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(fù)雜，對(duì)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(shí)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(fù)荷的不斷增加以及對(duì)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(shí)現(xiàn)快速靈活的功率調(diào)節(jié)，對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題的治理能力有限，且無(wú)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(yùn)而生，它克服了傳統(tǒng)變壓器的諸多不足，展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(jì)的特點(diǎn)，易于擴(kuò)展和維護(hù)。每個(gè)模塊都相對(duì)獨(dú)立，當(dāng)某個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，可以方便地進(jìn)行更換，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)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(shí)現(xiàn)高效的電能傳輸，其模塊化設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)的建設(shè)和升級(jí)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(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的無(wú)縫對(duì)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(dá)98%，能有效減少能源損耗，提高光伏發(fā)電的利用率。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(fù)雜，包含大量的電力電子器件和復(fù)雜的控制電路，任何一個(gè)部件出現(xiàn)故障都可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的性能下降甚至癱瘓。常見(jiàn)的故障類(lèi)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(dāng)交流輸入側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可能會(huì)引起電網(wǎng)電壓的不平衡，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行；中壓直流側(cè)單極接地故障則可能導(dǎo)致直流電壓的波動(dòng)，甚至引發(fā)過(guò)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(biāo)之一。在電力系統(tǒng)中，故障的發(fā)生往往是不可避免的，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，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(yùn)行，減少對(duì)電網(wǎng)和用戶的影響，并在故障消除后能夠快速恢復(fù)正常運(yùn)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(shí)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)解列，造成大面積停電事故，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失。對(duì)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(shí)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。從現(xiàn)實(shí)意義來(lái)看，深入了解其故障特性可以為電力系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)人員提供準(zhǔn)確的故障診斷依據(jù)，幫助他們快速定位故障點(diǎn)，采取有效的故障修復(fù)措施，提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。例如，通過(guò)對(duì)故障特性的分析，可以確定不同故障類(lèi)型下的電流、電壓變化規(guī)律，從而設(shè)計(jì)出更加靈敏和準(zhǔn)確的保護(hù)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(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持，確保其在復(fù)雜的電力系統(tǒng)環(huán)境中能夠可靠運(yùn)行，促進(jìn)新能源的大規(guī)模接入和高效利用，推動(dòng)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(shí)的持續(xù)運(yùn)行，提高新能源的消納能力。從學(xué)術(shù)價(jià)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(xué)、自動(dòng)控制理論等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的深入研究，可以進(jìn)一步豐富和完善相關(guān)學(xué)科的理論體系。例如，在研究故障特性時(shí)，需要運(yùn)用電路理論和電磁學(xué)知識(shí)，建立準(zhǔn)確的故障模型，分析故障過(guò)程中的電磁暫態(tài)特性；在研究故障穿越策略時(shí)，則需要結(jié)合自動(dòng)控制理論，設(shè)計(jì)出合理的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的有效應(yīng)對(duì)。這不僅有助于解決實(shí)際工程問(wèn)題，還能為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究提供新的思路和方法，推動(dòng)學(xué)科的交叉融合和創(chuàng)新發(fā)展。1.2國(guó)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(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了一系列研究工作。國(guó)外的研究起步相對(duì)較早，[文獻(xiàn)名1]對(duì)基于MMC的統(tǒng)一潮流控制器（MMC-UPFC）的故障特性進(jìn)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(duì)不同接地方式下的故障特性進(jìn)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(xiàn)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(jià)值。國(guó)內(nèi)學(xué)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(xiàn)名3]針對(duì)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(lèi)型下的故障特性。通過(guò)詳細(xì)的理論推導(dǎo)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(hù)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(guó)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(xiàn)名4]提出了一種基于改進(jìn)控制算法的故障穿越策略，通過(guò)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(yùn)行狀態(tài)，有效抑制故障電流的增長(zhǎng)，維持系統(tǒng)的基本運(yùn)行。該策略在仿真和實(shí)際應(yīng)用中都取得了較好的效果，驗(yàn)證了其可行性和有效性。[文獻(xiàn)名5]則研究了采用附加設(shè)備來(lái)增強(qiáng)故障穿越能力的方法，通過(guò)在系統(tǒng)中增加儲(chǔ)能裝置或動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，在故障發(fā)生時(shí)為系統(tǒng)提供額外的能量支持和無(wú)功補(bǔ)償，幫助MMC型電力電子變壓器順利穿越故障。國(guó)內(nèi)學(xué)者也在不斷探索創(chuàng)新，提出了一系列具有針對(duì)性的故障穿越策略。[文獻(xiàn)名6]針對(duì)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(guò)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(shí)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(dāng)故障恢復(fù)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(xiàn)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(biāo)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(gè)因素，通過(guò)優(yōu)化控制算法，實(shí)現(xiàn)了MMC型電力電子變壓器在故障穿越過(guò)程中的多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的故障穿越能力和運(yùn)行性能。盡管?chē)?guó)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(lèi)型或特定運(yùn)行條件下的故障特性分析，對(duì)于多種故障同時(shí)發(fā)生以及復(fù)雜運(yùn)行工況下的故障特性研究還相對(duì)較少。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，MMC型電力電子變壓器可能面臨各種復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境和故障情況，多種故障的耦合可能導(dǎo)致系統(tǒng)的故障特性更加復(fù)雜，現(xiàn)有研究成果難以全面準(zhǔn)確地描述和分析這些復(fù)雜故障情況，這為故障診斷和保護(hù)策略的制定帶來(lái)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高、成本昂貴或?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行性能影響較大等問(wèn)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(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要復(fù)雜的計(jì)算和調(diào)試，對(duì)控制器的性能要求較高，且可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。此外，目前對(duì)于故障穿越過(guò)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(shí)現(xiàn)MMC型電力電子變壓器在故障穿越過(guò)程中與電網(wǎng)、其他分布式能源以及負(fù)載等的協(xié)同運(yùn)行，以確保整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本文圍繞MMC型電力電子變壓器展開(kāi)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?jī)纱蠛诵陌鍓K，具體如下：MMC型電力電子變壓器故障特性分析故障類(lèi)型分類(lèi)與原理分析：全面梳理MMC型電力電子變壓器在實(shí)際運(yùn)行中可能遭遇的各類(lèi)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(lèi)型產(chǎn)生的根本原因，從電路原理、電磁特性等角度詳細(xì)闡述故障發(fā)生時(shí)的內(nèi)在機(jī)制。以交流輸入側(cè)單相接地故障為例，當(dāng)某一相發(fā)生接地時(shí)，會(huì)打破三相電路的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致電流分布異常，進(jìn)而引發(fā)一系列電磁暫態(tài)過(guò)程，通過(guò)對(duì)這些原理的分析，為后續(xù)的故障特性研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。不同故障下電氣量變化規(guī)律研究：運(yùn)用電路理論、電磁學(xué)等相關(guān)知識(shí)，對(duì)不同故障類(lèi)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(jìn)行深入研究。