模塊化多電平換流器子模塊故障模擬方法

鄒毅軍 魏明洋

模塊化多電平換流器子模塊故障模擬方法

鄒毅軍 魏明洋

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控制保護裝置作為柔性直流系統(tǒng)運行和故障時實現(xiàn)快速保護的關(guān)鍵設(shè)備，需要在投運前進行完整測試?，F(xiàn)有測試手段是基于實時仿真平臺的控制器在環(huán)測試，但由于模塊化多電平換流器（MMC）子模塊采用的是等效建模方式，這種測試方法不能詳細(xì)模擬子模塊的物理結(jié)構(gòu)，因此無法有效模擬子模塊故障，影響閥控功能的全面驗證。為了解決上述問題，本文提出一種子模塊故障模擬技術(shù)，該技術(shù)是在現(xiàn)有測試方法基礎(chǔ)上加入故障模擬裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)子模塊故障模擬，彌補現(xiàn)有測試方法的不足。最后實驗室聯(lián)調(diào)試驗結(jié)果證明了所提方法的正確性和有效性。

模塊化多電平換流器（MMC）；實時仿真平臺；子模塊；硬件在環(huán)；故障模擬

0 引言

模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）作為電壓源型換流器的一種新拓?fù)?，具有諧波含量低、開關(guān)頻率低、損耗低、模塊性強、控制靈活、易于擴展等優(yōu)點，已經(jīng)得到廣泛關(guān)注和研究，且已應(yīng)用于諸多工程項目，成為柔性直流輸電領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢[1-3]。由于模塊化多電平換流器子模塊數(shù)量較多，包含眾多元件和器件，運行過程中可能會發(fā)生故障，導(dǎo)致子模塊失效，引發(fā)直流側(cè)電壓和電流振蕩、環(huán)流增大、輸出畸變等故障，對系統(tǒng)的可靠運行造成不利影響，因此子模塊故障的研究是換流器持續(xù)運行的重要保障[4-6]。

目前已有不少關(guān)于子模塊故障類型診斷及定位的研究文獻(xiàn)[7-11]。文獻(xiàn)[7]分析發(fā)生子模塊元器件故障和觸發(fā)控制故障時，子模塊故障判斷和就地保護策略。文獻(xiàn)[8]提出一種基于滑模觀測法的子模塊絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）開路故障診斷策略，在分析子模塊IGBT開路故障特性的基礎(chǔ)上，以橋臂電流為觀測量搭建滑模觀測器，快速檢測子模塊IGBT開路故障。文獻(xiàn)[9]提出一種基于排序法的電容電壓平衡算法的子模塊單管開路故障診斷方法。文獻(xiàn)[10]提出一種基于MMC子模塊電容電壓的新型微分欠電壓檢測方法，實現(xiàn)了對MMC故障子模塊的檢測，并利用小波變換進行故障IGBT的定位。文獻(xiàn)[11]提出一種基于改進預(yù)測模型的方法，通過比較橋臂電流預(yù)測值與測量值的差是否大于閾值來判斷故障，可以快速定位多個子模塊故障。以上文獻(xiàn)從理論分析和策略上給出了子模塊故障檢測、定位和保護措施，但對子模塊故障模擬及仿真技術(shù)提及較少。

目前，關(guān)于子模塊故障試驗的工程測試還比較缺乏，使用較多的還是基于實時仿真平臺的控制器硬件在環(huán)測試，將柔性直流控制保護系統(tǒng)接入半實物仿真平臺，對控制保護等關(guān)鍵設(shè)備進行測試和驗證，該測試技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)投運的多條柔性直流工程中得到應(yīng)用，并取得良好效果[12-13]。然而，基于數(shù)字實時仿真平臺的柔性直流控制保護閉環(huán)測試系統(tǒng)由于受到子模塊等效建模方法限制，無法精細(xì)模擬子模塊的詳細(xì)故障，如光纖故障、子模塊過電壓、旁路拒動等多種故障，現(xiàn)有方法僅能模擬子模塊故障的有無，而閥控保護邏輯與子模塊故障類型密切相關(guān)，因此能否有效模擬子模塊故障將會影響閥控保護功能測試。

本文針對目前閥控測試中存在的不足，提出一種詳細(xì)模擬MMC子模塊故障的測試方法。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)MMC子模塊故障模擬，能夠全面驗證閥控功能、性能及保護邏輯是否正確。

1 MMC子模塊故障類型

MMC子模塊拓?fù)淙鐖D1所示。MMC子模塊主要由二極管、IGBT器件、電容等構(gòu)成。MMC中每個橋臂串聯(lián)了大量的子模塊，因此子模塊出現(xiàn)故障的概率也高。從故障機理分析，子模塊故障主要有三種類型[14-16]：控制觸發(fā)故障、控制策略失效故障、子模塊元器件故障。

