PDF《基于零序电压注入的模块化多电平变流器故障容错控制》

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6 基于零序电压注入的模块化多电平变流器故障容错控制 申科,王建赜,班明飞,纪延超,蔡兴国 ( 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江省哈尔滨市

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0 1 ) 摘要:随着模块化多电平变流器( MMC) 在高压大功率电能变换领域的应用日渐增多, 其故障带来 的损失将显著增加.为了解决上述问题, 文中提出了一种针对三相三线制系统的 MMC 容错控制 策略.利用电容电压冗余排序方法克服普通载波层叠脉宽调制方法所固有的功率不均衡;

在详细 阐述不同容错控制方案的基础上, 提出零序电压注入方法, 以保证线电压恒定为基本思路, 对超出 临界电压区间的调制波进行重构, 使MMC 具有可靠的故障穿越能力.最后, 以一台4. 5k VA 的 三相 MMC样机为例进行了实验验证, 实验结果验证了所述方案的正确性和可行性. 关键词:模块化多电平变流器;

电压平衡;

容错控制;

零序电压注入 收稿日期:

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修回日期:

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0 6. 科技部国际科技合作计划资助项目(

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0 引言 近年来, 在全世界范围内, 巨型城市与大规模工 业设施对电能的消费需求持续增长, 然而可以提供 能源解决方案的风能、 太阳能以及海洋潮汐能的电 源接入点往往都远离能量消费中心[ 1] .这样的背景 之下, 基于全控型电力电子器件的电压源换流器型 高压直流( V S C - HV D C) 输电系统受到了越来越多 的关注[ 2] .适用于 V S C - HV D C 输电系统的模块化 多电平变流器( MMC) , 因其高度模块化、 出色的输 出电压波形以及可以无变压器运行等特质, 在高压 大功率场合有着广泛的应用前景[

3 - 6] . 随着 MMC在高压大功率电能变换领域的应用 日渐增多, 故障带来的损失将大大增加.为了维持 系统的正常运转, 失效单元必须被旁路, 同时控制方 法和调制技术也必须作相应的调整.因此, 寻找提 高MMC 故障穿越能力的容错控制方法也迫在眉 睫.最常见的容错手段就是给系统设置冗余备份[

7 - 8] 和增加外围电路[

9 ] .这两种方式基本上是从 硬件上改善系统的故障耐受能力, 需要追加投资预 算, 在增大系统复杂性的同时, 也造成了模块单元互 换性的降低.调制重构[

1 0] 是从控制系统角度加以 修正, 使系统在少数模块单元故障的条件下, 能够持 续运行一段时间, 避免整个系统停机故障所造成的 损失, 这种方法相当于是软件冗余, 减小 了安装投 资, 因而获得了较多关注. 针对 MMC系统的容错控制问题, 本文对适用 于容错运行的 MMC 子模块( S M) 电容电压平衡方 法进行了简单介绍, 提出基于零序电压注入方法的 故障容错控制策略, 讨论零序电压注入的可行性, 在 此基础上研究零序电压注入对 MMC相间功率分配 的影响.最后, 通过实验验证本文提出算法的正确 性和有效性.

1 MMC子模块电压均衡控制 1.

1 MMC基本原理 图1所示为三相MMC 的拓扑结构示意图. MMC包含6个桥臂, 并且每个桥臂由n 个完全相 同的半桥功率单元串联而成, 一般称这样的功率单 元为子模块. 图1 三相 MMC拓扑结构 F i g .

1 T o p o l o g yo f t h r e e - p h a s eMMC 每个子模块由互补导通的两个功率半导体开 关、 直流储能电容以及故障旁路开关构成.子模块 能够输出的电平有零和直流电容自身电压两种电 平.环流抑制电感 L 也是 MMC 不可缺少的组成 ―