基于CPS-SPWM調(diào)制方法的MMC-HVDC輸電系統(tǒng)冗余保護(hù)策略研究

胡 益， 王曉茹， 胡柏瑋

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

基于CPS-SPWM調(diào)制方法的MMC-HVDC輸電系統(tǒng)冗余保護(hù)策略研究

胡 益， 王曉茹， 胡柏瑋

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

子模塊故障是模塊化多電平換流器高壓直流輸電(MMC-HVDC)系統(tǒng)最常見故障之一。為保證子模塊故障后MMC-HVDC系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，本文首先對(duì)子模塊故障后橋臂電流、橋臂間環(huán)流及直流側(cè)電流的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，確定了MMC子模塊容錯(cuò)方案；然后將子模塊冗余控制與帶有電容均壓控制和環(huán)流抑制控制的載波相移脈寬調(diào)制(CPS-SPWM)方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于電容電壓平衡控制CPS-SPWM的冗余保護(hù)策略；最后在PSCAD/EMTDC中搭建雙端10電平的MMC-HVDC輸電系統(tǒng)模型。通過對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真以及子模塊故障時(shí)的暫態(tài)對(duì)比仿真，驗(yàn)證了本文所提出的冗余保護(hù)策略的正確性和有效性。

MMC-HVDC； 容錯(cuò)方案； 電容均壓控制； 環(huán)流抑制控制； CPS-SPWM； 冗余保護(hù)策略

1 引言

模塊化多電平換流器(MMC)是電壓源換流器(VSC)的一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]。它采用了模塊化結(jié)構(gòu)，通過子模塊級(jí)聯(lián)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)VSC開關(guān)元件的直接連接，具有電平拓展方便、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、輸出電壓電平數(shù)多、開關(guān)頻率低等特點(diǎn)[2,3]。因此已成為HVDC領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)[4-6]。

目前，已有許多專業(yè)學(xué)者進(jìn)行了MMC在HVDC輸電系統(tǒng)中應(yīng)用的研究，其主要是集中在MMC數(shù)學(xué)模型研究、MMC調(diào)制策略研究、MMC相間環(huán)流抑制策略研究、MMC子模塊電容電壓平衡控制策略研究等方面[7-10]。由于MMC的每個(gè)橋臂都由大量的子模塊級(jí)聯(lián)而成，因此每一個(gè)子模塊的運(yùn)行狀態(tài)都會(huì)關(guān)系到橋臂上的電壓、電流等電氣量，從而會(huì)影響到整個(gè)MMC的運(yùn)行狀態(tài)，降低模塊化多電平換流器高壓直流輸電(MMC-HVDC)系統(tǒng)的可靠性[11]。由此可見，關(guān)于MMC子模塊故障的保護(hù)控制研究是非常重要的，而目前在這方面的研究還比較少。

MMC的容錯(cuò)保護(hù)策略一般建立在橋臂上級(jí)聯(lián)冗余備用子模塊基礎(chǔ)上，利用適當(dāng)?shù)娜哂啾Ｗo(hù)控制策略,使得MMC系統(tǒng)在子模塊發(fā)生故障時(shí)，仍然能夠利用冗余子模塊正常運(yùn)行，從而提高M(jìn)MC-HVDC輸電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。MMC的冗余保護(hù)策略與MMC的調(diào)制方式有直接的關(guān)系，目前用于MMC最常見的調(diào)制方式有兩類：電壓逼近調(diào)制方法[11]和移相載波脈寬調(diào)制方法[12]。由于電壓逼近調(diào)制方法本身就有對(duì)子模塊電容電壓排序的過程，因此其冗余保護(hù)策略的實(shí)現(xiàn)相對(duì)較簡(jiǎn)單。文獻(xiàn)[11]提出了一種冷備用的子模塊冗余保護(hù)方案，但該方案在子模塊故障投入備用冗余子模塊時(shí)需要對(duì)冗余子模塊進(jìn)行充電，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的暫態(tài)過程。文獻(xiàn)[13]則在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上，提出一種對(duì)MMC影響較小的子模塊熱備用容錯(cuò)方案，并且針對(duì)該方案存在的缺點(diǎn)提出了基于橋臂能量平衡的冗余容錯(cuò)控制策略來抑制直流電流的波動(dòng)。文獻(xiàn)[14]在MMC橋臂的不對(duì)稱運(yùn)行數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)基礎(chǔ)上，從調(diào)制波基頻分量幅值的角度分析了采取容錯(cuò)控制策略的系統(tǒng)性能，從電容電壓波動(dòng)的角度分析了系統(tǒng)所能允許的最大故障子模塊個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于電壓逼近調(diào)制方法的冗余保護(hù)策略。而載波相移脈寬調(diào)制(CPS-SPWM)方法是通過每個(gè)子模塊對(duì)應(yīng)的載波與調(diào)制波比較來產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的，無(wú)電容電壓排序的過程，因而它的容錯(cuò)策略設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，這也導(dǎo)致了基于CPS-SPWM調(diào)制方法的MMC子模塊冗余保護(hù)策略的研究目前幾乎沒有。