建立精確的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)故障發(fā)生瞬間及后續(xù)暫態(tài)過(guò)程中電氣量的表達(dá)式，分析其幅值、相位、諧波含量等參數(shù)的變化趨勢(shì)。在中壓直流側(cè)單極接地故障中，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)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(duì)系統(tǒng)其他部分的影響，從而準(zhǔn)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(hào)如何在不同模塊、不同電壓等級(jí)之間傳播，以及傳播過(guò)程中對(duì)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(guò)隔離變壓器和換流器傳播到交流側(cè)，導(dǎo)致交流電壓波動(dòng)，進(jìn)而影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行，為制定有效的故障隔離和保護(hù)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(píng)估：對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的MMC型電力電子變壓器故障穿越策略進(jìn)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(shí)現(xiàn)方式、應(yīng)用效果等多個(gè)維度對(duì)這些策略進(jìn)行詳細(xì)闡述，并評(píng)估其在不同故障類(lèi)型和運(yùn)行條件下的優(yōu)缺點(diǎn)。以基于改進(jìn)控制算法的故障穿越策略為例，分析其如何通過(guò)優(yōu)化控制器參數(shù)和控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流的有效抑制和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的快速調(diào)整，但同時(shí)也指出該策略在計(jì)算復(fù)雜度和對(duì)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(jì)：針對(duì)現(xiàn)有故障穿越策略存在的問(wèn)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(lèi)型、故障嚴(yán)重程度、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等，通過(guò)優(yōu)化控制算法和合理配置附加設(shè)備，實(shí)現(xiàn)故障期間系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和故障后的快速恢復(fù)。例如，提出一種基于多目標(biāo)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(shí)在故障恢復(fù)后能夠快速調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的無(wú)縫對(duì)接。故障穿越策略的仿真驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)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(duì)提出的新型故障穿越策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。設(shè)置各種典型故障場(chǎng)景，模擬故障發(fā)生和恢復(fù)過(guò)程，觀察系統(tǒng)在不同策略下的運(yùn)行響應(yīng)，對(duì)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(duì)比新型策略和傳統(tǒng)策略在故障期間的電流、電壓波動(dòng)情況，以及故障恢復(fù)后的系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間和穩(wěn)定性，驗(yàn)證新型策略的有效性和優(yōu)越性。在仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，搭建MMC型電力電子變壓器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證新型故障穿越策略在實(shí)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(xué)性、準(zhǔn)確性和可靠性，本論文綜合運(yùn)用多種研究方法，具體如下：理論分析方法：運(yùn)用電力電子技術(shù)、電路原理、電磁學(xué)、自動(dòng)控制理論等相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)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(jìn)行深入的理論分析。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)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(yùn)用電磁學(xué)知識(shí)分析故障時(shí)的電磁暫態(tài)過(guò)程，通過(guò)理論推導(dǎo)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(dòng)控制理論設(shè)計(jì)控制算法，通過(guò)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(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。仿真實(shí)驗(yàn)方法：借助MATLAB/Simulink、PSCAD等專(zhuān)業(yè)仿真軟件，搭建MMC型電力電子變壓器的詳細(xì)仿真模型。通過(guò)設(shè)置不同的運(yùn)行條件和故障場(chǎng)景，模擬系統(tǒng)在各種情況下的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)故障特性和故障穿越策略進(jìn)行仿真分析。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩焖?、便捷地獲取大量數(shù)據(jù)，直觀展示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，有助于深入理解故障發(fā)生和發(fā)展的機(jī)理，以及故障穿越策略的實(shí)施效果。在研究交流輸入側(cè)單相接地故障特性時(shí)，通過(guò)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(guò)程中的變化趨勢(shì)；在驗(yàn)證故障穿越策略時(shí)，通過(guò)仿真對(duì)比不同策略下系統(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)，評(píng)估策略的優(yōu)劣。同時(shí)，搭建MMC型電力電子變壓器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用實(shí)際的電力電子器件、控制器和測(cè)量?jī)x器，能夠真實(shí)地模擬系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境和故障情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)更加貼近實(shí)際，能夠有效驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為理論研究和工程應(yīng)用提供有力支撐。對(duì)比分析方法：對(duì)不同的故障類(lèi)型、故障穿越策略以及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比，明確各種故障類(lèi)型的特點(diǎn)和差異，找出不同故障穿越策略的優(yōu)缺點(diǎn)，評(píng)估不同策略在不同故障場(chǎng)景下的適應(yīng)性和有效性。在故障特性分析中，對(duì)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(lèi)型下電氣量的變化規(guī)律，總結(jié)出各類(lèi)故障的特征；在故障穿越策略研究中，對(duì)比現(xiàn)有策略和新型策略在故障抑制能力、系統(tǒng)恢復(fù)速度、對(duì)系統(tǒng)性能影響等方面的差異，從而優(yōu)化和改進(jìn)故障穿越策略，提高M(jìn)MC型電力電子變壓器的故障穿越能力和運(yùn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC型電力電子變壓器主要采用三級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)三部分組成，各級(jí)之間相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)電能的高效轉(zhuǎn)換與傳輸。輸入級(jí)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(jiàn)的子模塊拓?fù)溆邪霕蜃幽K（HBSM）、全橋子模塊（FBSM）等。以半橋子模塊為例，它由兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和一個(gè)儲(chǔ)能電容構(gòu)成。在實(shí)際應(yīng)用中，多個(gè)半橋子模塊串聯(lián)組成MMC的橋臂，一般每相橋臂包含多個(gè)子模塊，三相共六個(gè)橋臂，通過(guò)合理控制子模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)交流電壓與直流電壓的轉(zhuǎn)換。在一個(gè)典型的11電平MMC中，每相橋臂包含10個(gè)子模塊，通過(guò)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(jí)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(shí)現(xiàn)了電氣隔離，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)還能根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行電壓等級(jí)的匹配。雙向DC-DC變換器則負(fù)責(zé)在不同直流電壓等級(jí)之間進(jìn)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(fù)載需求和運(yùn)行工況。采用移相全橋型雙向DC-DC變換器，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角，可以精確地控制輸出功率，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。輸出級(jí)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的不同，可以采用不同的結(jié)構(gòu)。當(dāng)用于交流輸出時(shí)，通常采用三相全橋逆變器，將中間級(jí)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(fù)載供電；當(dāng)用于直流輸出時(shí)，則可采用簡(jiǎn)單的整流電路或DC-DC變換器，將直流電壓進(jìn)一步調(diào)整為合適的直流電壓，滿足直流負(fù)載的需求。在為交流負(fù)載供電的應(yīng)用中，三相全橋逆變器通過(guò)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(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)通過(guò)電氣連接緊密協(xié)作。輸入級(jí)將電網(wǎng)輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電后，傳輸至中間級(jí)；中間級(jí)通過(guò)隔離變壓器和雙向DC-DC變換器對(duì)電能進(jìn)行處理和變換，再將其傳輸至輸出級(jí)；輸出級(jí)根據(jù)負(fù)載需求，將電能轉(zhuǎn)換為合適的形式輸出，實(shí)現(xiàn)了從電網(wǎng)到負(fù)載的高效電能傳輸。這種三級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有模塊化程度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、電能轉(zhuǎn)換效率高、輸出電能質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，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(guò)各級(jí)的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)電能在不同形式和電壓等級(jí)之間的高效轉(zhuǎn)換與傳輸。在輸入級(jí)，MMC通過(guò)控制子模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)實(shí)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(dāng)需要輸出正電壓時(shí)，控制相應(yīng)子模塊中的上管IGBT導(dǎo)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(dāng)需要輸出負(fù)電壓時(shí)，控制下管IGBT導(dǎo)通，上管IGBT關(guān)斷，子模塊電容電壓反向接入電路，合成負(fù)電壓。