基于CPS-SPWM调制方法的MMC-HVDC输电系统冗余保护策略研究

胡 益， 王晓茹， 胡柏玮

(西南交通大学电气工程学院， 四川 成都 610031)

基于CPS-SPWM调制方法的MMC-HVDC输电系统冗余保护策略研究

胡 益， 王晓茹， 胡柏玮

(西南交通大学电气工程学院， 四川 成都 610031)

子模块故障是模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统最常见故障之一。为保证子模块故障后MMC-HVDC系统能够稳定工作，本文首先对子模块故障后桥臂电流、桥臂间环流及直流侧电流的影响进行数学分析，确定了MMC子模块容错方案；然后将子模块冗余控制与带有电容均压控制和环流抑制控制的载波相移脉宽调制(CPS-SPWM)方法相结合，设计了基于电容电压平衡控制CPS-SPWM的冗余保护策略；最后在PSCAD/EMTDC中搭建双端10电平的MMC-HVDC输电系统模型。通过对模型进行稳态仿真以及子模块故障时的暂态对比仿真，验证了本文所提出的冗余保护策略的正确性和有效性。

MMC-HVDC； 容错方案； 电容均压控制； 环流抑制控制； CPS-SPWM； 冗余保护策略

1 引言

模块化多电平换流器(MMC)是电压源换流器(VSC)的一种新型拓扑结构[1]。它采用了模块化结构，通过子模块级联的方式代替传统VSC开关元件的直接连接，具有电平拓展方便、结构设计简单、输出电压电平数多、开关频率低等特点[2,3]。因此已成为HVDC领域的发展趋势和研究热点[4-6]。

目前，已有许多专业学者进行了MMC在HVDC输电系统中应用的研究，其主要是集中在MMC数学模型研究、MMC调制策略研究、MMC相间环流抑制策略研究、MMC子模块电容电压平衡控制策略研究等方面[7-10]。由于MMC的每个桥臂都由大量的子模块级联而成，因此每一个子模块的运行状态都会关系到桥臂上的电压、电流等电气量，从而会影响到整个MMC的运行状态，降低模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统的可靠性[11]。由此可见，关于MMC子模块故障的保护控制研究是非常重要的，而目前在这方面的研究还比较少。

MMC的容错保护策略一般建立在桥臂上级联冗余备用子模块基础上，利用适当的冗余保护控制策略,使得MMC系统在子模块发生故障时，仍然能够利用冗余子模块正常运行，从而提高MMC-HVDC输电系统的运行可靠性。MMC的冗余保护策略与MMC的调制方式有直接的关系，目前用于MMC最常见的调制方式有两类：电压逼近调制方法[11]和移相载波脉宽调制方法[12]。由于电压逼近调制方法本身就有对子模块电容电压排序的过程，因此其冗余保护策略的实现相对较简单。文献[11]提出了一种冷备用的子模块冗余保护方案，但该方案在子模块故障投入备用冗余子模块时需要对冗余子模块进行充电，会经历一个较长的暂态过程。文献[13]则在文献[11]的基础上，提出一种对MMC影响较小的子模块热备用容错方案，并且针对该方案存在的缺点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。文献[14]在MMC桥臂的不对称运行数学模型推导基础上，从调制波基频分量幅值的角度分析了采取容错控制策略的系统性能，从电容电压波动的角度分析了系统所能允许的最大故障子模块个数，实现了基于电压逼近调制方法的冗余保护策略。而载波相移脉宽调制(CPS-SPWM)方法是通过每个子模块对应的载波与调制波比较来产生触发信号的，无电容电压排序的过程，因而它的容错策略设计相对复杂，这也导致了基于CPS-SPWM调制方法的MMC子模块冗余保护策略的研究目前几乎没有。

在此背景下，本文首先通过MMC子模块故障对桥臂电流、桥臂间环流及直流侧电流的影响进行数学分析，确定容错方案。然后提出了一种基于CPS-SPWM调制方法的MMC子模块冗余保护策略，该策略将子模块冗余控制与基于电容电压平衡控制的CPS-SPWM调制方法[15]相结合，不仅能够解决冗余子模块投运时的载波动态再分配问题，还能保证MMC子模块故障过程中系统稳定运行。最后在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建具有本文所设计容错能力的MMC，并且将其应用到MMC-HVDC输电系统中。通过对MMC-HVDC输电系统稳态和暂态的仿真分析，验证了本文所设计的容错保护策略的有效性和准确性。