圖1 MMC子模塊拓?fù)?/p>

1）控制觸發(fā)故障。當(dāng)通信或者子模塊控制器的驅(qū)動設(shè)備發(fā)生故障時，會造成IGBT脈沖觸發(fā)有誤。脈沖信號觸發(fā)故障包括誤觸發(fā)和脈沖丟失，當(dāng)控制觸發(fā)故障發(fā)生時，造成的結(jié)果是應(yīng)當(dāng)關(guān)閉的IGBT導(dǎo)通、應(yīng)當(dāng)導(dǎo)通的IGBT關(guān)閉。假如在某一時刻子模塊上、下管同時導(dǎo)通而導(dǎo)致橋臂直通，此時回路的時間常數(shù)非常小，電容將通過回路快速釋放電能，造成子模塊電壓急劇降低，并導(dǎo)致較大的短路電流，若不能及時排除故障，將會導(dǎo)致元器件損壞；如果應(yīng)該導(dǎo)通的器件沒有導(dǎo)通可能導(dǎo)致整個子模塊的兩個IGBT器件都處于關(guān)斷狀態(tài)，雖然此種狀態(tài)下子模塊短時間內(nèi)能正常投入運行，但若不能及時發(fā)現(xiàn)，長期下去會使電流一直從與IGBT并聯(lián)的二極管通過，這會影響二極管的使用壽命，一旦二極管損壞，子模塊開路，則會破壞該橋臂的穩(wěn)定性，對整個系統(tǒng)造成影響。

2）控制策略失效故障。當(dāng)子模塊均壓策略失效時會造成子模塊過電壓故障。在MMC系統(tǒng)中，大量的子模塊串聯(lián)在橋臂上，控制策略失效故障使子模塊電容電壓不能保持很好的動態(tài)平衡狀態(tài)，容易造成子模塊處于過電壓狀態(tài)。

3）子模塊元器件故障。在子模塊工作過程中，IGBT器件可能會發(fā)生開路、短路等故障。IGBT開路故障與觸發(fā)脈沖失效的結(jié)果是一樣的，短路故障也可等效為脈沖誤觸發(fā)。

IGBT短路故障：半橋中任一IGBT短路，會引發(fā)對側(cè)IGBT導(dǎo)通時橋臂直通，此時回路的時間常數(shù)非常小，電容將通過回路快速釋放電能，電壓急劇降低，并導(dǎo)致較高幅值的短路電流，若不及時排除故障，將導(dǎo)致電力電子元器件的損壞。

IGBT開路故障：由圖1子模塊結(jié)構(gòu)可知，g1發(fā)生開路故障時，子模塊電容的放電回路被阻斷，電容無法對外電路進行放電。g2發(fā)生開路故障，當(dāng)流經(jīng)子模塊的電流arm＞0時，g2所在回路被阻斷，電流流通的路徑只剩下VD1，將對電容進行充電。無論g1還是g2發(fā)生開路故障，都將導(dǎo)致直流電容充放電異常，同時，由于投切異常，子模塊輸出電壓sm也與正常情況不一致，導(dǎo)致相間環(huán)流加劇。

2 子模塊故障設(shè)計

根據(jù)子模塊故障發(fā)生的情形，采用軟硬件結(jié)合的方法來實現(xiàn)場景模擬，對于通信中斷導(dǎo)致脈沖丟失的情況，設(shè)計光纖通信中斷程序，即當(dāng)子模塊正常運行時，人為將鏈路數(shù)據(jù)置0，此時控制器收不到數(shù)據(jù)，認(rèn)為發(fā)生光纖通信故障。

對于元器件損壞使IGBT開路和短路導(dǎo)致脈沖誤觸發(fā)的情況，設(shè)計IGBT和晶閘管誤動和拒動程序。

對于均壓控制策略失效導(dǎo)致的子模塊過電壓情況，通過軟件上開發(fā)的過電壓程序來模擬過電壓故障。

另外對功率板取能電源工作特性也進行了模擬，設(shè)計取能電源得電和失電程序，模擬在上電和失電情況下子模塊的運行狀態(tài)。

硬件設(shè)計思路是在原有仿真系統(tǒng)中加入一臺子模塊故障模擬裝置，該裝置基于現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）處理器，包括子模塊故障模擬、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、錄波和功率模塊接口功能。改進后的故障模擬系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 改進后的故障模擬系統(tǒng)

