸變。這會影響負載的正常工作，尤其是對電壓質(zhì)量要求較高的負載，如精密電子設(shè)備等，可能會導致設(shè)備損壞或工作異常。當輸出級功率開關(guān)發(fā)生開路故障時，輸出電壓波形會出現(xiàn)畸變。因為開路導致該相無法正常輸出電壓，使得三相輸出電壓不平衡，波形發(fā)生畸變。這會影響負載的正常工作，尤其是對電壓質(zhì)量要求較高的負載，如精密電子設(shè)備等，可能會導致設(shè)備損壞或工作異常。3.1.2交流輸入側(cè)故障交流輸入側(cè)故障主要包括單相接地故障和三相短路故障，這些故障具有不同的特性和危害。當交流輸入側(cè)發(fā)生單相接地故障時，故障相電壓會降低至接近零，而其他兩相電壓會升高。在中性點不接地系統(tǒng)中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，故障相的對地電容電流會通過接地點形成回路，導致故障相電流增大。故障點的接地電阻和系統(tǒng)的電容參數(shù)等因素會影響故障電流的大小。這種故障可能會引起電網(wǎng)電壓的不平衡，對其他設(shè)備的正常運行產(chǎn)生影響。不平衡的電壓會使電動機等設(shè)備的繞組承受不均勻的電壓，導致發(fā)熱不均，降低設(shè)備的使用壽命，甚至可能引發(fā)設(shè)備故障。同時，還可能導致繼電保護裝置誤動作，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。三相短路故障是一種較為嚴重的故障類型。在發(fā)生三相短路時，三相電流會瞬間急劇增大，可達正常運行電流的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。根據(jù)短路電流的計算公式當交流輸入側(cè)發(fā)生單相接地故障時，故障相電壓會降低至接近零，而其他兩相電壓會升高。在中性點不接地系統(tǒng)中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，故障相的對地電容電流會通過接地點形成回路，導致故障相電流增大。故障點的接地電阻和系統(tǒng)的電容參數(shù)等因素會影響故障電流的大小。這種故障可能會引起電網(wǎng)電壓的不平衡，對其他設(shè)備的正常運行產(chǎn)生影響。不平衡的電壓會使電動機等設(shè)備的繞組承受不均勻的電壓，導致發(fā)熱不均，降低設(shè)備的使用壽命，甚至可能引發(fā)設(shè)備故障。同時，還可能導致繼電保護裝置誤動作，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。三相短路故障是一種較為嚴重的故障類型。在發(fā)生三相短路時，三相電流會瞬間急劇增大，可達正常運行電流的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。根據(jù)短路電流的計算公式三相短路故障是一種較為嚴重的故障類型。在發(fā)生三相短路時，三相電流會瞬間急劇增大，可達正常運行電流的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。根據(jù)短路電流的計算公式I_{k}=\frac{U}{Z_{s}+Z_{L}}（其中I_{k}為短路電流，U為電源電壓，Z_{s}為系統(tǒng)阻抗，Z_{L}為短路點到電源的線路阻抗），由于短路時線路阻抗急劇減小，短路電流會迅速增大。巨大的短路電流會產(chǎn)生強大的電動力和熱效應(yīng)，可能會損壞電氣設(shè)備，如變壓器繞組可能會因電動力而變形，甚至燒毀。還會導致系統(tǒng)電壓大幅下降，使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴重威脅，可能引發(fā)系統(tǒng)解列等嚴重事故，造成大面積停電。3.1.3中壓直流側(cè)故障中壓直流側(cè)故障主要有單極接地故障和雙極短路故障，它們具有各自獨特的故障特征和對系統(tǒng)的影響。當中壓直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時，故障極的電流會增大，而健全極的電流會減小。這是因為故障極通過接地點形成了額外的電流通路，導致電流分布發(fā)生變化。故障點的接地電阻會影響故障電流的大小，接地電阻越小，故障電流越大。單極接地故障可能會引起直流電壓的波動，影響系統(tǒng)的正常運行。波動的直流電壓會使后續(xù)的隔離級和輸出級工作不穩(wěn)定，如隔離級的雙向DC-DC變換器可能無法正常調(diào)節(jié)電壓，導致輸出電壓異常，影響負載的正常供電。同時，長時間的單極接地故障還可能發(fā)展為雙極短路故障，進一步擴大故障范圍，對系統(tǒng)造成更嚴重的損害。雙極短路故障是中壓直流側(cè)最為嚴重的故障之一。發(fā)生雙極短路時，短路電流會迅速增大，且上升速度極快。由于中壓直流側(cè)的電壓較高，短路瞬間會釋放出巨大的能量。根據(jù)能量公式當中壓直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時，故障極的電流會增大，而健全極的電流會減小。