2 MMC的基本工作原理

在MMC-HVDC输电系统中，最核心的部分是三相模块化多电平换流器(MMC)，其拓扑结构如图1所示。

图1 MMC拓扑结构图Fig.1 MMC topology structure

MMC具有6个桥臂，每个桥臂由N+M个子模块级联而成(其中N、M分别为桥臂工作时最多所需投入的子模块数和冗余备用子模块数)，每一相上下两个桥臂和在一起称为一个相单元。图1中，uux、ulx、iux、ilx(x=a，b，c)分别为上桥臂、下桥臂的电压与电流，ux、ix分别为MMC桥臂输出端交流电压和交流电流，L0、R0分别为桥臂电感与桥臂电阻，usx为交流侧电源电压，Udc、Idc分别为直流侧电压与电流，L、R分别为交流电感与等效交流电阻，C为子模块电容值。

每个MMC子模块均由两个IGBT、两个与之反并联的二极管、一个电容器以及一个旁路开关构成。当子模块的旁路开关断开时，子模块处于正常运行状态。如果正常运行的子模块发生故障，则闭合其旁路开关，此时子模块就从正常运行状态转入到冗余备用状态。在正常工作状态下，根据IGBT1和IGBT2的导通情况，MMC子模块有以下三种运行状态：

(1)投入状态。如图2(a)所示，当IGBT1导通，并且IGBT2关断时，电流正向流经D1对电容充电或者反向流经IGBT1让电容放电。

(2)关断状态。如图2(b)所示，当IGBT1关断，并且IGBT2导通时，电流正向流经IGBT2或者反向流经D2，电容既不充电也不放电。

(3)闭锁状态。如图2(c)所示，当IGBT1和IGBT2均关断时，电流正向流经D1对电容充电，或者反向流经D2，电容即不充电也不放电。

图2 子模块运行状态Fig.2 Operating status of sub-modules

3 MMC子模块容错方案

MMC最大的优点是模块化构造，其可以很方便地扩展到各种电压等级。基于MMC这样的优点，MMC的容错保护策略一般是在桥臂上级联冗余备用子模块。

MMC正常运行时，三相桥臂分别是对称的，因此只以a相桥臂为例。根据文献[15]，设icira为a相单元环流，则有：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可以得到环流的表达式：

(3)

由于三相的对称性，直流电压在三个相单元之间平均分配，则有：

(4)

(5)

由图1中MMC的a相上、下桥臂拓扑图，可以得到a相桥臂的数学模型：

(6)

(7)

设系统交流侧电压和电流为：

ua=Uacosωt

(8)

ia=Iacos(ωt+φ)

(9)

根据文献[16]可知，电压调制比k、电流调制比m的定义分别为：

(10)

(11)

因此根据式(6)、式(7)、式(8)和式(10)，可以得到上、下桥臂的电压分别为：

(12)

(13)

同理，根据式(4)、式(5)、式(9)和式(11)可以得到上、下桥臂的电流分别为：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中，Nsum为上、下桥臂子模块总数；uduai和udlai分别为a相上、下桥臂中第i个子模块电压。

由于本文所采用的CPS-SPWM调制方法结合了电容电压平衡控制，因此可以假设MMC中每个桥臂上的子模块电容电压均匀分布。则式(16)和式(17)可以表示为：

(18)

(19)

式中，udua和udla分别为a相上、下桥臂任意子模块电压。

假设开关频率无穷大，定义上、下桥臂的连续开关函数Sua和Sla分别为[13]：

(20)

(21)

此时，流过子模块电容电流与桥臂电流应满足：

(22)

(23)

式中，idua和idla分别为上、下桥臂子模块电容电流。

将式(14)、式(15)、式(20)和式(21)代入到式(22)和式(23)可得：

考虑到L0和R0均取值很小，所以可以忽略式(24)和式(25)的方程右边第二项。因此，可以将a相上、下桥臂能量和表示为：

(26)

(27)式中，Ucrefu、Ucrefl分别为上桥臂、下桥臂额定电容电压。

由式(26)和式(27)可以看出，上、下桥臂的能量由平均值和波动量构成。子模块全部正常运行时，各桥臂平均能量相等。显然，当有桥臂出现子模块故障时，此桥臂的能量平均值将小于其他桥臂，这会造成此桥臂电压波动幅度增大、桥臂电流畸变、相间环流畸变、三相环流不对称，最终引起直流侧电流电压波动。

根据以上分析本文采用的容错方案为：当MMC子模块正常工作时，冗余子模块不参与到正常工作中；当MMC子模块故障时，立即旁路故障子模块，同时将同桥臂的冗余子模块代替故障子模块，保证MMC上下桥臂子模块总数相等，各桥臂平均能量相等，保证系统继续稳定运行。