通過(guò)對(duì)各相橋臂上子模塊開(kāi)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(gè)周期內(nèi)，按照一定的調(diào)制策略，依次控制各子模塊的開(kāi)關(guān)，使得橋臂輸出的電壓波形接近正弦波，從而實(shí)現(xiàn)高效的AC-DC轉(zhuǎn)換。中間級(jí)的隔離變壓器基于電磁感應(yīng)原理工作，它將輸入級(jí)輸出的直流電壓通過(guò)高頻逆變轉(zhuǎn)換為高頻交流電，然后通過(guò)變壓器進(jìn)行電壓變換和電氣隔離。變壓器的原邊和副邊通過(guò)電磁耦合傳遞能量，根據(jù)變壓器的變比關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電壓的升高或降低。雙向DC-DC變換器則對(duì)變壓器輸出的高頻交流電進(jìn)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(shí)還能根據(jù)系統(tǒng)需求實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)需要向負(fù)載供電時(shí)，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(jí)；當(dāng)負(fù)載側(cè)有多余能量時(shí)，雙向DC-DC變換器可將能量反向傳輸回電網(wǎng)或存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中。輸出級(jí)根據(jù)負(fù)載類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)的電能轉(zhuǎn)換。對(duì)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(jí)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(guò)控制逆變器中IGBT的開(kāi)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(fù)載的需求。對(duì)于直流輸出，整流電路或DC-DC變換器將中間級(jí)輸出的直流電壓進(jìn)一步調(diào)整為負(fù)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(fù)載供電。在整個(gè)工作過(guò)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(yùn)行要求，對(duì)各級(jí)的開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行精確控制，確保電能的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換和傳輸。通過(guò)先進(jìn)的控制算法，如比例積分（PI）控制、模型預(yù)測(cè)控制（MPC）等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流的精確調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，控制系統(tǒng)能夠快速調(diào)整各級(jí)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(yùn)行。2.2優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景2.2.1優(yōu)勢(shì)體積與重量?jī)?yōu)勢(shì)：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(yùn)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(guò)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(jìn)行電壓變換，高頻變壓器的鐵芯可選用高導(dǎo)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(duì)設(shè)備安裝空間和重量有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，如城市變電站、海上風(fēng)電場(chǎng)等，具有極大的優(yōu)勢(shì)，方便設(shè)備的運(yùn)輸、安裝和維護(hù)。效率優(yōu)勢(shì)：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(guò)載情況下，效率會(huì)明顯下降。MMC型電力電子變壓器通過(guò)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(kāi)關(guān)技術(shù)，使功率開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流條件下導(dǎo)通和關(guān)斷，減少了開(kāi)關(guān)損耗；同時(shí)，通過(guò)精確的控制算法，實(shí)時(shí)調(diào)整變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，使其在不同負(fù)載條件下都能保持較高的效率。研究表明，在額定負(fù)載下，MMC型電力電子變壓器的效率可達(dá)98%以上，相比傳統(tǒng)變壓器提高了2-3個(gè)百分點(diǎn)，在長(zhǎng)期運(yùn)行中可節(jié)省大量的電能，降低能源消耗和運(yùn)行成本。可控性?xún)?yōu)勢(shì)：MMC型電力電子變壓器的可控性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(guò)分接頭調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)范圍有限且調(diào)節(jié)過(guò)程相對(duì)緩慢，難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)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(kāi)關(guān)特性和先進(jìn)的控制算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)功功率和有功功率。在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，MMC型電力電子變壓器能在幾毫秒內(nèi)做出響應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)自身的工作狀態(tài)，穩(wěn)定輸出電壓，保證負(fù)載的正常運(yùn)行；在分布式能源接入電網(wǎng)時(shí)，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(shí)現(xiàn)能源的高效利用和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。電能質(zhì)量改善優(yōu)勢(shì)：MMC型電力電子變壓器對(duì)電能質(zhì)量的改善具有顯著作用。傳統(tǒng)變壓器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，對(duì)電網(wǎng)造成污染，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)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(guò)合理控制子模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的多電平合成，有效減少了電壓諧波；同時(shí)，利用其靈活的控制能力，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的諧波進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。據(jù)測(cè)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?xún)?nèi)，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)變壓器，為電力系統(tǒng)中對(duì)電能質(zhì)量要求較高的負(fù)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?xún)?yōu)勢(shì)：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(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換，適應(yīng)不同類(lèi)型的電源和負(fù)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(yùn)行模式的切換，如孤島運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行等，增強(qiáng)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(dāng)外部電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，MMC型電力電子變壓器可迅速切換到孤島運(yùn)行模式，為微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載提供持續(xù)的電力供應(yīng)；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常后，又能平穩(wěn)地切換回并網(wǎng)運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的無(wú)縫對(duì)接。此外，MMC型電力電子變壓器還可集成無(wú)功補(bǔ)償、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(yáng)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(qiáng)度、溫度等因素影響波動(dòng)較大，需要通過(guò)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(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)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(gè)光伏陣列的直流電進(jìn)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(fēng)力發(fā)電方面，風(fēng)電機(jī)組輸出的電能也需要進(jìn)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(fēng)電的間歇性和波動(dòng)性，通過(guò)靈活的控制策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的平滑并網(wǎng)，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。在海上風(fēng)電場(chǎng)中，由于空間有限且對(duì)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(shì)更加突出，可有效降低海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)和運(yùn)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(shí)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(duì)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(bǔ)償器（STATCOM）或統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）使用，通過(guò)調(diào)節(jié)自身的無(wú)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(shí)，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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與分布式能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活連接和協(xié)同運(yùn)行。在分布式能源大量接入電網(wǎng)的情況下，通過(guò)MMC型電力電子變壓器的協(xié)調(diào)控制，可實(shí)現(xiàn)分布式能源的高效利用和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行；在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，MMC型電力電子變壓器可作為儲(chǔ)能變流器，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備與電網(wǎng)之間的能量雙向流動(dòng)，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)釋放儲(chǔ)能能量，在負(fù)荷低谷時(shí)儲(chǔ)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(jì)性。