這是因為故障極通過接地點形成了額外的電流通路，導致電流分布發(fā)生變化。故障點的接地電阻會影響故障電流的大小，接地電阻越小，故障電流越大。單極接地故障可能會引起直流電壓的波動，影響系統(tǒng)的正常運行。波動的直流電壓會使后續(xù)的隔離級和輸出級工作不穩(wěn)定，如隔離級的雙向DC-DC變換器可能無法正常調(diào)節(jié)電壓，導致輸出電壓異常，影響負載的正常供電。同時，長時間的單極接地故障還可能發(fā)展為雙極短路故障，進一步擴大故障范圍，對系統(tǒng)造成更嚴重的損害。雙極短路故障是中壓直流側(cè)最為嚴重的故障之一。發(fā)生雙極短路時，短路電流會迅速增大，且上升速度極快。由于中壓直流側(cè)的電壓較高，短路瞬間會釋放出巨大的能量。根據(jù)能量公式雙極短路故障是中壓直流側(cè)最為嚴重的故障之一。發(fā)生雙極短路時，短路電流會迅速增大，且上升速度極快。由于中壓直流側(cè)的電壓較高，短路瞬間會釋放出巨大的能量。根據(jù)能量公式E=\frac{1}{2}Li^{2}（其中E為能量，L為電感，i為電流），在短路電流迅速增大的情況下，能量會急劇增加。這會對系統(tǒng)中的設(shè)備造成嚴重的損壞，如熔斷器可能會迅速熔斷，保護設(shè)備可能來不及動作，導致設(shè)備燒毀。雙極短路故障還會對整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的沖擊，可能引發(fā)系統(tǒng)崩潰，造成嚴重的停電事故，給社會經(jīng)濟帶來巨大損失。3.1.4低壓直流側(cè)故障低壓直流側(cè)故障類型包括單極接地故障、雙極短路故障以及過流、過壓等故障。當?shù)蛪褐绷鱾?cè)發(fā)生單極接地故障時，故障極電流會發(fā)生變化，其變化情況與系統(tǒng)的接地方式和負載特性有關(guān)。在某些接地方式下，故障極電流會增大，而在其他方式下可能變化不明顯。例如，在電容中點接地系統(tǒng)中，故障極電流會通過電容形成回路，導致電流增大。單極接地故障可能會影響低壓直流側(cè)的電壓穩(wěn)定性，進而影響連接在該側(cè)的負載的正常工作。不穩(wěn)定的電壓可能會使直流負載無法正常運行，如電子設(shè)備可能會出現(xiàn)死機、數(shù)據(jù)丟失等問題。雙極短路故障在低壓直流側(cè)同樣會導致短路電流迅速增大。雖然低壓直流側(cè)電壓相對較低，但短路電流仍然可能對設(shè)備造成損壞。短路電流產(chǎn)生的熱量會使設(shè)備溫度急劇升高，超過設(shè)備的耐受溫度，從而損壞設(shè)備。過流故障會使低壓直流側(cè)的電流超過額定值，這可能是由于負載短路、設(shè)備故障等原因引起的。過流會導致設(shè)備發(fā)熱，加速設(shè)備老化，甚至引發(fā)火災(zāi)。過壓故障則會使電壓超過設(shè)備的額定電壓，可能會擊穿設(shè)備的絕緣，損壞設(shè)備。當?shù)蛪褐绷鱾?cè)發(fā)生單極接地故障時，故障極電流會發(fā)生變化，其變化情況與系統(tǒng)的接地方式和負載特性有關(guān)。在某些接地方式下，故障極電流會增大，而在其他方式下可能變化不明顯。例如，在電容中點接地系統(tǒng)中，故障極電流會通過電容形成回路，導致電流增大。單極接地故障可能會影響低壓直流側(cè)的電壓穩(wěn)定性，進而影響連接在該側(cè)的負載的正常工作。不穩(wěn)定的電壓可能會使直流負載無法正常運行，如電子設(shè)備可能會出現(xiàn)死機、數(shù)據(jù)丟失等問題。雙極短路故障在低壓直流側(cè)同樣會導致短路電流迅速增大。雖然低壓直流側(cè)電壓相對較低，但短路電流仍然可能對設(shè)備造成損壞。短路電流產(chǎn)生的熱量會使設(shè)備溫度急劇升高，超過設(shè)備的耐受溫度，從而損壞設(shè)備。過流故障會使低壓直流側(cè)的電流超過額定值，這可能是由于負載短路、設(shè)備故障等原因引起的。過流會導致設(shè)備發(fā)熱，加速設(shè)備老化，甚至引發(fā)火災(zāi)。過壓故障則會使電壓超過設(shè)備的額定電壓，可能會擊穿設(shè)備的絕緣，損壞設(shè)備。雙極短路故障在低壓直流側(cè)同樣會導致短路電流迅速增大。雖然低壓直流側(cè)電壓相對較低，但短路電流仍然可能對設(shè)備造成損壞。短路電流產(chǎn)生的熱量會使設(shè)備溫度急劇升高，超過設(shè)備的耐受溫度，從而損壞設(shè)備。過流故障會使低壓直流側(cè)的電流超過額定值，這可能是由于負載短路、設(shè)備故障等原因引起的。過流會導致設(shè)備發(fā)熱，加速設(shè)備老化，甚至引發(fā)火災(zāi)。過壓故障則會使電壓超過設(shè)備的額定電壓，可能會擊穿設(shè)備的絕緣，損壞設(shè)備。3.1.5其他故障除了上述常見故障類型外，MMC型電力電子變壓器還可能出現(xiàn)傳感器故障、控制電路故障等其他故障。傳感器故障包括電流傳感器故障、電壓傳感器故障等。當電流傳感器發(fā)生故障時，可能會輸出錯誤的電流信號。