PDF《模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略》

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8 模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略 胡鹏飞,江道灼,周月宾,林志勇,梁一桥,郭捷(浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市

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2 7 ) 摘要:阐述了模块化多电平换流器( MMC) 子模块故障类型, 包括绝缘栅双极型晶体管( I G B T) 模 块故障、 直流电容故障和控制信号故障.分析比较了3种子模块冗余容错方案的优缺点, 选择采用 对MMC影响较小的子模块热备用的冗余容错方案.该方案的缺点是 MMC 运行于不对称状态, 导致 MMC直流电流出现波动.为此, 在推导 MMC冗余运行状态的基本数学模型、 得出桥臂能量 数学表达式的基础上, 提出了基于桥臂能量平衡的冗余容错控制策略来抑制直流电流的波动.在 时域仿真软件 P S C A D / EMT D C中搭建了6 1电平 MMC模型, 仿真结果验证了提出的冗余容错控 制策略的有效性. 关键词:模块化多电平换流器;

子模块故障;

冗余容错控制;

能量平衡 收稿日期:

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2 0;

修回日期:

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1 0. 浙江省重点创新团队资助项目(

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4 ) .

0 引言 模块化 多电平换流器(MMC) 是德国学者于2002年提出的新拓扑, 其模块化结构使其具有很强 的可扩展性、 良好的交直流输出特性和较高的可靠 性.因此, MMC非常适合于轻型直流输电、 电力机 车拖动和新能源并网等领域.2

0 1 0年, 连接美国匹 兹堡和旧金山的世界上首条商业化 MMC型高压直 流输 电(MMC - HV D C) 线路投运[

1 ] , 而国内基于MMC的南汇风电场柔性输电示范工程也已于2011年通过验收[ 2] . 目前, 学术界针对 MMC 的研究主要集中于暂 态和稳态数学建模[

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4 ] 、 调制控制策略[

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1 0] 、 相间环 流抑制策略[

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1 2 ] , 以及交直流系统故障保护[

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1 4] 等 方面, 对于子模块故障的保护 控制策略研究较少. MMC包含大量的子模块, 部分子模块发生故障将 导致换流器不能正常工作, 降低了其可靠性[

1 5 ] .因此, 必须设计冗余子模块来应对部分子模块故障时 的情况.文献[

1 5 ] 提出了一种冷备用的子模块冗余 保护方案, 但该方案在故障时需要将冷备用子模块 控制投入并进行充电, 需要较长的暂态过程, 控制过 程较为复杂.本文根据 MMC 冗余运行原理, 提出 了一种新的子模块热备用的冗余容错控制策略, 并 通过电磁暂态仿真验证了该策略的有效性.

1 子模块故障原因 MMC 的子模块如图1 所示, 子模块包括半 H 桥绝缘栅双极型晶体管( I G B T) 模块、 直流电容和子 模块控制信号. 图1 MMC子模块结构 F i g .

1 S u b - m o d u l e s t r u c t u r eo fMMC 以下列举了几种常见的子模块故障.

1 ) I G B T 模块故障 I G B T 模块由I G B T 和反并联二极管等电力电 子器件组成, 其电压、 电流过载能力较弱.过电压、 过电流, 或过高的电压、 电流上升率都可能导致其损 坏.该故障类型是子模块最常见的故障.

2 ) 直流电容故障 直流电容的过载能力较强, 故障概率较低.

3 ) 控制信号故障 MMC 主要应用于中高压领域, 控制侧和主电 路侧由于电位差很高, 因此需要隔离.通常采用光 纤传输控制信号.串联子模块数量多, 控制信号传 输量很大.控制信号的传输错误也是导致子模块不 能正常运行的常见故障之一.