直流配電：隨著直流負(fù)荷的不斷增加，如數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車(chē)充電樁等，直流配電系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)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(duì)直流配電系統(tǒng)中的電壓進(jìn)行精確控制，保證各直流負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行。在電動(dòng)汽車(chē)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(shí)現(xiàn)快速、高效的直流充電。通過(guò)靈活控制充電電流和電壓，可根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)電池的狀態(tài)進(jìn)行智能充電，延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。在未來(lái)的直流配電網(wǎng)絡(luò)中，MMC型電力電子變壓器還可實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)直流網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)和功率傳輸，促進(jìn)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(jiàn)故障類(lèi)型3.1.1功率開(kāi)關(guān)故障MMC型電力電子變壓器中的功率開(kāi)關(guān)分布于輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)，其故障類(lèi)型主要包括短路故障和開(kāi)路故障，不同位置的功率開(kāi)關(guān)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的現(xiàn)象及影響。在輸入級(jí)，以模塊化多電平換流器（MMC）中的半橋子模塊（HBSM）為例，當(dāng)其中的功率開(kāi)關(guān)發(fā)生短路故障時(shí)，故障相橋臂電流會(huì)迅速增大。由于短路點(diǎn)的阻抗極小，根據(jù)歐姆定律在輸入級(jí)，以模塊化多電平換流器（MMC）中的半橋子模塊（HBSM）為例，當(dāng)其中的功率開(kāi)關(guān)發(fā)生短路故障時(shí)，故障相橋臂電流會(huì)迅速增大。由于短路點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致電流急劇上升。這不僅會(huì)使該子模塊的電容迅速放電，還可能引發(fā)其他子模塊過(guò)流。因?yàn)楣收舷鄻虮垭娏鞯脑龃螅瑫?huì)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(yùn)行，可能會(huì)承受超過(guò)正常范圍的電流，從而造成整個(gè)輸入級(jí)的故障擴(kuò)大。嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)MMC無(wú)法正常工作，影響到交流輸入與直流輸出之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而使整個(gè)電力電子變壓器的輸入環(huán)節(jié)失效。當(dāng)輸入級(jí)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，故障相橋臂的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)缺失或異常。由于開(kāi)路，該功率開(kāi)關(guān)無(wú)法正常導(dǎo)通，導(dǎo)致子模塊不能按照正常的控制策略進(jìn)行工作，從而使橋臂輸出電壓無(wú)法準(zhǔn)確合成，出現(xiàn)電壓畸變。這會(huì)使輸入級(jí)輸出的直流電壓質(zhì)量下降，影響后續(xù)隔離級(jí)和輸出級(jí)的正常運(yùn)行。例如，可能導(dǎo)致隔離級(jí)的高頻變壓器輸入電壓不穩(wěn)定，進(jìn)而影響其變壓效果和能量傳輸效率。在隔離級(jí)，若功率開(kāi)關(guān)發(fā)生短路故障，高頻變壓器的原邊或副邊電流會(huì)出現(xiàn)異常。因?yàn)楦綦x級(jí)的功率開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)控制高頻變壓器的能量傳輸，短路故障會(huì)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(huì)導(dǎo)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(huì)使變壓器的磁導(dǎo)率下降，勵(lì)磁電流增大，不僅會(huì)降低變壓器的效率，還可能引發(fā)過(guò)熱等問(wèn)題，影響整個(gè)電力電子變壓器的隔離和變壓功能。若隔離級(jí)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障，會(huì)使高頻變壓器的能量傳輸受阻。由于開(kāi)路，功率開(kāi)關(guān)無(wú)法將電能正常傳輸?shù)阶儔浩鞯牧硪粋?cè)，導(dǎo)致變壓器無(wú)法正常工作。這會(huì)使隔離級(jí)輸出的直流電壓或交流電壓異常，影響到輸出級(jí)的正常運(yùn)行，無(wú)法為負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。在輸出級(jí)，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生短路故障時(shí)，輸出電流會(huì)急劇增大。以三相全橋逆變器為例，短路故障會(huì)導(dǎo)致某一相或多相的輸出電流瞬間增大，這可能會(huì)燒毀輸出線路和負(fù)載。過(guò)大的電流會(huì)使線路和負(fù)載承受過(guò)高的功率，超過(guò)其額定承受能力，從而引發(fā)過(guò)熱、損壞等問(wèn)題。同時(shí)，也會(huì)對(duì)整個(gè)電力電子變壓器的輸出穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致輸出電壓波動(dòng)，無(wú)法滿足負(fù)載的正常用電需求。當(dāng)輸出級(jí)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，輸出電壓波形會(huì)出現(xiàn)畸變。因?yàn)殚_(kāi)路導(dǎo)致該相無(wú)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(huì)影響負(fù)載的正常工作，尤其是對(duì)電壓質(zhì)量要求較高的負(fù)載，如精密電子設(shè)備等，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞或工作異常。當(dāng)輸入級(jí)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，故障相橋臂的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)缺失或異常。由于開(kāi)路，該功率開(kāi)關(guān)無(wú)法正常導(dǎo)通，導(dǎo)致子模塊不能按照正常的控制策略進(jìn)行工作，從而使橋臂輸出電壓無(wú)法準(zhǔn)確合成，出現(xiàn)電壓畸變。這會(huì)使輸入級(jí)輸出的直流電壓質(zhì)量下降，影響后續(xù)隔離級(jí)和輸出級(jí)的正常運(yùn)行。例如，可能導(dǎo)致隔離級(jí)的高頻變壓器輸入電壓不穩(wěn)定，進(jìn)而影響其變壓效果和能量傳輸效率。在隔離級(jí)，若功率開(kāi)關(guān)發(fā)生短路故障，高頻變壓器的原邊或副邊電流會(huì)出現(xiàn)異常。因?yàn)楦綦x級(jí)的功率開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)控制高頻變壓器的能量傳輸，短路故障會(huì)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(huì)導(dǎo)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(huì)使變壓器的磁導(dǎo)率下降，勵(lì)磁電流增大，不僅會(huì)降低變壓器的效率，還可能引發(fā)過(guò)熱等問(wèn)題，影響整個(gè)電力電子變壓器的隔離和變壓功能。若隔離級(jí)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障，會(huì)使高頻變壓器的能量傳輸受阻。由于開(kāi)路，功率開(kāi)關(guān)無(wú)法將電能正常傳輸?shù)阶儔浩鞯牧硪粋?cè)，導(dǎo)致變壓器無(wú)法正常工作。這會(huì)使隔離級(jí)輸出的直流電壓或交流電壓異常，影響到輸出級(jí)的正常運(yùn)行，無(wú)法為負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。在輸出級(jí)，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生短路故障時(shí)，輸出電流會(huì)急劇增大。以三相全橋逆變器為例，短路故障會(huì)導(dǎo)致某一相或多相的輸出電流瞬間增大，這可能會(huì)燒毀輸出線路和負(fù)載。過(guò)大的電流會(huì)使線路和負(fù)載承受過(guò)高的功率，超過(guò)其額定承受能力，從而引發(fā)過(guò)熱、損壞等問(wèn)題。同時(shí)，也會(huì)對(duì)整個(gè)電力電子變壓器的輸出穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致輸出電壓波動(dòng)，無(wú)法滿足負(fù)載的正常用電需求。當(dāng)輸出級(jí)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，輸出電壓波形會(huì)出現(xiàn)畸變。因?yàn)殚_(kāi)路導(dǎo)致該相無(wú)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(huì)影響負(fù)載的正常工作，尤其是對(duì)電壓質(zhì)量要求較高的負(fù)載，如精密電子設(shè)備等，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞或工作異常。在隔離級(jí)，若功率開(kāi)關(guān)發(fā)生短路故障，高頻變壓器的原邊或副邊電流會(huì)出現(xiàn)異常。因?yàn)楦綦x級(jí)的功率開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)控制高頻變壓器的能量傳輸，短路故障會(huì)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(huì)導(dǎo)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(huì)使變壓器的磁導(dǎo)率下降，勵(lì)磁電流增大，不僅會(huì)降低變壓器的效率，還可能引發(fā)過(guò)熱等問(wèn)題，影響整個(gè)電力電子變壓器的隔離和變壓功能。若隔離級(jí)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障，會(huì)使高頻變壓器的能量傳輸受阻。由于開(kāi)路，功率開(kāi)關(guān)無(wú)法將電能正常傳輸?shù)阶儔浩鞯牧硪粋?cè)，導(dǎo)致變壓器無(wú)法正常工作。這會(huì)使隔離級(jí)輸出的直流電壓或交流電壓異常，影響到輸出級(jí)的正常運(yùn)行，無(wú)法為負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。在輸出級(jí)，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生短路故障時(shí)，輸出電流會(huì)急劇增大。以三相全橋逆變器為例，短路故障會(huì)導(dǎo)致某一相或多相的輸出電流瞬間增大，這可能會(huì)燒毀輸出線路和負(fù)載。過(guò)大的電流會(huì)使線路和負(fù)載承受過(guò)高的功率，超過(guò)其額定承受能力，從而引發(fā)過(guò)熱、損壞等問(wèn)題。同時(shí)，也會(huì)對(duì)整個(gè)電力電子變壓器的輸出穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致輸出電壓波動(dòng)，無(wú)法滿足負(fù)載的正常用電需求。當(dāng)輸出級(jí)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，輸出電壓波形會(huì)出現(xiàn)畸變。因?yàn)殚_(kāi)路導(dǎo)致該相無(wú)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(huì)影響負(fù)載的正常工作，尤其是對(duì)電壓質(zhì)量要求較高的負(fù)載，如精密電子設(shè)備等，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞或工作異常。若隔離級(jí)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障，會(huì)使高頻變壓器的能量傳輸受阻。