這會導致控制系統(tǒng)對電流的監(jiān)測和控制出現(xiàn)偏差，無法準確調(diào)節(jié)功率開關(guān)的動作，進而影響系統(tǒng)的正常運行。如果控制系統(tǒng)根據(jù)錯誤的電流信號進行調(diào)節(jié)，可能會導致過流或欠流現(xiàn)象，損壞設(shè)備。電壓傳感器故障則可能使控制系統(tǒng)無法準確獲取電壓信息，無法實現(xiàn)對電壓的穩(wěn)定控制。例如，在調(diào)節(jié)輸出電壓時，由于電壓傳感器故障，控制系統(tǒng)可能無法判斷輸出電壓是否達到設(shè)定值，從而導致電壓過高或過低，影響負載的正常工作?？刂齐娐饭收峡赡苁怯捎陔娮釉p壞、電路板短路等原因引起的?？刂齐娐饭收蠒е驴刂菩盘柈惓＃瑹o法正?？刂乒β书_關(guān)的導通和關(guān)斷。功率開關(guān)無法按照預(yù)定的控制策略工作，會使電力電子變壓器的輸出出現(xiàn)異常，無法滿足負載的需求?？刂齐娐饭收线€可能導致系統(tǒng)失去對故障的檢測和保護能力，在發(fā)生其他故障時，無法及時采取措施，進一步擴大故障范圍，對系統(tǒng)造成更嚴重的損害。傳感器故障包括電流傳感器故障、電壓傳感器故障等。當電流傳感器發(fā)生故障時，可能會輸出錯誤的電流信號。這會導致控制系統(tǒng)對電流的監(jiān)測和控制出現(xiàn)偏差，無法準確調(diào)節(jié)功率開關(guān)的動作，進而影響系統(tǒng)的正常運行。如果控制系統(tǒng)根據(jù)錯誤的電流信號進行調(diào)節(jié)，可能會導致過流或欠流現(xiàn)象，損壞設(shè)備。電壓傳感器故障則可能使控制系統(tǒng)無法準確獲取電壓信息，無法實現(xiàn)對電壓的穩(wěn)定控制。例如，在調(diào)節(jié)輸出電壓時，由于電壓傳感器故障，控制系統(tǒng)可能無法判斷輸出電壓是否達到設(shè)定值，從而導致電壓過高或過低，影響負載的正常工作。控制電路故障可能是由于電子元件損壞、電路板短路等原因引起的?？刂齐娐饭收蠒е驴刂菩盘柈惓?，無法正?？刂乒β书_關(guān)的導通和關(guān)斷。功率開關(guān)無法按照預(yù)定的控制策略工作，會使電力電子變壓器的輸出出現(xiàn)異常，無法滿足負載的需求?？刂齐娐饭收线€可能導致系統(tǒng)失去對故障的檢測和保護能力，在發(fā)生其他故障時，無法及時采取措施，進一步擴大故障范圍，對系統(tǒng)造成更嚴重的損害?？刂齐娐饭收峡赡苁怯捎陔娮釉p壞、電路板短路等原因引起的?？刂齐娐饭收蠒е驴刂菩盘柈惓＃瑹o法正?？刂乒β书_關(guān)的導通和關(guān)斷。功率開關(guān)無法按照預(yù)定的控制策略工作，會使電力電子變壓器的輸出出現(xiàn)異常，無法滿足負載的需求?？刂齐娐饭收线€可能導致系統(tǒng)失去對故障的檢測和保護能力，在發(fā)生其他故障時，無法及時采取措施，進一步擴大故障范圍，對系統(tǒng)造成更嚴重的損害。3.2故障特性影響因素3.2.1拓撲結(jié)構(gòu)MMC型電力電子變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)對其故障特性有著顯著影響，其中子模塊數(shù)量和連接方式是兩個關(guān)鍵因素。子模塊數(shù)量的多少直接關(guān)系到MMC的性能和故障特性。一般來說，子模塊數(shù)量增加，MMC輸出電壓的電平數(shù)增多，電壓波形更接近正弦波，諧波含量降低，電能質(zhì)量得到提升。然而，在故障情況下，子模塊數(shù)量的增加也會使故障分析和處理變得更為復雜。當某一子模塊發(fā)生故障時，由于子模塊之間的電氣連接緊密，故障可能會迅速傳播至其他子模塊，導致故障范圍擴大。假設(shè)一個包含N個子模塊的MMC系統(tǒng)，當其中一個子模塊出現(xiàn)短路故障時，故障電流會通過與之相連的其他子模塊，使得這些子模塊承受的電流增大，若超過其額定電流，可能會引發(fā)連鎖反應(yīng)，導致更多子模塊損壞。從能量角度分析，子模塊數(shù)量增多意味著系統(tǒng)儲能增加，故障瞬間釋放的能量也更大，這對系統(tǒng)的保護裝置提出了更高的要求。在中壓直流輸電系統(tǒng)中，采用較多子模塊的MMC型電力電子變壓器，一旦發(fā)生子模塊故障，短路電流的上升速度和幅值都可能比子模塊數(shù)量較少的系統(tǒng)更大，可能會對系統(tǒng)中的其他設(shè)備造成嚴重損害。連接方式也是影響故障特性的重要因素。MMC常見的連接方式有星型連接和三角型連接，不同連接方式下，MMC在故障時的電氣特性和故障傳播路徑存在差異。在星型連接中，各相橋臂的中點直接相連，形成中性點。當發(fā)生單相接地故障時，故障電流會通過中性點形成回路，其大小和流向與系統(tǒng)的接地方式密切相關(guān)。在中性點直接接地系統(tǒng)中，單相接地故障電流較大，可能會對系統(tǒng)設(shè)備造成較大沖擊；而在中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，故障電流相對較小，但可能會出現(xiàn)零序電壓和零序電流，影響系統(tǒng)的正常運行。