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MMC桥臂不对称运行特性及故障下的控制策略

发布时间:2019-02-12 15:02编辑:澳门银河娱乐场

基于电压源换流器的高压直流输电(voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)是直流输电发展的新趋势。相对于传统两电平、三电平拓扑结构的换流器,MMC具有模块化设计、扩展性强、谐波含量低、运行损耗小等优点,近年来在中高压直流输电、大功率电机驱动、可再生能源并网等领域获得了广泛的应用。

 

MMC的子模块(sub-module,SM)中半导体器件相对较为脆弱,实际工程中为了适应大输送容量、高电压等级的要求,MMC每个桥臂通常级联了大量的子模块(以“Trans Bay Cable”为例,其每个桥臂包含216个子模块),上述原因使子模块故障成为MMC的一种常见故障类型。子模块故障后需对其快速进行旁路,故障子模块旁路后MMC将运行于桥臂不对称状态。因此,研究MMC桥臂不对称运行时的特性及子模块故障下的控制策略具有相当重要的意义。

 

主要内容

 

在现有研究的基础上,对子模块故障切除后桥臂不对称运行的特性进行了详细分析,提出了一套完整的子模块故障下控制策略,包括基于电容比较的故障子模块定位方法及基于准比例谐振控制的基频环流抑制方法。最后在PSCAD/EMTDC软件环境的仿真验证了本文理论分析的正确性及故障控制策略的有效性。

 

MMC桥臂不对称运行特性分析

 

MMC每个桥臂上配备了一定数量的冗余模块,当某些子模块故障被旁路后,尽管MMC依然具有输出所需电平的能力,其实际运行情况与对称运行时仍有所不同。通过详细的理论分析,发现这些不同主要有以下几点:

 

(1)桥臂对称运行时,上下桥臂等效电容相同,上下桥臂电压交流分量中的基频分量与三倍频分量可以相互抵消。故对称运行时环流只含二倍频分量,且二倍频环流三相对称可相互抵消,不流入直流母线。

 

(2)桥臂不对称运行时,上下桥臂等效电容的不一致使上下桥臂电压基频与三倍频分量不能相互抵消,环流中增加了基频与三倍频分量。此外,因三相桥臂不对称及上下桥臂等效电容不一致的影响,故障后二倍频分量略有增加且三相出现不对称,此不对称环流将流入直流母线。

 

(3)环流中三倍频分量远小于基频分量。因此,故障后控制的关键是对基频环流及二倍频环流进行抑制。

 

子模块故障下的控制策略

 

当子模块发生故障时,应立即由旁路开关对其快速进行切除并将相同数量的冗余子模块投入正常运行;子模块被旁路后,MMC将处于不对称运行状态。本文子模块故障下的控制策略包括基于电容比较的故障子模块定位方法和基于准比例谐振控制的基频环流抑制方法。

 

故障子模块定位方法

 

子模块开路故障后桥臂电流流向及端电压特性与正常时有所不同,故障时子模块桥臂电流流向及端电压特性如下所述。

 

(1)当T1开路故障时,对于导通状态下的子模块,当i>0时桥臂电流流向如图1(a)所示,电容仍可正常充电,子模块端电压为uc;但当i<0时,桥臂电流流向如图1(b),此时电容无法正常放电且子模块端电压为0,不同于正常状态下的uc。

 

(2)当T2开路故障时,对于切除状态下的子模块,i<0时电流流向如图3(b),此时端电压与正常状态下相同;当i>0时,桥臂电流流向如图3(a),此时电容被充电且子模块端电压为uc,不同于正常状态下的0。

 

MMC桥臂不对称运行特性及故障下的控制策略

 

Fig.1 Arm current path when SM is open-circuited

 

定义μ=1/C,则μ可用式(1)表示。通过比较子模块μ的计算值与正常时的基准值,可以快速判断故障子模块。

MMC桥臂不对称运行特性及故障下的控制策略

表1所示为正常及故障情况下μ的计算值。通过综合考虑各子模块μ计算值、桥臂电流方向以及子模块的开关状态,不仅能定位到故障子模块,还可以定位到故障IGBT器件。

MMC桥臂不对称运行特性及故障下的控制策略

桥臂不对称运行时的控制方法

 

桥臂不对称运行时的重点在于对基频环流进行抑制。因此,本文在二倍频环流抑制的基础上,通过附加基频环流控制来实现故障控制,其控制策略框图如图2所示。首先通过峰值滤波器提取环流中的基频成分icir1j,然后与环流基准值icir.ref作差,该差值送入准PR控制器中生成电压修正量udiff,该电压修正量叠加到调制信号中生成最终上下桥臂的调制波,从而实现控制目的。

 

MMC桥臂不对称运行特性及故障下的控制策略

 

Fig.2 Block diagram of the control strategy during asymmetrical operation

 

结论

 

(1)对MMC桥臂不对称运行时特性进行了详细的理论分析,得出不对称运行时,故障相交流基频电流将不会在上下桥臂中平均分配;环流会增加基频分量及三倍频分量,两者中基频环流占主导地位;同时,环流中原有的二倍频分量也略有增加。不对称的基频分量及二倍频分量相间无法平衡,会流入直流母线。

 

(2)提出了一套完整的子模块故障下的控制策略,包括基于电容比较的故障子模块定位方法及基于准比例谐振控制器的基频环流抑制方法。其中子模块定位方法能在相对较短时间内定位多个故障子模块,且无需增加额外的硬件电路;同时环流抑制方法无需坐标变换和锁相环节。

 

(3)基于PSCAD/EMTDC搭建了仿真模型,仿真结果证明了文中理论分析的正确性及子模块故障下控制策略的有效性。

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