在此背景下，本文首先通過MMC子模塊故障對(duì)橋臂電流、橋臂間環(huán)流及直流側(cè)電流的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，確定容錯(cuò)方案。然后提出了一種基于CPS-SPWM調(diào)制方法的MMC子模塊冗余保護(hù)策略，該策略將子模塊冗余控制與基于電容電壓平衡控制的CPS-SPWM調(diào)制方法[15]相結(jié)合，不僅能夠解決冗余子模塊投運(yùn)時(shí)的載波動(dòng)態(tài)再分配問題，還能保證MMC子模塊故障過程中系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。最后在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建具有本文所設(shè)計(jì)容錯(cuò)能力的MMC，并且將其應(yīng)用到MMC-HVDC輸電系統(tǒng)中。通過對(duì)MMC-HVDC輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的仿真分析，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的容錯(cuò)保護(hù)策略的有效性和準(zhǔn)確性。

2 MMC的基本工作原理

在MMC-HVDC輸電系統(tǒng)中，最核心的部分是三相模塊化多電平換流器(MMC)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 MMC topology structure

MMC具有6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由N+M個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)而成(其中N、M分別為橋臂工作時(shí)最多所需投入的子模塊數(shù)和冗余備用子模塊數(shù))，每一相上下兩個(gè)橋臂和在一起稱為一個(gè)相單元。圖1中，uux、ulx、iux、ilx(x=a，b，c)分別為上橋臂、下橋臂的電壓與電流，ux、ix分別為MMC橋臂輸出端交流電壓和交流電流，L0、R0分別為橋臂電感與橋臂電阻，usx為交流側(cè)電源電壓，Udc、Idc分別為直流側(cè)電壓與電流，L、R分別為交流電感與等效交流電阻，C為子模塊電容值。

每個(gè)MMC子模塊均由兩個(gè)IGBT、兩個(gè)與之反并聯(lián)的二極管、一個(gè)電容器以及一個(gè)旁路開關(guān)構(gòu)成。當(dāng)子模塊的旁路開關(guān)斷開時(shí)，子模塊處于正常運(yùn)行狀態(tài)。如果正常運(yùn)行的子模塊發(fā)生故障，則閉合其旁路開關(guān)，此時(shí)子模塊就從正常運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入到冗余備用狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)下，根據(jù)IGBT1和IGBT2的導(dǎo)通情況，MMC子模塊有以下三種運(yùn)行狀態(tài)：

(1)投入狀態(tài)。如圖2(a)所示，當(dāng)IGBT1導(dǎo)通，并且IGBT2關(guān)斷時(shí)，電流正向流經(jīng)D1對(duì)電容充電或者反向流經(jīng)IGBT1讓電容放電。

(2)關(guān)斷狀態(tài)。如圖2(b)所示，當(dāng)IGBT1關(guān)斷，并且IGBT2導(dǎo)通時(shí)，電流正向流經(jīng)IGBT2或者反向流經(jīng)D2，電容既不充電也不放電。

(3)閉鎖狀態(tài)。如圖2(c)所示，當(dāng)IGBT1和IGBT2均關(guān)斷時(shí)，電流正向流經(jīng)D1對(duì)電容充電，或者反向流經(jīng)D2，電容即不充電也不放電。

圖2 子模塊運(yùn)行狀態(tài)Fig.2 Operating status of sub-modules

3 MMC子模塊容錯(cuò)方案

MMC最大的優(yōu)點(diǎn)是模塊化構(gòu)造，其可以很方便地?cái)U(kuò)展到各種電壓等級(jí)?；贛MC這樣的優(yōu)點(diǎn)，MMC的容錯(cuò)保護(hù)策略一般是在橋臂上級(jí)聯(lián)冗余備用子模塊。

MMC正常運(yùn)行時(shí)，三相橋臂分別是對(duì)稱的，因此只以a相橋臂為例。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，設(shè)icira為a相單元環(huán)流，則有：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可以得到環(huán)流的表達(dá)式：

(3)

由于三相的對(duì)稱性，直流電壓在三個(gè)相單元之間平均分配，則有：

(4)

(5)

由圖1中MMC的a相上、下橋臂拓?fù)鋱D，可以得到a相橋臂的數(shù)學(xué)模型：

(6)