在三角型連接中，各相橋臂首尾相連，沒有中性點。這種連接方式在發(fā)生單相接地故障時，故障電流主要通過故障相橋臂內(nèi)部的子模塊形成回路，不會像星型連接那樣通過中性點傳播，因此故障電流的分布和大小與星型連接有很大不同。在某些情況下，三角型連接可以限制故障電流的大小，減輕故障對系統(tǒng)的影響，但也可能會導致故障在橋臂內(nèi)部傳播，增加故障診斷和修復的難度。不同的連接方式還會影響MMC對其他類型故障的響應(yīng)。在三相短路故障中，星型連接的MMC可能會因為三相電流的不平衡而導致各相橋臂的電流差異較大，對橋臂上的功率開關(guān)和子模塊造成不同程度的損壞；而三角型連接的MMC，由于三相之間的電氣連接特點，故障電流的分布相對較為均勻，但短路電流的總幅值可能較大，對系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。3.2.2控制策略控制策略與MMC型電力電子變壓器的故障特性緊密相關(guān)，不同的控制方式在故障發(fā)生時會產(chǎn)生不同的響應(yīng)和影響。在正常運行狀態(tài)下，控制策略主要負責實現(xiàn)電力電子變壓器的各種功能，如電壓調(diào)節(jié)、功率傳輸?shù)取．敼收习l(fā)生時，控制策略需要迅速做出調(diào)整，以應(yīng)對故障情況，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。常見的控制策略有直接電流控制、間接電流控制和模型預(yù)測控制等，它們在故障響應(yīng)方面各有特點。直接電流控制是一種較為常用的控制策略，它通過直接控制電力電子變壓器的輸入或輸出電流，來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。在故障發(fā)生時，直接電流控制能夠快速檢測到電流的異常變化，并通過調(diào)整功率開關(guān)的觸發(fā)脈沖，來限制故障電流的大小。當交流輸入側(cè)發(fā)生短路故障時，直接電流控制策略可以迅速減小功率開關(guān)的導通時間，使輸入電流迅速下降，從而保護電力電子變壓器和其他設(shè)備免受過大電流的損害。這種控制策略的響應(yīng)速度較快，但對電流檢測的精度要求較高，一旦電流檢測出現(xiàn)偏差，可能會導致控制效果不佳。間接電流控制則是通過控制其他物理量，如電壓、功率等，來間接實現(xiàn)對電流的控制。在故障情況下，間接電流控制策略通常會根據(jù)系統(tǒng)的故障類型和嚴重程度，調(diào)整控制目標和控制參數(shù)。當中壓直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時，間接電流控制策略可能會通過調(diào)整隔離級雙向DC-DC變換器的工作狀態(tài)，來維持直流電壓的穩(wěn)定，并間接限制故障電流的增長。這種控制策略相對較為靈活，能夠適應(yīng)不同的故障情況，但控制過程相對復雜，響應(yīng)速度可能不如直接電流控制快。模型預(yù)測控制是一種基于系統(tǒng)模型的先進控制策略，它通過對系統(tǒng)未來狀態(tài)的預(yù)測，來優(yōu)化當前的控制決策。在MMC型電力電子變壓器中，模型預(yù)測控制可以根據(jù)故障發(fā)生前的系統(tǒng)狀態(tài)和故障類型，預(yù)測故障發(fā)展趨勢，并提前制定相應(yīng)的控制策略。在故障發(fā)生時，模型預(yù)測控制能夠快速調(diào)整功率開關(guān)的動作順序和時間，以實現(xiàn)對故障電流的有效抑制和系統(tǒng)運行狀態(tài)的快速恢復。當交流輸出側(cè)發(fā)生短路故障時，模型預(yù)測控制可以根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)模型，預(yù)測短路電流的變化趨勢，然后通過優(yōu)化控制算法，快速調(diào)整輸出電壓和電流，使系統(tǒng)盡快恢復到正常運行狀態(tài)。模型預(yù)測控制具有較好的動態(tài)性能和魯棒性，但需要建立精確的系統(tǒng)模型，計算量較大，對控制器的性能要求較高。不同的控制策略在故障穿越能力方面也存在差異。良好的控制策略不僅要能夠在故障發(fā)生時快速抑制故障電流，還要能夠保證電力電子變壓器在故障期間維持一定的運行能力，實現(xiàn)故障穿越。一些控制策略在故障穿越過程中，可能會犧牲部分電能質(zhì)量，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；而另一些控制策略則致力于在維持系統(tǒng)穩(wěn)定的同時，盡量減少對電能質(zhì)量的影響。因此，在選擇和設(shè)計控制策略時，需要綜合考慮故障特性、故障穿越能力以及系統(tǒng)的整體性能要求，以實現(xiàn)最佳的控制效果。3.2.3運行工況MMC型電力電子變壓器的故障特性在不同運行工況下會呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，其中負載變化和電壓波動是兩個重要的影響因素。