由于開(kāi)路，功率開(kāi)關(guān)無(wú)法將電能正常傳輸?shù)阶儔浩鞯牧硪粋?cè)，導(dǎo)致變壓器無(wú)法正常工作。這會(huì)使隔離級(jí)輸出的直流電壓或交流電壓異常，影響到輸出級(jí)的正常運(yùn)行，無(wú)法為負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。在輸出級(jí)，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生短路故障時(shí)，輸出電流會(huì)急劇增大。以三相全橋逆變器為例，短路故障會(huì)導(dǎo)致某一相或多相的輸出電流瞬間增大，這可能會(huì)燒毀輸出線路和負(fù)載。過(guò)大的電流會(huì)使線路和負(fù)載承受過(guò)高的功率，超過(guò)其額定承受能力，從而引發(fā)過(guò)熱、損壞等問(wèn)題。同時(shí)，也會(huì)對(duì)整個(gè)電力電子變壓器的輸出穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致輸出電壓波動(dòng)，無(wú)法滿足負(fù)載的正常用電需求。當(dāng)輸出級(jí)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，輸出電壓波形會(huì)出現(xiàn)畸變。因?yàn)殚_(kāi)路導(dǎo)致該相無(wú)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(huì)影響負(fù)載的正常工作，尤其是對(duì)電壓質(zhì)量要求較高的負(fù)載，如精密電子設(shè)備等，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞或工作異常。在輸出級(jí)，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生短路故障時(shí)，輸出電流會(huì)急劇增大。以三相全橋逆變器為例，短路故障會(huì)導(dǎo)致某一相或多相的輸出電流瞬間增大，這可能會(huì)燒毀輸出線路和負(fù)載。過(guò)大的電流會(huì)使線路和負(fù)載承受過(guò)高的功率，超過(guò)其額定承受能力，從而引發(fā)過(guò)熱、損壞等問(wèn)題。同時(shí)，也會(huì)對(duì)整個(gè)電力電子變壓器的輸出穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致輸出電壓波動(dòng)，無(wú)法滿足負(fù)載的正常用電需求。當(dāng)輸出級(jí)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，輸出電壓波形會(huì)出現(xiàn)畸變。因?yàn)殚_(kāi)路導(dǎo)致該相無(wú)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(huì)影響負(fù)載的正常工作，尤其是對(duì)電壓質(zhì)量要求較高的負(fù)載，如精密電子設(shè)備等，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞或工作異常。當(dāng)輸出級(jí)功率開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，輸出電壓波形會(huì)出現(xiàn)畸變。因?yàn)殚_(kāi)路導(dǎo)致該相無(wú)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(huì)影響負(fù)載的正常工作，尤其是對(duì)電壓質(zhì)量要求較高的負(fù)載，如精密電子設(shè)備等，可能會(huì)導(dǎo)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(dāng)交流輸入側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相電壓會(huì)降低至接近零，而其他兩相電壓會(huì)升高。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，故障相的對(duì)地電容電流會(huì)通過(guò)接地點(diǎn)形成回路，導(dǎo)致故障相電流增大。故障點(diǎn)的接地電阻和系統(tǒng)的電容參數(shù)等因素會(huì)影響故障電流的大小。這種故障可能會(huì)引起電網(wǎng)電壓的不平衡，對(duì)其他設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。不平衡的電壓會(huì)使電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的繞組承受不均勻的電壓，導(dǎo)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(shí)，還可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)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(yán)重的故障類(lèi)型。在發(fā)生三相短路時(shí)，三相電流會(huì)瞬間急劇增大，可達(dá)正常運(yùn)行電流的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。根據(jù)短路電流的計(jì)算公式當(dāng)交流輸入側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相電壓會(huì)降低至接近零，而其他兩相電壓會(huì)升高。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，故障相的對(duì)地電容電流會(huì)通過(guò)接地點(diǎn)形成回路，導(dǎo)致故障相電流增大。故障點(diǎn)的接地電阻和系統(tǒng)的電容參數(shù)等因素會(huì)影響故障電流的大小。這種故障可能會(huì)引起電網(wǎng)電壓的不平衡，對(duì)其他設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。不平衡的電壓會(huì)使電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的繞組承受不均勻的電壓，導(dǎo)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(shí)，還可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)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(yán)重的故障類(lèi)型。在發(fā)生三相短路時(shí)，三相電流會(huì)瞬間急劇增大，可達(dá)正常運(yùn)行電流的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。根據(jù)短路電流的計(jì)算公式三相短路故障是一種較為嚴(yán)重的故障類(lèi)型。在發(fā)生三相短路時(shí)，三相電流會(huì)瞬間急劇增大，可達(dá)正常運(yùn)行電流的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。根據(jù)短路電流的計(jì)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(diǎn)到電源的線路阻抗），由于短路時(shí)線路阻抗急劇減小，短路電流會(huì)迅速增大。巨大的短路電流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電動(dòng)力和熱效應(yīng)，可能會(huì)損壞電氣設(shè)備，如變壓器繞組可能會(huì)因電動(dòng)力而變形，甚至燒毀。還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓大幅下降，使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅，可能引發(fā)系統(tǒng)解列等嚴(yán)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(dú)特的故障特征和對(duì)系統(tǒng)的影響。當(dāng)中壓直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時(shí)，故障極的電流會(huì)增大，而健全極的電流會(huì)減小。這是因?yàn)楣收蠘O通過(guò)接地點(diǎn)形成了額外的電流通路，導(dǎo)致電流分布發(fā)生變化。故障點(diǎn)的接地電阻會(huì)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(huì)引起直流電壓的波動(dòng)，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。波動(dòng)的直流電壓會(huì)使后續(xù)的隔離級(jí)和輸出級(jí)工作不穩(wěn)定，如隔離級(jí)的雙向DC-DC變換器可能無(wú)法正常調(diào)節(jié)電壓，導(dǎo)致輸出電壓異常，影響負(fù)載的正常供電。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的單極接地故障還可能發(fā)展為雙極短路故障，進(jìn)一步擴(kuò)大故障范圍，對(duì)系統(tǒng)造成更嚴(yán)重的損害。雙極短路故障是中壓直流側(cè)最為嚴(yán)重的故障之一。發(fā)生雙極短路時(shí)，短路電流會(huì)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(huì)釋放出巨大的能量。根據(jù)能量公式當(dāng)中壓直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時(shí)，故障極的電流會(huì)增大，而健全極的電流會(huì)減小。這是因?yàn)楣收蠘O通過(guò)接地點(diǎn)形成了額外的電流通路，導(dǎo)致電流分布發(fā)生變化。故障點(diǎn)的接地電阻會(huì)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(huì)引起直流電壓的波動(dòng)，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。波動(dòng)的直流電壓會(huì)使后續(xù)的隔離級(jí)和輸出級(jí)工作不穩(wěn)定，如隔離級(jí)的雙向DC-DC變換器可能無(wú)法正常調(diào)節(jié)電壓，導(dǎo)致輸出電壓異常，影響負(fù)載的正常供電。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的單極接地故障還可能發(fā)展為雙極短路故障，進(jìn)一步擴(kuò)大故障范圍，對(duì)系統(tǒng)造成更嚴(yán)重的損害。雙極短路故障是中壓直流側(cè)最為嚴(yán)重的故障之一。發(fā)生雙極短路時(shí)，短路電流會(huì)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(huì)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(yán)重的故障之一。發(fā)生雙極短路時(shí)，短路電流會(huì)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(huì)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(huì)急劇增加。這會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞，如熔斷器可能會(huì)迅速熔斷，保護(hù)設(shè)備可能來(lái)不及動(dòng)作，導(dǎo)致設(shè)備燒毀。雙極短路故障還會(huì)對(duì)整個(gè)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(yán)重的停電事故，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失。3.1.4低壓直流側(cè)故障低壓直流側(cè)故障類(lèi)型包括單極接地故障、雙極短路故障以及過(guò)流、過(guò)壓等故障。當(dāng)?shù)蛪褐绷鱾?cè)發(fā)生單極接地故障時(shí)，故障極電流會(huì)發(fā)生變化，其變化情況與系統(tǒng)的接地方式和負(fù)載特性有關(guān)。在某些接地方式下，故障極電流會(huì)增大，而在其他方式下可能變化不明顯。例如，在電容中點(diǎn)接地系統(tǒng)中，故障極電流會(huì)通過(guò)電容形成回路，導(dǎo)致電流增大。單極接地故障可能會(huì)影響低壓直流側(cè)的電壓穩(wěn)定性，進(jìn)而影響連接在該側(cè)的負(fù)載的正常工作。不穩(wěn)定的電壓可能會(huì)使直流負(fù)載無(wú)法正常運(yùn)行，如電子設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)、數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。雙極短路故障在低壓直流側(cè)同樣會(huì)導(dǎo)致短路電流迅速增大。雖然低壓直流側(cè)電壓相對(duì)較低，但短路電流仍然可能對(duì)設(shè)備造成損壞。短路電流產(chǎn)生的熱量會(huì)使設(shè)備溫度急劇升高，超過(guò)設(shè)備的耐受溫度，從而損壞設(shè)備。過(guò)流故障會(huì)使低壓直流側(cè)的電流超過(guò)額定值，這可能是由于負(fù)載短路、設(shè)備故障等原因引起的。