4 MMC子模块容错策略设计

4.1 移相载波的动态分配策略

针对移相载波调制策略中的冗余子模块投入运行时的载波分配问题，本文设计了灵活的动态载波分配器，根据子模块旁路开关的状态对正常运行子模块、故障子模块以及冗余子模块之间状态切换的载波进行动态再分配。

为了清晰描述本文所设计移相载波的动态分配策略，首先定义了一些相关变量，如表1所示。

本文设计的移相载波动态分配器基于MMC单个桥臂进行，其基本原理为：首先根据桥臂上N+M个子模块各自的旁路开关状态Ki，将相差为(2π/N)rad的N个载波分配给处于正常工作状态的N个子模块，同时将会产生闭锁触发信号的M个载波Tcp分配给其余M个冗余子模块；如果检测到第i个子模块发生故障，立即闭合其旁路开关，将其记录到故障记录数组a[N]中，以便检修人员检修，然后将会产生闭锁触发信号的载波Tcp分配给第i个子模块，使该故障子模块进入冗余状态。与此同时按顺序将M个冗余子模块的第1个子模块旁路开关打开；考虑到该冗余子模块的电容电压还未达到额定值，先仍保持其原来的闭锁载波Tcp，使其处于闭锁充电状态，直到检测到该冗余子模块的电容电压达到额定值，再将其视为正常工作子模块，给其动态分配移相载波。

表1 相关变量的定义Tab.1 Definition of relevant variables

图3 载波分配器的工作流程图Fig.3 Flow chart of carrier distributor

根据移相载波动态分配的基本原理，本文设计了一个动态载波分配器，不论是第i个子模块故障，还是同时有多个子模块故障(故障子模块数目小于冗余备用子模块数目)，或者是连续多个子模块故障，都能灵活地实现子模块故障容错，其具体工作如图3所示。可以看出，当用某个冗余子模块替换故障子模块时会存在两个问题：①冗余子模块电容在替换故障子模块前存在一个短暂的闭锁充电过程，在这个过程中正常工作的子模块数为N-1个；②在故障子模块旁路开关闭合时，部分(甚至全部)正常子模块的载波会发生改变。

针对动态载波分配器存在的这两个问题以及MMC自身固有的相单元间环流问题，本文采用基于电容电压平衡控制的CPS-SPWM策略[15]。以a相上桥臂为例，其最终的调制波uuai为：

(28)

式中，uua为a相桥臂子模块的基本调制波，是由DQ解耦控制得到的每个子模块的共同基本正弦调制波；Ucira为环流抑制控制量，由环流抑制控制器得到；Uvbai为第i个子模块的电容均压控制量，由电容均压控制器得到。

由于基于电容电压平衡控制的CPS-SPWM策略具有电容均压控制作用和环流抑制作用，使得这些问题并不会对桥臂输出电压产生明显的扰动，系统的电压和电流等电气量也并不会随着每个子模块载波的变化而产生明显的变化。

4.2 带冗余保护的CPS-SPWM调制策略

在利用载波动态分配器的基础上，结合基于电容电压平衡控制的CPS-SPWM调制策略，本文设计了带有冗余保护的CPS-SPWM策略。以a相桥臂为例，该策略的具体实现流程图如图4所示。其中，Fp1i为第i子模块的上IGBT(T1)触发脉冲；Fp2i为第i子模块的下IGBT(T2)触发脉冲。

5 仿真分析

5.1 MMC-HVDC系统仿真模型

图4 冗余保护策略工作流程图Fig.4 Flow chart of redundant protection strategy

为验证本文所提出基于电容电压平衡控制CPS-SPWM的冗余保护策略的正确性和有效性，利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了双端10电平的MMC-HVDC输电系统模型，此模型采用DQ解耦控制作为基本控制策略，同时采用基于电容电压平衡控制CPS-SPWM的冗余保护策略。其中，MMC-HVDC输电系统的整流站采用定直流电压控制(参考值25kV)和无功率控制(参考值3Mvar)，逆变站采用定有功功率控制(参考值10MW)和无功功率控制(3Mvar)，系统具体参数设计如表2所示。

表2 系统参数表Tab.2 System parameter table

5.2 MMC-HVDC系统稳态仿真分析

MMC-HVDC系统工作在正常工况时，本模型采用10电平的CPS-SPWM调制方法，并且有效地结合了电容均压和环流抑制控制策略，其稳态仿真结果如图5所示。由图5可见，系统正常工作时，直流侧电压能够准确地稳定在整流站设定参考电压值上，逆变站的有功功率和无功功率也均能够准确地跟踪其设定值，并且a相上桥臂电流和直流侧电流都能够维持稳定。验证了本模型具有很好的稳定性。