負載變化對MMC型電力電子變壓器的故障特性有著顯著影響。當負載發(fā)生變化時，電力電子變壓器的輸出功率和電流也會相應(yīng)改變，這會導致其內(nèi)部的電氣參數(shù)和電磁狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響故障特性。在輕載情況下，電力電子變壓器的輸出電流較小，內(nèi)部損耗相對較低，各部件的工作溫度也較低。此時若發(fā)生故障，故障電流的大小可能相對較小，故障的發(fā)展速度也可能較慢。因為輕載時系統(tǒng)的能量儲備較少，故障瞬間釋放的能量有限，對系統(tǒng)的沖擊相對較小。在某些輕載故障情況下，可能僅表現(xiàn)為局部部件的輕微損壞，不會對整個系統(tǒng)造成嚴重影響。當負載逐漸增加至重載時，電力電子變壓器的輸出電流增大，內(nèi)部損耗增加，各部件的工作溫度升高。在這種情況下發(fā)生故障，故障電流會迅速增大，故障的影響范圍也會擴大。重載時系統(tǒng)的能量流動較大，一旦發(fā)生故障，大量的能量會在短時間內(nèi)釋放，可能會導致設(shè)備過熱、絕緣損壞等嚴重問題。在重載情況下發(fā)生交流輸入側(cè)短路故障，由于短路電流的急劇增大，可能會使電力電子變壓器的輸入級模塊承受過高的電流和電壓應(yīng)力，導致模塊中的功率開關(guān)損壞，甚至引發(fā)整個輸入級的故障。電壓波動也是影響MMC型電力電子變壓器故障特性的重要因素。電力系統(tǒng)中的電壓波動可能由多種原因引起，如電網(wǎng)故障、負荷變化、分布式能源接入等。當輸入電壓發(fā)生波動時，MMC型電力電子變壓器的工作狀態(tài)會受到直接影響。在電壓升高時，電力電子變壓器的內(nèi)部電壓應(yīng)力增大，可能會導致絕緣材料承受過高的電場強度，從而降低其絕緣性能，增加絕緣擊穿的風險。長期處于過電壓運行狀態(tài)，可能會使變壓器的繞組絕緣逐漸老化，最終導致繞組短路故障。當輸入電壓降低時，電力電子變壓器為了維持輸出功率，可能會增大輸出電流，這會導致內(nèi)部損耗增加，發(fā)熱加劇。在低電壓情況下，若負載不變或增加，電力電子變壓器可能會進入過載運行狀態(tài)，進一步加重設(shè)備的負擔。長期處于低電壓過載運行狀態(tài)，可能會使變壓器的鐵芯飽和，勵磁電流增大，不僅會降低變壓器的效率，還可能引發(fā)過熱、振動等問題，增加故障發(fā)生的概率。當電壓波動頻繁時，電力電子變壓器的控制系統(tǒng)需要不斷調(diào)整以適應(yīng)電壓變化，這會增加控制器的工作負擔，可能導致控制誤差增大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在電壓波動頻繁的情況下，MMC型電力電子變壓器的功率開關(guān)可能會頻繁動作，加速其老化和損壞，從而引發(fā)故障。3.3故障特性分析方法3.3.1數(shù)學模型分析建立MMC型電力電子變壓器的數(shù)學模型是深入分析其故障特性的關(guān)鍵步驟，主要涵蓋電路模型和電磁模型的構(gòu)建。在電路模型方面，基于基爾霍夫定律和元件特性方程進行建立。以三相MMC型電力電子變壓器的輸入級為例，對于每一相橋臂，可將其視為由多個子模塊和橋臂電感串聯(lián)組成。設(shè)橋臂電感為L_0，子模塊電容為C_{SM}，子模塊等效電阻為R_{SM}，橋臂電流為i_{arm}，橋臂電壓為u_{arm}，根據(jù)基爾霍夫電壓定律（KVL），可得到橋臂電壓方程：u_{arm}=L_0\frac{di_{arm}}{dt}+R_{SM}i_{arm}+\sum_{k=1}^{n}u_{SMk}其中，u_{SMk}為第k個子模塊的輸出電壓，n為橋臂中子模塊的數(shù)量。對于隔離級的雙向DC-DC變換器，以移相全橋型為例，假設(shè)其原邊電壓為u_{p}，副邊電壓為u_{s}，原邊電流為i_{p}，副邊電流為i_{s}，變壓器變比為n_{T}，根據(jù)變壓器的電磁感應(yīng)原理和電路特性，可得到以下方程：u_{p}=n_{T}u_{s}i_{p}=\frac{i_{s}}{n_{T}}在輸出級，若為三相全橋逆變器，設(shè)輸出相電壓為u_{o}，輸出線電壓為u_{ol}，輸出電流為i_{o}，根據(jù)逆變器的工作原理和電路連接方式，可建立相應(yīng)的電路方程。通過這些電路方程，可以清晰地描述MMC型電力電子變壓器在正常運行和故障情況下的電流、電壓關(guān)系，為故障特性分析提供基礎(chǔ)。電磁模型則側(cè)重于描述變壓器內(nèi)部的電磁關(guān)系。以中間級的隔離變壓器為例，其電磁模型主要基于法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律。設(shè)變壓器的原邊繞組匝數(shù)為N_{p}，副邊繞組匝數(shù)為N_{s}，磁通量為\varPhi，原邊電流產(chǎn)生的磁動勢為F_{p}=N_{p}i_{p}，副邊電流產(chǎn)生的磁動勢為F_{s}=N_{s}i_{s}。