過(guò)流會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱，加速設(shè)備老化，甚至引發(fā)火災(zāi)。過(guò)壓故障則會(huì)使電壓超過(guò)設(shè)備的額定電壓，可能會(huì)擊穿設(shè)備的絕緣，損壞設(shè)備。當(dāng)?shù)蛪褐绷鱾?cè)發(fā)生單極接地故障時(shí)，故障極電流會(huì)發(fā)生變化，其變化情況與系統(tǒng)的接地方式和負(fù)載特性有關(guān)。在某些接地方式下，故障極電流會(huì)增大，而在其他方式下可能變化不明顯。例如，在電容中點(diǎn)接地系統(tǒng)中，故障極電流會(huì)通過(guò)電容形成回路，導(dǎo)致電流增大。單極接地故障可能會(huì)影響低壓直流側(cè)的電壓穩(wěn)定性，進(jìn)而影響連接在該側(cè)的負(fù)載的正常工作。不穩(wěn)定的電壓可能會(huì)使直流負(fù)載無(wú)法正常運(yùn)行，如電子設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)、數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。雙極短路故障在低壓直流側(cè)同樣會(huì)導(dǎo)致短路電流迅速增大。雖然低壓直流側(cè)電壓相對(duì)較低，但短路電流仍然可能對(duì)設(shè)備造成損壞。短路電流產(chǎn)生的熱量會(huì)使設(shè)備溫度急劇升高，超過(guò)設(shè)備的耐受溫度，從而損壞設(shè)備。過(guò)流故障會(huì)使低壓直流側(cè)的電流超過(guò)額定值，這可能是由于負(fù)載短路、設(shè)備故障等原因引起的。過(guò)流會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱，加速設(shè)備老化，甚至引發(fā)火災(zāi)。過(guò)壓故障則會(huì)使電壓超過(guò)設(shè)備的額定電壓，可能會(huì)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(huì)導(dǎo)致短路電流迅速增大。雖然低壓直流側(cè)電壓相對(duì)較低，但短路電流仍然可能對(duì)設(shè)備造成損壞。短路電流產(chǎn)生的熱量會(huì)使設(shè)備溫度急劇升高，超過(guò)設(shè)備的耐受溫度，從而損壞設(shè)備。過(guò)流故障會(huì)使低壓直流側(cè)的電流超過(guò)額定值，這可能是由于負(fù)載短路、設(shè)備故障等原因引起的。過(guò)流會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱，加速設(shè)備老化，甚至引發(fā)火災(zāi)。過(guò)壓故障則會(huì)使電壓超過(guò)設(shè)備的額定電壓，可能會(huì)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(jiàn)故障類(lèi)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(dāng)電流傳感器發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)輸出錯(cuò)誤的電流信號(hào)。這會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)對(duì)電流的監(jiān)測(cè)和控制出現(xiàn)偏差，無(wú)法準(zhǔn)確調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，進(jìn)而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如果控制系統(tǒng)根據(jù)錯(cuò)誤的電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)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(wú)法準(zhǔn)確獲取電壓信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的穩(wěn)定控制。例如，在調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)，由于電壓傳感器故障，控制系統(tǒng)可能無(wú)法判斷輸出電壓是否達(dá)到設(shè)定值，從而導(dǎo)致電壓過(guò)高或過(guò)低，影響負(fù)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?huì)導(dǎo)致控制信號(hào)異常，無(wú)法正?？刂乒β书_(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。功率開(kāi)關(guān)無(wú)法按照預(yù)定的控制策略工作，會(huì)使電力電子變壓器的輸出出現(xiàn)異常，無(wú)法滿足負(fù)載的需求?？刂齐娐饭收线€可能導(dǎo)致系統(tǒng)失去對(duì)故障的檢測(cè)和保護(hù)能力，在發(fā)生其他故障時(shí)，無(wú)法及時(shí)采取措施，進(jìn)一步擴(kuò)大故障范圍，對(duì)系統(tǒng)造成更嚴(yán)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(dāng)電流傳感器發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)輸出錯(cuò)誤的電流信號(hào)。這會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)對(duì)電流的監(jiān)測(cè)和控制出現(xiàn)偏差，無(wú)法準(zhǔn)確調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，進(jìn)而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如果控制系統(tǒng)根據(jù)錯(cuò)誤的電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)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(wú)法準(zhǔn)確獲取電壓信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的穩(wěn)定控制。例如，在調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)，由于電壓傳感器故障，控制系統(tǒng)可能無(wú)法判斷輸出電壓是否達(dá)到設(shè)定值，從而導(dǎo)致電壓過(guò)高或過(guò)低，影響負(fù)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?huì)導(dǎo)致控制信號(hào)異常，無(wú)法正?？刂乒β书_(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。功率開(kāi)關(guān)無(wú)法按照預(yù)定的控制策略工作，會(huì)使電力電子變壓器的輸出出現(xiàn)異常，無(wú)法滿足負(fù)載的需求?？刂齐娐饭收线€可能導(dǎo)致系統(tǒng)失去對(duì)故障的檢測(cè)和保護(hù)能力，在發(fā)生其他故障時(shí)，無(wú)法及時(shí)采取措施，進(jìn)一步擴(kuò)大故障范圍，對(duì)系統(tǒng)造成更嚴(yán)重的損害。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?huì)導(dǎo)致控制信號(hào)異常，無(wú)法正常控制功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。功率開(kāi)關(guān)無(wú)法按照預(yù)定的控制策略工作，會(huì)使電力電子變壓器的輸出出現(xiàn)異常，無(wú)法滿足負(fù)載的需求?？刂齐娐饭收线€可能導(dǎo)致系統(tǒng)失去對(duì)故障的檢測(cè)和保護(hù)能力，在發(fā)生其他故障時(shí)，無(wú)法及時(shí)采取措施，進(jìn)一步擴(kuò)大故障范圍，對(duì)系統(tǒng)造成更嚴(yán)重的損害。3.2故障特性影響因素3.2.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC型電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)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(gè)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(lái)說(shuō)，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(huì)使故障分析和處理變得更為復(fù)雜。當(dāng)某一子模塊發(fā)生故障時(shí)，由于子模塊之間的電氣連接緊密，故障可能會(huì)迅速傳播至其他子模塊，導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大。假設(shè)一個(gè)包含N個(gè)子模塊的MMC系統(tǒng)，當(dāng)其中一個(gè)子模塊出現(xiàn)短路故障時(shí)，故障電流會(huì)通過(guò)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(guò)其額定電流，可能會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)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(chǔ)能增加，故障瞬間釋放的能量也更大，這對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)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(huì)對(duì)系統(tǒng)中的其他設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害。連接方式也是影響故障特性的重要因素。MMC常見(jiàn)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(shí)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(diǎn)直接相連，形成中性點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流會(huì)通過(guò)中性點(diǎn)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(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，單相接地故障電流較大，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備造成較大沖擊；而在中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，故障電流相對(duì)較小，但可能會(huì)出現(xiàn)零序電壓和零序電流，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在三角型連接中，各相橋臂首尾相連，沒(méi)有中性點(diǎn)。這種連接方式在發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流主要通過(guò)故障相橋臂內(nèi)部的子模塊形成回路，不會(huì)像星型連接那樣通過(guò)中性點(diǎn)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(duì)系統(tǒng)的影響，但也可能會(huì)導(dǎo)致故障在橋臂內(nèi)部傳播，增加故障診斷和修復(fù)的難度。不同的連接方式還會(huì)影響MMC對(duì)其他類(lèi)型故障的響應(yīng)。在三相短路故障中，星型連接的MMC可能會(huì)因?yàn)槿嚯娏鞯牟黄胶舛鴮?dǎo)致各相橋臂的電流差異較大，對(duì)橋臂上的功率開(kāi)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(diǎn)，故障電流的分布相對(duì)較為均勻，但短路電流的總幅值可能較大，對(duì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)和影響。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，控制策略主要負(fù)責(zé)實(shí)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．?dāng)故障發(fā)生時(shí)，控制策略需要迅速做出調(diào)整，以應(yīng)對(duì)故障情況，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。常見(jiàn)的控制策略有直接電流控制、間接電流控制和模型預(yù)測(cè)控制等，它們?cè)诠收享憫?yīng)方面各有特點(diǎn)。直接電流控制是一種較為常用的控制策略，它通過(guò)直接控制電力電子變壓器的輸入或輸出電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。在故障發(fā)生時(shí)，直接電流控制能夠快速檢測(cè)到電流的異常變化，并通過(guò)調(diào)整功率開(kāi)關(guān)的觸發(fā)脈沖，來(lái)限制故障電流的大小。