與原有的硬件系統(tǒng)相比，新的硬件系統(tǒng)在保證接口匹配和數(shù)據(jù)傳輸不受影響的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)多種故障場景的模擬，彌補現(xiàn)有測試方法中的缺陷。

下面分別從硬件和軟件兩個方面闡述設(shè)計思路。

2.1 子模塊故障硬件設(shè)計

硬件裝置包含18塊FPGA接口板，一塊FPGA錄波板、一塊FPGA主板及背板，內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接如圖3所示。

圖3 故障模擬硬件系統(tǒng)

主控板與外部通過6路高速小型可插拔（small formfactor pluggables, SFP）光纖通信，內(nèi)部通過背板與接口板通信，控制接口板的低速光纖收發(fā)。在測試階段，故障模擬程序會先在FPGA主板中運行，之后將處理結(jié)果發(fā)送給FPGA接口板，接口板通過低速光纖將數(shù)據(jù)信息一對一傳送給閥控通道。

此外，硬件系統(tǒng)還配置了上位機后臺，用于實現(xiàn)人機交互操作，與錄波板通過TCP/IP協(xié)議通信，在線配置故障類型并啟動故障命令。

2.2 子模塊故障軟件設(shè)計

針對不同的子模塊故障類型，在FPGA上開發(fā)了相應(yīng)的故障模擬程序，以下就子模塊不同故障類型實現(xiàn)方法進行說明。

1）電容電壓過電壓故障

子模塊過電壓一般是由于控制系統(tǒng)不穩(wěn)或者發(fā)生暫態(tài)故障時導(dǎo)致的過電壓沖擊。模擬過電壓故障，首先在上位機設(shè)置子模塊過電壓閾值，然后故障啟動，將該閾值發(fā)送給FPGA接口板。

FPGA接口板中的故障模擬程序?qū)碜苑抡婺Ｐ椭械淖幽K電壓值與閾值進行比較，當(dāng)大于閾值時，會產(chǎn)生過電壓狀態(tài)并將該信號發(fā)送給閥控裝置。

2）光纖通信故障

模擬上行光纖通信中斷故障，上行光纖通信故障為閥控系統(tǒng)接收通信故障，故障模擬程序?qū)?yīng)子模塊發(fā)送給閥控的數(shù)據(jù)置為0，此時閥控接收不到任何數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為上行光纖通信故障。

模擬下行光纖通信中斷故障，下行光纖通信故障為閥控系統(tǒng)發(fā)送通信故障，故障模擬程序收到閥控系統(tǒng)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)置0送往仿真機，表現(xiàn)為下行光纖通信故障。

3）取能電源特性模擬

柔性直流換流閥啟動或故障重啟時，只有當(dāng)功率模塊的電容電壓處于一定范圍內(nèi)，其控制板才能取電，并實現(xiàn)上下行通信。模擬裝置實時檢測各功率模塊的電容電壓，并在上位機界面設(shè)置閾值條件，分別為得電和失電數(shù)值。當(dāng)檢測到的電壓滿足得電閾值條件時，才開通其上下行通信。當(dāng)檢測到的電壓滿足失電閾值條件時，關(guān)閉上下行通信。

4）功率模塊控制板故障

功率模塊控制板在運行過程中可能會出現(xiàn)各種故障，造成功率模塊的誤動或拒動，影響設(shè)備的正常運行。功率模塊控制板故障包含IGBT拒動、誤動，晶閘管拒動、誤動。拒動的實現(xiàn)方法是接口模擬裝置在接收到閥控下發(fā)的命令后，不響應(yīng)命令。屏蔽收到的所有閥控命令，向模型發(fā)送保持上一次狀態(tài)的指令。誤動的實現(xiàn)方法是模擬裝置向模型發(fā)送的指令由人為設(shè)置，讓IGBT開關(guān)按照人為操作去動作。

以上即為模擬不同故障類型的實現(xiàn)方法。在實際應(yīng)用中，為了和實際現(xiàn)場盡量一致，會在FPGA接口板中嵌入閥控廠家的網(wǎng)表程序，以便模擬控制板功能。為了進一步闡述故障模擬原理，以下以子模塊過電壓故障為例，描述從上位機設(shè)置故障到故障觸發(fā)返回狀態(tài)的實現(xiàn)流程。