根據(jù)安培環(huán)路定律，在忽略鐵芯損耗和漏磁的理想情況下，有F_{p}=F_{s}，即N_{p}i_{p}=N_{s}i_{s}。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，原邊繞組的感應(yīng)電動勢e_{p}=-N_{p}\frac{d\varPhi}{dt}，副邊繞組的感應(yīng)電動勢e_{s}=-N_{s}\frac{d\varPhi}{dt}，由此可得\frac{e_{p}}{e_{s}}=\frac{N_{p}}{N_{s}}，這與變壓器的變比關(guān)系一致。在考慮鐵芯飽和等實際情況時，需要引入鐵芯的磁化曲線等參數(shù)來修正電磁模型，以更準確地描述變壓器內(nèi)部的電磁特性。利用這些數(shù)學模型，通過數(shù)學推導和分析，可以深入研究故障時電氣量的變化規(guī)律。當發(fā)生交流輸入側(cè)單相接地故障時，通過對電路模型和電磁模型的分析，可以推導出故障相電流、電壓的表達式，分析其幅值、相位的變化情況，以及對其他相電氣量的影響。在中壓直流側(cè)單極接地故障中，通過數(shù)學模型可以計算出故障極和健全極的電流、電壓變化，以及故障電流在系統(tǒng)中的分布情況，從而準確把握故障特性，為故障診斷和保護策略的制定提供理論依據(jù)。3.3.2仿真分析利用仿真軟件搭建MMC型電力電子變壓器的模型是一種直觀、高效的故障特性分析方法，其中MATLAB/Simulink和PSCAD等軟件在電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在MATLAB/Simulink中，首先需要從SimPowerSystems庫中選取所需的模塊來構(gòu)建MMC型電力電子變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)。對于輸入級的MMC，可使用通用的電力電子模塊搭建半橋子模塊或全橋子模塊，并將多個子模塊串聯(lián)組成橋臂，再構(gòu)建三相橋臂形成MMC結(jié)構(gòu)。在搭建半橋子模塊時，使用IGBT模塊和二極管模塊組成開關(guān)單元，與電容模塊連接，實現(xiàn)子模塊的功能。通過設(shè)置子模塊的參數(shù)，如電容值、開關(guān)頻率等，可模擬不同的運行條件。對于隔離級的雙向DC-DC變換器，可根據(jù)其拓撲結(jié)構(gòu)，使用相應(yīng)的電力電子開關(guān)模塊、電感模塊和電容模塊進行搭建。移相全橋型雙向DC-DC變換器可通過設(shè)置開關(guān)管的觸發(fā)信號和移相角來控制其工作狀態(tài)。輸出級的三相全橋逆變器同樣可利用電力電子開關(guān)模塊進行搭建，并通過PWM調(diào)制模塊產(chǎn)生合適的脈沖信號來控制逆變器的輸出。在PSCAD中，也有豐富的電力系統(tǒng)元件庫可供使用。通過從庫中選取合適的模塊，按照MMC型電力電子變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)進行連接，即可搭建出仿真模型。在搭建過程中，需要準確設(shè)置各個模塊的參數(shù)，如變壓器的變比、電感值、電容值等，以確保模型能夠準確反映實際系統(tǒng)的特性。搭建好模型后，即可模擬不同的故障場景。當模擬交流輸入側(cè)單相接地故障時，可在交流輸入側(cè)的某一相設(shè)置接地電阻，通過改變接地電阻的值來模擬不同程度的接地故障。在仿真過程中，可設(shè)置故障發(fā)生的時刻，如在t=0.1s時發(fā)生故障，觀察故障發(fā)生瞬間及后續(xù)暫態(tài)過程中電流、電壓等電氣量的變化。對于中壓直流側(cè)單極接地故障，可在中壓直流母線的某一極設(shè)置接地故障點，通過改變接地方式和故障電阻，觀察故障極和健全極的電流、電壓變化情況。在設(shè)置故障電阻為10\Omega時，觀察故障電流的大小和流向，以及直流電壓的波動情況。通過仿真分析，可以直觀地得到不同故障場景下電氣量的變化曲線，從而清晰地了解故障特性。以交流輸入側(cè)單相接地故障為例，仿真結(jié)果可能顯示故障相電流迅速增大，其他兩相電流也會發(fā)生相應(yīng)的變化，電壓出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。通過對這些仿真結(jié)果的分析，可以總結(jié)出故障時電氣量的變化規(guī)律，為故障診斷和保護策略的制定提供參考依據(jù)。同時，通過改變仿真模型中的參數(shù)，如拓撲結(jié)構(gòu)、控制策略等，可以進一步研究不同因素對故障特性的影響，深入挖掘MMC型電力電子變壓器的故障特性。3.3.3實驗分析通過實驗獲取故障數(shù)據(jù)是驗證理論分析和仿真結(jié)果的重要手段，實驗平臺的搭建和實驗方案的設(shè)計是實驗分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實驗平臺的搭建需要選用合適的電力電子器件、控制器和測量儀器。