PDF《模块化多电平换流器子模块故障冗余容错控制策略》

2 冗余容错方案分析 MMC 的最大优点是模块化构造, 能方便扩展 到各种电压等级和实现冗余容错控制.冗余容错控 制的主要思路是: 在电路中配置一部分冗余子模块, ―

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1 3 当有一部分运行的子模块故障时, 冗余子模块能保 证MMC不间断运行.冗余子模块的运行方案主要 有如下3种. 方案1: 当子模块正常运行时, 冗余子模块被旁 路, 不参与工作;

当子模块发生故障时, 冗余子模块 替换故障子模块.此方案缺点是冗余子模块接入及 充电需要花费较长时间, 系统将经历一个较长的暂 态过程, 冷备用子模块需要额外的控制, 同时冗余子 模块在正常运行时处于闲置状态, 未能被充分利用 以改善系统均压性能. 方案2: 当子模块正常运行时, 冗余子模块参与 工作;

当子模块发生故障时, 旁路故障子模块后, 同 时旁路其他桥臂上相同数量的子模块, 保持系统对 称运行. 方案3: 当子模块正常运行时, 冗余子模块参与 工作;

当子模块发生故障时, 仅旁路故障子模块, 其 他桥臂不作变动, 系统不对称运行. 方案2中, 当1个桥臂子模块发生故障时, 为保 持系统的对称性, 旁路其他5个桥臂的正常子模块, 将造成系统的可靠性大幅下降, 很不经济.方案3 弥补了方案1和方案2的缺点, 但会造成桥臂的不 对称.经过比较分析发现, 方案3更适合于 MMC. 本文采用方案3, 提出一种基于能量平衡的冗余容 错控制策略, 有效消除了由桥臂不对称带来的桥臂 电流不对称和直流电流波动.

3 冗余运行原理 MMC的基本电路结构如图

2 所示, 以 a相为 例进行分析.子模块并网运行时, MMC 交流输出 电压参考值ur e f a 由电流内环、 功率外环交叉解耦控 制器[ 5] 得到. 图2 MMC电路结构 F i g .

2 C i r c u i t s t r u c t u r eo fMMC 设交流电压、 电流参考值分别为: ur e f a =

1 2 Ud c mc o sω t (

1 ) i r e f a = Im c o s ( ω t+ φ) (

2 ) 式中: m 为电压调制比, 其取值范围为( 0, 1] ;

Ud c为 系统直流电压;

Im 为交流电流幅值. 采用直接调制法, 上下桥臂电压参考值ur e f u a 和ur e f l a 分别为: ur e f u a =

1 2 Ud c- ur e f a =

1 2 Ud c( 1-mc o sω t) (

3 ) ur e f l a =

1 2 Ud c- ur e f a =

1 2 Ud c( 1+mc o sω t) (

4 ) 上下桥臂子模块总电压uΣ u a和uΣ l a分别为: uΣ u a= ∑ Ns u m i=1 ud u a i (

5 ) uΣ l a= ∑ Ns u m i=1 ud l a i (

6 ) 式中: Ns u m 为桥臂子模块总数;

ud u a i 和ud l a i 分别为a 相上下桥臂中第i个子模块电压. 设均压效果良好, 各子模块的电压可认为相等, 则式(

5 ) 和式(

6 ) 可表示为: uΣ u a=Ns u m ud u a (

7 ) uΣ l a=Ns u m ud l a (

8 ) 式中: ud u a和ud l a分别为a相上下桥臂任意子模块电 压, 冗余运行条件下, uΣ u a? Ud c, uΣ l a? Ud c. 假设开关频率无穷大, 定义上下桥臂的连续开 关函数Su a和Sl a分别为[

9 ] : Su a= ur e f u a Ns u m ud u a = Ud c( 1-mc o sω t)

2 Ns u m ud u a (

9 ) Sl a= ur e f l a Ns u m ud l a = Ud c( 1+mc o sω t)

2 Ns u m ud l a (

1 0 ) 由于开关频率无穷大, 流过电容的电流与桥臂 电流满足如下关系: i d u a=Su a i u a=C d ud u a d t (

1 1 ) i d l a=Sl a i l a=C d ud l a d t (

1 2 ) 式中: C 为电容值;

i d u a和i d l a分别为上下桥臂电容电 流;

i u a和i l a分别为上下桥臂电流. 把式(