图5 MMC-HVDC系统稳态仿真结果Fig.5 Steady-state simulation results of MMC-HVDC system

5.3 MMC-HVDC系统暂态仿真分析

MMC-HVDC系统工作在子模块出现故障工况下，设置在t=1.5s时，整流站a相上桥臂的第5个子模块出现故障。考虑实际情况，设置当检测到故障信号后，延迟5ms，故障子模块旁路开关才闭合。在此工况下，为了验证本文所设计的子模块冗余保护策略的有效性，将有、无子模块冗余保护策略进行对比仿真，暂态仿真结果如图6所示。

图6 MMC-HVDC系统暂态仿真结果Fig.6 Transient simulation results of MMC-HVDC system

由图6(a)～图6(c)可知，在t=1.5s子模块出现故障，此时故障子模块旁路开关并未闭合，其电容电压、T1触发信号以及载波信号均未改变。延迟到t=1.55s时，故障子模块旁路开关闭合，其电容电压降为0，T1触发信号以及载波信号均被闭锁，与此同时备用子模块电容由初始充电电压开始充电，备用子模块T1触发信号和载波信号均处于闭锁状态。直到t=1.63s时，电容电压达到额定电压，备用子模块开始接收触发信号正常工作。通过图6(c)～图6(i)的对比仿真结果可见，当采用本文所设计的子模块容错策略时，在t=1.5s故障发生后，MMC-HVDC系统的直流电压、直流电流、a相上桥臂电流均出现短时的波动，这也导致逆变站有功功率和无功功率出现微小的波动，但本文容错策略很快使整个系统又恢复了正常运行，保证了故障后系统各电气量均维持不变。系统没有采用任何子模块容错策略时，在t=1.5s故障发生后，MMC-HVDC系统的直流电压、直流电流均出现较大的振荡，并且其振荡有逐渐增大的趋势，这也使得逆变站有功功率和无功功率出现一定范围的振荡。同时a相上桥臂电流在故障之后出现明显的波形畸变，使得a相上下桥臂电流出现明显不对称，桥臂间环流逐渐增大。因此，通过对比仿真验证了本文所提出的基于CPS-SPWM调制方法的冗余保护策略的有效性和优越性。

6 结论

(1)本文以MMC桥臂数学模型为基础，对子模块故障后桥臂电流、桥臂间环流及直流侧电流的影响进行数学分析，经过各方面对比确定了MMC子模块容错方案。

(2)本文在基于电容电压平衡控制的CPS-SPWM调制方法上，重新设计了载波分配器，将带有电容均压控制和环流抑制控制的CPS-SPWM调制方法与子模块容错策略结合在一起，设计了基于电容电压平衡控制CPS-SPWM的冗余保护策略。

(3)本文利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了带有冗余子模块的双端10电平MMC-HVDC输电系统模型。通过对所搭建的模型进行稳态仿真，验证了所搭建模型具有很好的稳定性；同时通过子模块故障时的暂态对比仿真，验证了本文所提出的基于电容电压平衡控制CPS-SPWM的冗余保护策略的正确性和有效性。

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Redundancy protection strategy research of MMC-HVDC transmission system based on CPS-SPWM modulation method

HU Yi, WANG Xiao-ru, HU Bo-wei

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The sub-module failure is one of the most common faults in modular multilevel converter HVDC transmission systems. In order to ensure the MMC-HVDC system can work steadily when the sub-module was failure, the following steps are needed to be done. Firstly, a mathematical analysis for the influence of bridge arm current, circulation current and it’s DC side current is made under the sub-module fault, so that the sub-module fault-tolerant scheme is determined. Then, the sub-module redundancy control is combined with the CPS-SPWM modulation method which contains capacitor voltage balance control and circulation inhibitory control. The redundancy protection strategy is designed which is based on the CPS-SPWM modulation method with capacitor voltage balance control method. Finally, a two-terminal 10-level MMC-HVDC transmission system model is established in PSCAD/EMTDC. Through the steady state simulation and the comparison of sub-module fault transient simulation, the correctness and validity of redundancy protection strategy which is proposed in this paper are verified.

MMC-HVDC; fault-tolerant scheme; capacitor voltage balance control; circulation inhibitory control; CPS-SPWM; redundancy protection strategy

2015-08-31

胡 益(1990-)， 男， 湖北籍， 博士研究生， 研究方向为柔性直流输电运行与控制技术； 王晓茹(1962-)， 女， 重庆籍， 教授， 博士生导师， 研究方向为电力系统保护与安全稳定控制。

TM72

A

1003-3076(2016)10-0009-08