當(dāng)交流輸入側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，直接電流控制策略可以迅速減小功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，使輸入電流迅速下降，從而保護(hù)電力電子變壓器和其他設(shè)備免受過(guò)大電流的損害。這種控制策略的響應(yīng)速度較快，但對(duì)電流檢測(cè)的精度要求較高，一旦電流檢測(cè)出現(xiàn)偏差，可能會(huì)導(dǎo)致控制效果不佳。間接電流控制則是通過(guò)控制其他物理量，如電壓、功率等，來(lái)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。在故障情況下，間接電流控制策略通常會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的故障類(lèi)型和嚴(yán)重程度，調(diào)整控制目標(biāo)和控制參數(shù)。當(dāng)中壓直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時(shí)，間接電流控制策略可能會(huì)通過(guò)調(diào)整隔離級(jí)雙向DC-DC變換器的工作狀態(tài)，來(lái)維持直流電壓的穩(wěn)定，并間接限制故障電流的增長(zhǎng)。這種控制策略相對(duì)較為靈活，能夠適應(yīng)不同的故障情況，但控制過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，響應(yīng)速度可能不如直接電流控制快。模型預(yù)測(cè)控制是一種基于系統(tǒng)模型的先進(jìn)控制策略，它通過(guò)對(duì)系統(tǒng)未來(lái)狀態(tài)的預(yù)測(cè)，來(lái)優(yōu)化當(dāng)前的控制決策。在MMC型電力電子變壓器中，模型預(yù)測(cè)控制可以根據(jù)故障發(fā)生前的系統(tǒng)狀態(tài)和故障類(lèi)型，預(yù)測(cè)故障發(fā)展趨勢(shì)，并提前制定相應(yīng)的控制策略。在故障發(fā)生時(shí)，模型預(yù)測(cè)控制能夠快速調(diào)整功率開(kāi)關(guān)的動(dòng)作順序和時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流的有效抑制和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的快速恢復(fù)。當(dāng)交流輸出側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，模型預(yù)測(cè)控制可以根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，預(yù)測(cè)短路電流的變化趨勢(shì)，然后通過(guò)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(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。模型預(yù)測(cè)控制具有較好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，但需要建立精確的系統(tǒng)模型，計(jì)算量較大，對(duì)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(shí)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(yùn)行能力，實(shí)現(xiàn)故障穿越。一些控制策略在故障穿越過(guò)程中，可能會(huì)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(shí)，盡量減少對(duì)電能質(zhì)量的影響。因此，在選擇和設(shè)計(jì)控制策略時(shí)，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(shí)現(xiàn)最佳的控制效果。3.2.3運(yùn)行工況MMC型電力電子變壓器的故障特性在不同運(yùn)行工況下會(huì)呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，其中負(fù)載變化和電壓波動(dòng)是兩個(gè)重要的影響因素。負(fù)載變化對(duì)MMC型電力電子變壓器的故障特性有著顯著影響。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電力電子變壓器的輸出功率和電流也會(huì)相應(yīng)改變，這會(huì)導(dǎo)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(duì)較低，各部件的工作溫度也較低。此時(shí)若發(fā)生故障，故障電流的大小可能相對(duì)較小，故障的發(fā)展速度也可能較慢。因?yàn)檩p載時(shí)系統(tǒng)的能量?jī)?chǔ)備較少，故障瞬間釋放的能量有限，對(duì)系統(tǒng)的沖擊相對(duì)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(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。當(dāng)負(fù)載逐漸增加至重載時(shí)，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(huì)迅速增大，故障的影響范圍也會(huì)擴(kuò)大。重載時(shí)系統(tǒng)的能量流動(dòng)較大，一旦發(fā)生故障，大量的能量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱、絕緣損壞等嚴(yán)重問(wèn)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(huì)使電力電子變壓器的輸入級(jí)模塊承受過(guò)高的電流和電壓應(yīng)力，導(dǎo)致模塊中的功率開(kāi)關(guān)損壞，甚至引發(fā)整個(gè)輸入級(jí)的故障。電壓波動(dòng)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(dòng)可能由多種原因引起，如電網(wǎng)故障、負(fù)荷變化、分布式能源接入等。當(dāng)輸入電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，MMC型電力電子變壓器的工作狀態(tài)會(huì)受到直接影響。在電壓升高時(shí)，電力電子變壓器的內(nèi)部電壓應(yīng)力增大，可能會(huì)導(dǎo)致絕緣材料承受過(guò)高的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而降低其絕緣性能，增加絕緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)期處于過(guò)電壓運(yùn)行狀態(tài)，可能會(huì)使變壓器的繞組絕緣逐漸老化，最終導(dǎo)致繞組短路故障。當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，電力電子變壓器為了維持輸出功率，可能會(huì)增大輸出電流，這會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部損耗增加，發(fā)熱加劇。在低電壓情況下，若負(fù)載不變或增加，電力電子變壓器可能會(huì)進(jìn)入過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)一步加重設(shè)備的負(fù)擔(dān)。長(zhǎng)期處于低電壓過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)，可能會(huì)使變壓器的鐵芯飽和，勵(lì)磁電流增大，不僅會(huì)降低變壓器的效率，還可能引發(fā)過(guò)熱、振動(dòng)等問(wèn)題，增加故障發(fā)生的概率。當(dāng)電壓波動(dòng)頻繁時(shí)，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(huì)增加控制器的工作負(fù)擔(dān)，可能導(dǎo)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(dòng)頻繁的情況下，MMC型電力電子變壓器的功率開(kāi)關(guān)可能會(huì)頻繁動(dòng)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(xué)模型分析建立MMC型電力電子變壓器的數(shù)學(xué)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(jìn)行建立。以三相MMC型電力電子變壓器的輸入級(jí)為例，對(duì)于每一相橋臂，可將其視為由多個(gè)子模塊和橋臂電感串聯(lián)組成。設(shè)橋臂電感為L(zhǎng)_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(gè)子模塊的輸出電壓，n為橋臂中子模塊的數(shù)量。對(duì)于隔離級(jí)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(jí)，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(guò)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(yùn)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(jí)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(dòng)勢(shì)為F_{p}=N_{p}i_{p}，副邊電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)e_{p}=-N_{p}\frac{d\varPhi}{dt}，副邊繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(shí)際情況時(shí)，需要引入鐵芯的磁化曲線等參數(shù)來(lái)修正電磁模型，以更準(zhǔn)確地描述變壓器內(nèi)部的電磁特性。利用這些數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和分析，可以深入研究故障時(shí)電氣量的變化規(guī)律。當(dāng)發(fā)生交流輸入側(cè)單相接地故障時(shí)，通過(guò)對(duì)電路模型和電磁模型的分析，可以推導(dǎo)出故障相電流、電壓的表達(dá)式，分析其幅值、相位的變化情況，以及對(duì)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(guò)數(shù)學(xué)模型可以計(jì)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(zhǔn)確把握故障特性，為故障診斷和保護(hù)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(kù)中選取所需的模塊來(lái)構(gòu)建MMC型電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于輸入級(jí)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(gè)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(shí)，使用IGBT模塊和二極管模塊組成開(kāi)關(guān)單元，與電容模塊連接，實(shí)現(xiàn)子模塊的功能。通過(guò)設(shè)置子模塊的參數(shù)，如電容值、開(kāi)關(guān)頻率等，可模擬不同的運(yùn)行條件。對(duì)于隔離級(jí)的雙向DC-DC變換器，可根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用相應(yīng)的電力電子開(kāi)關(guān)模塊、電感模塊和電容模塊進(jìn)行搭建。移相全橋型雙向DC-DC變換器可通過(guò)設(shè)置開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)信號(hào)和移相角來(lái)控制其工作狀態(tài)。輸出級(jí)的三相全橋逆變器同樣可利用電力電子開(kāi)關(guān)模塊進(jìn)行搭建，并通過(guò)PWM調(diào)制模塊產(chǎn)生合適的脈沖信號(hào)來(lái)控制逆變器的輸出。在PSCAD中，也有豐富的電力系統(tǒng)元件庫(kù)可供使用。通過(guò)從庫(kù)中選取合適的模塊，按照MMC型電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，即可搭建出仿真模型。在搭建過(guò)程中，需要準(zhǔn)確設(shè)置各個(gè)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(zhǔn)確反映實(shí)際系統(tǒng)的特性。搭建好模型后，即可模擬不同的故障場(chǎng)景。當(dāng)模擬交流輸入側(cè)單相接地故障時(shí)，可在交流輸入側(cè)的某一相設(shè)置接地電阻，通過(guò)改變接地電阻的值來(lái)模擬不同程度的接地故障。在仿真過(guò)程中，可設(shè)置故障發(fā)生的時(shí)刻，如在t=0.1s時(shí)發(fā)生故障，觀察故障發(fā)生瞬間及后續(xù)暫態(tài)過(guò)程中電流、電壓等電氣量的變化。