過電壓故障模擬流程如圖4所示。在仿真系統(tǒng)正常運行時，從上位機下發(fā)某個子模塊的過電壓故障指令，通過錄波板將故障指令傳入FPGA主板程序的對應(yīng)故障模擬模塊，程序收到指令后，會強行改變對應(yīng)子模塊故障狀態(tài)位，使該子模塊處于過電壓狀態(tài)。過電壓數(shù)據(jù)傳入FPGA接口板后，閥控網(wǎng)表就會監(jiān)測并判斷出子模塊過電壓狀態(tài)，網(wǎng)表程序在上報過電壓故障的同時，會快速地強制將正?？刂泼罡臑楣收峡刂泼睿瑥亩乖撨^電壓子模塊繼續(xù)運行。故障控制命令傳入FPGA主板后，再轉(zhuǎn)發(fā)并作用到仿真機中的MMC模型，使對應(yīng)子模塊的電壓逐步下降。FPGA主板程序會全程監(jiān)測過電壓故障置位到子模塊電壓下降的過程，模擬過程結(jié)束后再將過電壓數(shù)據(jù)通過錄波板回傳至上位機，供測試人員分析。

圖4 過電壓故障模擬流程

3 仿真試驗系統(tǒng)

柔性直流輸電（MMC-HVDC）半實物仿真系統(tǒng)如圖5所示，仿真系統(tǒng)由三部分組成：RT-LAB實時仿真平臺、子模塊故障模擬系統(tǒng)及實際工程控制保護裝置。

圖5 MMC-HVDC半實物仿真系統(tǒng)

MMC-HVDC模型在RT-LAB實時仿真平臺上運行，其中交直流主電路在CPU仿真上運行，MMC閥體在FPGA上運行。通過RT-LAB人機交互界面實現(xiàn)模型實時動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)視。

子模塊故障模擬系統(tǒng)包括故障模擬裝置和上位機，故障模擬裝置能夠?qū)崿F(xiàn)MMC子模塊故障模擬、提供功率模塊控制接口、實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換和錄波。上位機用于信號監(jiān)視、故障類型配置、啟動。

各系統(tǒng)之間的通信包括以下三個部分：

1）RT-LAB與故障模擬裝置之間采用高速Aurora協(xié)議，在上行通信過程中，故障模擬裝置負(fù)責(zé)將RT-LAB仿真數(shù)據(jù)發(fā)送給閥控裝置，包括子模塊電壓、橋臂電流、故障標(biāo)志位等。在下行通信過程中，故障模擬裝置負(fù)責(zé)將閥控裝置發(fā)送的每個子模塊的控制脈沖和旁路請求指令傳輸給RT-LAB仿真平臺，控制子模塊的導(dǎo)通和關(guān)斷。

2）故障模擬裝置與閥控之間的通信采用自定義光纖通信協(xié)議，故障模擬裝置通過低速光口與閥控裝置相連，其中每個子模塊對應(yīng)一對光纖（一收一發(fā)）。為了能與不同閥控廠商的設(shè)備對接，在故障模擬裝置FPGA程序中可以嵌入廠家的網(wǎng)表程序。

3）站級控制保護系統(tǒng)與RT-LAB通過IO接口通信，將仿真模型中的交流電壓、電流、橋臂電流、直流電壓、直流電流等數(shù)據(jù)傳遞給控保裝置，用于控制和后臺顯示。

4 試驗驗證

本文提出的子模塊故障模擬技術(shù)在柔性直流閥控裝置出廠測試環(huán)節(jié)得到了應(yīng)用和檢驗，該柔性直流系統(tǒng)采用MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主回路參數(shù)見表1。試驗系統(tǒng)基于RT-LAB仿真平臺，采用上述通信接口搭建，開展模塊過電壓故障、上行光纖通信故障、取能電源特性模擬和控制板故障試驗。

表1 主回路參數(shù)

1）模塊過電壓故障。在故障模擬裝置上位機后臺設(shè)置子模塊過電壓閾值，充電過程中當(dāng)子模塊電壓大于設(shè)定的閾值電壓時，過電壓保護動作，系統(tǒng)向控制器發(fā)送故障位狀態(tài)字，控制器收到反饋后下發(fā)旁路指令，相應(yīng)子模塊被旁路。

試驗過程：不控充電階段，將A相上橋臂第5個子模塊設(shè)置1 000V過電壓閾值，當(dāng)充電超過閾值電壓時過電壓保護動作，子模塊被旁路并進入放電過程，電壓下降。子模塊過電壓故障波形如圖6所示。

圖6 子模塊過電壓故障波形

2）上行光纖通信故障。其原理是發(fā)生故障時，將故障模擬裝置內(nèi)網(wǎng)表中的光纖發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)置為0，閥控接收不到數(shù)據(jù)，顯示上行通信故障。控制器檢測到上行光纖通信故障后，發(fā)出旁路指令給對應(yīng)子模塊，相應(yīng)子模塊電壓開始下降。