(7)

設(shè)系統(tǒng)交流側(cè)電壓和電流為：

ua=Uacosωt

(8)

ia=Iacos(ωt+φ)

(9)

根據(jù)文獻(xiàn)[16]可知，電壓調(diào)制比k、電流調(diào)制比m的定義分別為：

(10)

(11)

因此根據(jù)式(6)、式(7)、式(8)和式(10)，可以得到上、下橋臂的電壓分別為：

(12)

(13)

同理，根據(jù)式(4)、式(5)、式(9)和式(11)可以得到上、下橋臂的電流分別為：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中，Nsum為上、下橋臂子模塊總數(shù)；uduai和udlai分別為a相上、下橋臂中第i個(gè)子模塊電壓。

由于本文所采用的CPS-SPWM調(diào)制方法結(jié)合了電容電壓平衡控制，因此可以假設(shè)MMC中每個(gè)橋臂上的子模塊電容電壓均勻分布。則式(16)和式(17)可以表示為：

(18)

(19)

式中，udua和udla分別為a相上、下橋臂任意子模塊電壓。

假設(shè)開關(guān)頻率無(wú)窮大，定義上、下橋臂的連續(xù)開關(guān)函數(shù)Sua和Sla分別為[13]：

(20)

(21)

此時(shí)，流過子模塊電容電流與橋臂電流應(yīng)滿足：

(22)

(23)

式中，idua和idla分別為上、下橋臂子模塊電容電流。

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

考慮到L0和R0均取值很小，所以可以忽略式(24)和式(25)的方程右邊第二項(xiàng)。因此，可以將a相上、下橋臂能量和表示為：

(26)

(27)式中，Ucrefu、Ucrefl分別為上橋臂、下橋臂額定電容電壓。

由式(26)和式(27)可以看出，上、下橋臂的能量由平均值和波動(dòng)量構(gòu)成。子模塊全部正常運(yùn)行時(shí)，各橋臂平均能量相等。顯然，當(dāng)有橋臂出現(xiàn)子模塊故障時(shí)，此橋臂的能量平均值將小于其他橋臂，這會(huì)造成此橋臂電壓波動(dòng)幅度增大、橋臂電流畸變、相間環(huán)流畸變、三相環(huán)流不對(duì)稱，最終引起直流側(cè)電流電壓波動(dòng)。

根據(jù)以上分析本文采用的容錯(cuò)方案為：當(dāng)MMC子模塊正常工作時(shí)，冗余子模塊不參與到正常工作中；當(dāng)MMC子模塊故障時(shí)，立即旁路故障子模塊，同時(shí)將同橋臂的冗余子模塊代替故障子模塊，保證MMC上下橋臂子模塊總數(shù)相等，各橋臂平均能量相等，保證系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 MMC子模塊容錯(cuò)策略設(shè)計(jì)

4.1 移相載波的動(dòng)態(tài)分配策略

針對(duì)移相載波調(diào)制策略中的冗余子模塊投入運(yùn)行時(shí)的載波分配問題，本文設(shè)計(jì)了靈活的動(dòng)態(tài)載波分配器，根據(jù)子模塊旁路開關(guān)的狀態(tài)對(duì)正常運(yùn)行子模塊、故障子模塊以及冗余子模塊之間狀態(tài)切換的載波進(jìn)行動(dòng)態(tài)再分配。

為了清晰描述本文所設(shè)計(jì)移相載波的動(dòng)態(tài)分配策略，首先定義了一些相關(guān)變量，如表1所示。

本文設(shè)計(jì)的移相載波動(dòng)態(tài)分配器基于MMC單個(gè)橋臂進(jìn)行，其基本原理為：首先根據(jù)橋臂上N+M個(gè)子模塊各自的旁路開關(guān)狀態(tài)Ki，將相差為(2π/N)rad的N個(gè)載波分配給處于正常工作狀態(tài)的N個(gè)子模塊，同時(shí)將會(huì)產(chǎn)生閉鎖觸發(fā)信號(hào)的M個(gè)載波Tcp分配給其余M個(gè)冗余子模塊；如果檢測(cè)到第i個(gè)子模塊發(fā)生故障，立即閉合其旁路開關(guān)，將其記錄到故障記錄數(shù)組a[N]中，以便檢修人員檢修，然后將會(huì)產(chǎn)生閉鎖觸發(fā)信號(hào)的載波Tcp分配給第i個(gè)子模塊，使該故障子模塊進(jìn)入冗余狀態(tài)。與此同時(shí)按順序?qū)個(gè)冗余子模塊的第1個(gè)子模塊旁路開關(guān)打開；考慮到該冗余子模塊的電容電壓還未達(dá)到額定值，先仍保持其原來的閉鎖載波Tcp，使其處于閉鎖充電狀態(tài)，直到檢測(cè)到該冗余子模塊的電容電壓達(dá)到額定值，再將其視為正常工作子模塊，給其動(dòng)態(tài)分配移相載波。