對于MMC型電力電子變壓器的輸入級，可選用合適規(guī)格的IGBT模塊來構(gòu)建子模塊，根據(jù)所需的電壓等級和功率容量，選擇耐壓值和電流容量合適的IGBT。使用半橋子模塊時，可選用耐壓值為1200V、電流容量為50A的IGBT模塊，搭建多個子模塊并串聯(lián)組成橋臂。中間級的隔離變壓器可根據(jù)實際需求定制，確保其變比和電氣性能滿足實驗要求。雙向DC-DC變換器同樣選用合適的電力電子器件進行搭建。輸出級根據(jù)實際需求選擇合適的逆變器或整流電路?？刂破魇菍嶒炂脚_的核心部分，可選用數(shù)字信號處理器（DSP）或現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為控制器。DSP具有強大的數(shù)字信號處理能力，能夠快速執(zhí)行控制算法，實現(xiàn)對電力電子變壓器的精確控制。FPGA則具有高度的靈活性和并行處理能力，可根據(jù)需求定制控制邏輯，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。通過編寫相應(yīng)的控制程序，實現(xiàn)對MMC型電力電子變壓器的各種控制策略。測量儀器用于采集實驗過程中的電氣量數(shù)據(jù)，如電流、電壓等。可選用高精度的電流傳感器和電壓傳感器，將采集到的信號傳輸給數(shù)據(jù)采集卡，再通過計算機進行數(shù)據(jù)處理和分析。使用霍爾電流傳感器和電壓傳感器，其精度可達0.1%，能夠準確測量電流和電壓的變化。實驗方案的設(shè)計需要明確實驗?zāi)康暮蛯嶒灢襟E。實驗?zāi)康耐ǔＪ球炞C理論分析和仿真結(jié)果，研究MMC型電力電子變壓器的故障特性。實驗步驟包括設(shè)置不同的故障類型和運行工況，記錄實驗數(shù)據(jù)并進行分析。在設(shè)置故障類型時，可依次進行交流輸入側(cè)單相接地故障、中壓直流側(cè)單極接地故障、低壓直流側(cè)單極接地故障以及交流輸出側(cè)單相接地故障等實驗。在進行交流輸入側(cè)單相接地故障實驗時，先記錄正常運行時的電氣量數(shù)據(jù)，然后在某一相設(shè)置接地故障，記錄故障發(fā)生瞬間及后續(xù)暫態(tài)過程中的電氣量數(shù)據(jù)。通過實驗獲取的數(shù)據(jù)與理論分析和仿真結(jié)果進行對比，驗證其準確性和可靠性。若實驗數(shù)據(jù)與理論分析和仿真結(jié)果基本一致，則說明理論分析和仿真模型是正確的；若存在差異，則需要進一步分析原因，可能是實驗誤差、模型簡化或其他因素導致的，通過分析找出問題所在，并對理論分析和仿真模型進行修正和完善，從而更準確地把握MMC型電力電子變壓器的故障特性。四、MMC型電力電子變壓器故障穿越能力研究4.1故障穿越的概念與重要性4.1.1概念MMC型電力電子變壓器的故障穿越，是指當電力系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時，如短路、接地等故障，MMC型電力電子變壓器能夠在一定時間內(nèi)維持自身的運行，不發(fā)生脫網(wǎng)或停機等情況，并且能夠在故障消除后迅速恢復到正常運行狀態(tài)，確保電力的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。這一過程要求MMC型電力電子變壓器在故障期間具備一系列特定的運行能力和控制策略。在故障期間，MMC型電力電子變壓器需要保持與電網(wǎng)的電氣連接，繼續(xù)向負載供電，盡管此時的供電質(zhì)量可能會受到一定影響，但必須保證負載的基本運行需求。當電網(wǎng)發(fā)生短路故障導致電壓驟降時，MMC型電力電子變壓器應(yīng)能通過自身的控制策略，快速調(diào)整內(nèi)部的功率開關(guān)狀態(tài)，維持輸出電壓和電流的相對穩(wěn)定，避免因電壓過低而使負載無法正常工作。MMC型電力電子變壓器還需具備對故障電流的有效抑制能力。在故障情況下，電路中的電流可能會急劇增大，若不加以控制，會對設(shè)備造成嚴重損壞。MMC型電力電子變壓器通過合理的控制算法，如采用限流電阻、調(diào)整開關(guān)頻率等方式，限制故障電流的幅值，使其在設(shè)備可承受的范圍內(nèi)，從而保護自身和電力系統(tǒng)中的其他設(shè)備。故障消除后，MMC型電力電子變壓器需要快速恢復到正常運行狀態(tài)。這包括迅速調(diào)整輸出電壓和電流至額定值，恢復電能質(zhì)量，以及重新實現(xiàn)與電網(wǎng)的同步運行等。在故障消除后的恢復過程中，MMC型電力電子變壓器需要快速檢測到故障已消除的信號，然后通過調(diào)整控制參數(shù)，使自身的運行狀態(tài)迅速恢復到正常水平。在恢復輸出電壓時，通過調(diào)整控制算法，使輸出電壓在短時間內(nèi)達到額定值，并且保證電壓的穩(wěn)定性和精度，以滿足負載對電能質(zhì)量的要求。同時，還需要重新與電網(wǎng)實現(xiàn)同步，確保電力的順暢傳輸和分配。4.1.2重要性MMC型電力電子變壓器的故障穿越能力對保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和提高供電可靠性具有不可忽視的重要意義。