試驗過程：靜止同步補償器（STATCOM）穩(wěn)態(tài)運行階段，設(shè)置B相上橋臂第3到第8個子模塊上行光纖通信故障，并在1.2s時啟動故障，發(fā)出旁路指令給相應(yīng)的子模塊，對應(yīng)子模塊旁路后電壓開始下降。子模塊上行光纖通信故障波形如圖7所示。

圖7 子模塊上行光纖通信故障波形

3）取能電源特性模擬。對子模塊取能電源特性進行模擬，在上位機后臺分別設(shè)置得電和失電閾值，子模塊電壓上升階段，當(dāng)電容電壓低于得電閾值時，閥控接收到的電壓為0；當(dāng)超過該閾值時，閥控接收到的電壓為實際值。在子模塊電壓下降階段，當(dāng)電容電壓高于失電閾值時，閥控接收到的電壓為實際值；當(dāng)?shù)陀谠撻撝禃r，閥控接收到的電壓為0，且延遲10ms后，切斷模塊上下行光纖通信。

試驗過程：子模塊充電階段，設(shè)置B相上橋臂第1個子模塊得電閾值電壓為500V，設(shè)置失電閾值電壓為300V。在交流開關(guān)合閘后，當(dāng)檢測到子模塊電壓大于500V時，將實際電壓送給閥控。斷開交流開關(guān)，當(dāng)子模塊電壓小于300V時，閥控接收到的電壓為0，延遲10ms后關(guān)閉光纖通信。子模塊取能電源特性模擬試驗波形如圖8所示。

圖8 子模塊取能電源特性模擬試驗波形

4）控制板故障。該試驗?zāi)MIGBT的拒動、誤動情況，以及晶閘管旁路的誤動和拒動情況。拒動是指子模塊不響應(yīng)閥控指令，閥控向模型發(fā)送的狀態(tài)保持上一次的數(shù)據(jù)直到故障清除。誤動是指人工輸入閥控指令，讓子模塊按照人為的操作打開和關(guān)閉，以下給出兩種典型試驗。

（1）IGBT誤動測試

不控充電階段，設(shè)置C相上橋臂第10個子模塊g1誤動故障，g1人為輸入導(dǎo)通指令。充電過程中該子模塊電壓為0，其他子模塊電壓充電正常。清除故障后，被誤動的子模塊電壓開始升高到與其他子模塊保持一致。IGBT誤動故障波形如圖9所示。

圖9 IGBT誤動故障波形

（2）晶閘管旁路拒動測試

在STATCOM運行階段，C相上橋臂前兩個子模塊設(shè)置旁路拒動故障，其他子模塊正常旁路?？刂破靼l(fā)送旁路指令后，前兩個子模塊電壓持續(xù)上升，清除旁路拒動故障后，前兩個子模塊電壓開始下降。晶閘管拒動故障波形如圖10所示。

圖10 晶閘管拒動故障波形

5 結(jié)論

本文針對目前柔性直流工程控制保護裝置硬件在環(huán)測試方法無法精確模擬子模塊故障的情況，提出了一種基于故障模擬裝置的MMC子模塊故障仿真試驗技術(shù)，該技術(shù)在傳統(tǒng)硬件在環(huán)測試的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對子模塊的詳細(xì)故障模擬，彌補了現(xiàn)有測試手段存在的不足，進一步提升了閥控功能測試和保護邏輯驗證功能，試驗結(jié)果表明該仿真技術(shù)有效。

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Fault simulation method for sub-module in modular multilevel converter

ZOU Yijun WEI Mingyang

(Shanghai KeLiang Information Technology Co., Ltd, Shanghai 200233)

The control and protection device, as the key equipment to realize rapid protection in the operation and fault of flexible DC system,, needs to be fully tested before being put into operation. The existing method is based on a real-time simulation platform for controller-in-the-loop testing. However, this test method cannot simulate the physical structure of the sub-module in detail because the modular multilevel converter (MMC) sub-module adopts an equivalent modeling method, so it cannot effectively detect the failure of the sub-module. Simulation affects the comprehensive verification of the valve control function. In order to solve the above problems, this paper proposes a sub-module fault simulation technology, which is to add a fault simulation device to the existing test method, which can realize the sub-module fault simulation and make up for the defects of the existing test method. Finally, the joint test results in the laboratory prove its correctness and validity.

modular multilevel converter (MMC); real-time simulation platform; sub-module; hardware in the loop; fault simulation

2021-11-30

2021-12-17

鄒毅軍（1975—），男，碩士，高級工程師，研究方向為分布式新能源發(fā)電與綜合能源系統(tǒng)。