對(duì)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(diǎn)，通過(guò)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(shí)，觀察故障電流的大小和流向，以及直流電壓的波動(dòng)情況。通過(guò)仿真分析，可以直觀地得到不同故障場(chǎng)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(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，電壓出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)這些仿真結(jié)果的分析，可以總結(jié)出故障時(shí)電氣量的變化規(guī)律，為故障診斷和保護(hù)策略的制定提供參考依據(jù)。同時(shí)，通過(guò)改變仿真模型中的參數(shù)，如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略等，可以進(jìn)一步研究不同因素對(duì)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(shí)驗(yàn)分析通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取故障數(shù)據(jù)是驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的重要手段，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建和實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建需要選用合適的電力電子器件、控制器和測(cè)量?jī)x器。對(duì)于MMC型電力電子變壓器的輸入級(jí)，可選用合適規(guī)格的IGBT模塊來(lái)構(gòu)建子模塊，根據(jù)所需的電壓等級(jí)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(shí)，可選用耐壓值為1200V、電流容量為50A的IGBT模塊，搭建多個(gè)子模塊并串聯(lián)組成橋臂。中間級(jí)的隔離變壓器可根據(jù)實(shí)際需求定制，確保其變比和電氣性能滿足實(shí)驗(yàn)要求。雙向DC-DC變換器同樣選用合適的電力電子器件進(jìn)行搭建。輸出級(jí)根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的逆變器或整流電路?？刂破魇菍?shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心部分，可選用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）作為控制器。DSP具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，能夠快速執(zhí)行控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)MMC型電力電子變壓器的各種控制策略。測(cè)量?jī)x器用于采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的電氣量數(shù)據(jù)，如電流、電壓等?？蛇x用高精度的電流傳感器和電壓傳感器，將采集到的信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集卡，再通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)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(dá)0.1%，能夠準(zhǔn)確測(cè)量電流和電壓的變化。實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)需要明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)步驟。實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ǔＪ球?yàn)證理論分析和仿真結(jié)果，研究MMC型電力電子變壓器的故障特性。實(shí)驗(yàn)步驟包括設(shè)置不同的故障類(lèi)型和運(yùn)行工況，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。在設(shè)置故障類(lèi)型時(shí)，可依次進(jìn)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(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行交流輸入側(cè)單相接地故障實(shí)驗(yàn)時(shí)，先記錄正常運(yùn)行時(shí)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(guò)程中的電氣量數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和可靠性。若實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析和仿真結(jié)果基本一致，則說(shuō)明理論分析和仿真模型是正確的；若存在差異，則需要進(jìn)一步分析原因，可能是實(shí)驗(yàn)誤差、模型簡(jiǎn)化或其他因素導(dǎo)致的，通過(guò)分析找出問(wèn)題所在，并對(duì)理論分析和仿真模型進(jìn)行修正和完善，從而更準(zhǔn)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(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時(shí)，如短路、接地等故障，MMC型電力電子變壓器能夠在一定時(shí)間內(nèi)維持自身的運(yùn)行，不發(fā)生脫網(wǎng)或停機(jī)等情況，并且能夠在故障消除后迅速恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，確保電力的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。這一過(guò)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(yùn)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(fù)載供電，盡管此時(shí)的供電質(zhì)量可能會(huì)受到一定影響，但必須保證負(fù)載的基本運(yùn)行需求。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障導(dǎo)致電壓驟降時(shí)，MMC型電力電子變壓器應(yīng)能通過(guò)自身的控制策略，快速調(diào)整內(nèi)部的功率開(kāi)關(guān)狀態(tài)，維持輸出電壓和電流的相對(duì)穩(wěn)定，避免因電壓過(guò)低而使負(fù)載無(wú)法正常工作。MMC型電力電子變壓器還需具備對(duì)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(huì)急劇增大，若不加以控制，會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞。MMC型電力電子變壓器通過(guò)合理的控制算法，如采用限流電阻、調(diào)整開(kāi)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(hù)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(fù)到正常運(yùn)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(fù)電能質(zhì)量，以及重新實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的同步運(yùn)行等。在故障消除后的恢復(fù)過(guò)程中，MMC型電力電子變壓器需要快速檢測(cè)到故障已消除的信號(hào)，然后通過(guò)調(diào)整控制參數(shù)，使自身的運(yùn)行狀態(tài)迅速恢復(fù)到正常水平。在恢復(fù)輸出電壓時(shí)，通過(guò)調(diào)整控制算法，使輸出電壓在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定值，并且保證電壓的穩(wěn)定性和精度，以滿足負(fù)載對(duì)電能質(zhì)量的要求。同時(shí)，還需要重新與電網(wǎng)實(shí)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(duì)保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在新能源并網(wǎng)方面，以風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電為例，由于新能源的間歇性和波動(dòng)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(shí)，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(dǎo)致的新能源棄電現(xiàn)象，提高新能源的利用效率。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致電壓波動(dòng)時(shí)，MMC型電力電子變壓器能夠快速調(diào)整自身的運(yùn)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(dòng)過(guò)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(yùn)行，保證重要負(fù)荷的供電，減少停電時(shí)間和停電范圍，降低故障對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響。在電網(wǎng)發(fā)生局部故障時(shí)，MMC型電力電子變壓器可以通過(guò)調(diào)整自身的功率傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)域的隔離和對(duì)非故障區(qū)域的持續(xù)供電，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)潮流的優(yōu)化控制，提高電網(wǎng)的輸電能力和運(yùn)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(fù)荷的不斷增加，如數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車(chē)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(fù)荷的正常運(yùn)行。MMC型電力電子變壓器能夠在直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，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(fù)荷的持續(xù)供電。當(dāng)直流配電系統(tǒng)中出現(xiàn)單極接地故障時(shí)，MMC型電力電子變壓器可以通過(guò)調(diào)整控制策略，限制故障電流的大小，防止故障擴(kuò)大，同時(shí)保持直流電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，保證數(shù)據(jù)中心等直流負(fù)荷的正常運(yùn)行，避免因直流電壓異常而導(dǎo)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(guò)對(duì)MMC型電力電子變壓器硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在硬件結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，增加保護(hù)電路是一種常見(jiàn)且有效的方法。以交流輸入側(cè)為例，可在輸入端增設(shè)過(guò)流保護(hù)電路。當(dāng)檢測(cè)到交流輸入電流超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，過(guò)流保護(hù)電路迅速動(dòng)作，通過(guò)快速熔斷器或可控硅等元件，切斷故障電流通路，防止過(guò)大的電流對(duì)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(hù)措施。當(dāng)發(fā)生直流短路故障時(shí)，直流斷路器能夠在極短時(shí)間內(nèi)（通常在幾毫秒內(nèi)）切斷短路電流，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。采用特殊的子模塊設(shè)計(jì)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(shì)。在直流故障情況下，半橋子模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流的反向阻斷，而全橋子模塊通過(guò)合理控制四個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(shí)，采用全橋子模塊的MMC能夠迅速調(diào)整子模塊的開(kāi)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(yùn)行。在系統(tǒng)中增加儲(chǔ)能裝置也是一種有效的