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，MMC型電力電子變壓器廣泛應(yīng)用于新能源并網(wǎng)、智能電網(wǎng)和直流配電等關(guān)鍵領(lǐng)域，其故障穿越能力直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在新能源并網(wǎng)方面，以風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電為例，由于新能源的間歇性和波動性，電網(wǎng)容易受到?jīng)_擊，而MMC型電力電子變壓器作為新能源接入電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，其故障穿越能力能夠確保在電網(wǎng)故障時，新能源發(fā)電系統(tǒng)仍能保持與電網(wǎng)的連接，繼續(xù)向電網(wǎng)輸送電能，減少因故障導致的新能源棄電現(xiàn)象，提高新能源的利用效率。當電網(wǎng)發(fā)生故障導致電壓波動時，MMC型電力電子變壓器能夠快速調(diào)整自身的運行狀態(tài)，維持新能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定，避免因電壓波動過大而使新能源發(fā)電設(shè)備脫網(wǎng)，從而保障了新能源發(fā)電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。在智能電網(wǎng)中，MMC型電力電子變壓器的故障穿越能力有助于提高電網(wǎng)的可靠性和靈活性。它能夠在故障期間維持電網(wǎng)的基本運行，保證重要負荷的供電，減少停電時間和停電范圍，降低故障對社會經(jīng)濟的影響。在電網(wǎng)發(fā)生局部故障時，MMC型電力電子變壓器可以通過調(diào)整自身的功率傳輸，實現(xiàn)對故障區(qū)域的隔離和對非故障區(qū)域的持續(xù)供電，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。MMC型電力電子變壓器還能與電網(wǎng)中的其他設(shè)備協(xié)同工作，實現(xiàn)對電網(wǎng)潮流的優(yōu)化控制，提高電網(wǎng)的輸電能力和運行效率。在直流配電系統(tǒng)中，MMC型電力電子變壓器的故障穿越能力同樣至關(guān)重要。隨著直流負荷的不斷增加，如數(shù)據(jù)中心、電動汽車充電樁等，直流配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性直接影響到這些負荷的正常運行。MMC型電力電子變壓器能夠在直流側(cè)發(fā)生故障時，快速采取措施抑制故障電流，維持直流電壓的穩(wěn)定，確保直流負荷的持續(xù)供電。當直流配電系統(tǒng)中出現(xiàn)單極接地故障時，MMC型電力電子變壓器可以通過調(diào)整控制策略，限制故障電流的大小，防止故障擴大，同時保持直流電壓在一定范圍內(nèi)波動，保證數(shù)據(jù)中心等直流負荷的正常運行，避免因直流電壓異常而導致設(shè)備損壞或數(shù)據(jù)丟失。4.2故障穿越控制策略4.2.1基于硬件的策略基于硬件的故障穿越策略主要通過對MMC型電力電子變壓器硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進來實現(xiàn)。在硬件結(jié)構(gòu)改進方面，增加保護電路是一種常見且有效的方法。以交流輸入側(cè)為例，可在輸入端增設(shè)過流保護電路。當檢測到交流輸入電流超過設(shè)定閾值時，過流保護電路迅速動作，通過快速熔斷器或可控硅等元件，切斷故障電流通路，防止過大的電流對后續(xù)電路造成損壞。在中壓直流側(cè)，設(shè)置直流斷路器也是一種重要的保護措施。當發(fā)生直流短路故障時，直流斷路器能夠在極短時間內(nèi)（通常在幾毫秒內(nèi)）切斷短路電流，避免故障進一步擴大。采用特殊的子模塊設(shè)計也是提升故障穿越能力的關(guān)鍵。例如，全橋子模塊（FBSM）相較于半橋子模塊（HBSM），在故障穿越能力上具有明顯優(yōu)勢。在直流故障情況下，半橋子模塊無法實現(xiàn)對故障電流的反向阻斷，而全橋子模塊通過合理控制四個IGBT的開關(guān)狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)對直流電流的雙向阻斷，有效抑制故障電流。在中壓直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時，采用全橋子模塊的MMC能夠迅速調(diào)整子模塊的開關(guān)狀態(tài)，將故障電流限制在一定范圍內(nèi)，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在系統(tǒng)中增加儲能裝置也是一種有效的