表1 相關(guān)變量的定義Tab.1 Definition of relevant variables

圖3 載波分配器的工作流程圖Fig.3 Flow chart of carrier distributor

根據(jù)移相載波動(dòng)態(tài)分配的基本原理，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)動(dòng)態(tài)載波分配器，不論是第i個(gè)子模塊故障，還是同時(shí)有多個(gè)子模塊故障(故障子模塊數(shù)目小于冗余備用子模塊數(shù)目)，或者是連續(xù)多個(gè)子模塊故障，都能靈活地實(shí)現(xiàn)子模塊故障容錯(cuò)，其具體工作如圖3所示?？梢钥闯觯?dāng)用某個(gè)冗余子模塊替換故障子模塊時(shí)會(huì)存在兩個(gè)問題：①冗余子模塊電容在替換故障子模塊前存在一個(gè)短暫的閉鎖充電過程，在這個(gè)過程中正常工作的子模塊數(shù)為N-1個(gè)；②在故障子模塊旁路開關(guān)閉合時(shí)，部分(甚至全部)正常子模塊的載波會(huì)發(fā)生改變。

針對(duì)動(dòng)態(tài)載波分配器存在的這兩個(gè)問題以及MMC自身固有的相單元間環(huán)流問題，本文采用基于電容電壓平衡控制的CPS-SPWM策略[15]。以a相上橋臂為例，其最終的調(diào)制波uuai為：

(28)

式中，uua為a相橋臂子模塊的基本調(diào)制波，是由DQ解耦控制得到的每個(gè)子模塊的共同基本正弦調(diào)制波；Ucira為環(huán)流抑制控制量，由環(huán)流抑制控制器得到；Uvbai為第i個(gè)子模塊的電容均壓控制量，由電容均壓控制器得到。

由于基于電容電壓平衡控制的CPS-SPWM策略具有電容均壓控制作用和環(huán)流抑制作用，使得這些問題并不會(huì)對(duì)橋臂輸出電壓產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)，系統(tǒng)的電壓和電流等電氣量也并不會(huì)隨著每個(gè)子模塊載波的變化而產(chǎn)生明顯的變化。

4.2 帶冗余保護(hù)的CPS-SPWM調(diào)制策略

在利用載波動(dòng)態(tài)分配器的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于電容電壓平衡控制的CPS-SPWM調(diào)制策略，本文設(shè)計(jì)了帶有冗余保護(hù)的CPS-SPWM策略。以a相橋臂為例，該策略的具體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示。其中，F(xiàn)p1i為第i子模塊的上IGBT(T1)觸發(fā)脈沖；Fp2i為第i子模塊的下IGBT(T2)觸發(fā)脈沖。

5 仿真分析

5.1 MMC-HVDC系統(tǒng)仿真模型

圖4 冗余保護(hù)策略工作流程圖Fig.4 Flow chart of redundant protection strategy

為驗(yàn)證本文所提出基于電容電壓平衡控制CPS-SPWM的冗余保護(hù)策略的正確性和有效性，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了雙端10電平的MMC-HVDC輸電系統(tǒng)模型，此模型采用DQ解耦控制作為基本控制策略，同時(shí)采用基于電容電壓平衡控制CPS-SPWM的冗余保護(hù)策略。其中，MMC-HVDC輸電系統(tǒng)的整流站采用定直流電壓控制(參考值25kV)和無(wú)功率控制(參考值3Mvar)，逆變站采用定有功功率控制(參考值10MW)和無(wú)功功率控制(3Mvar)，系統(tǒng)具體參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 系統(tǒng)參數(shù)表Tab.2 System parameter table

5.2 MMC-HVDC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真分析

MMC-HVDC系統(tǒng)工作在正常工況時(shí)，本模型采用10電平的CPS-SPWM調(diào)制方法，并且有效地結(jié)合了電容均壓和環(huán)流抑制控制策略，其穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，系統(tǒng)正常工作時(shí)，直流側(cè)電壓能夠準(zhǔn)確地穩(wěn)定在整流站設(shè)定參考電壓值上，逆變站的有功功率和無(wú)功功率也均能夠準(zhǔn)確地跟蹤其設(shè)定值，并且a相上橋臂電流和直流側(cè)電流都能夠維持穩(wěn)定。驗(yàn)證了本模型具有很好的穩(wěn)定性。

圖5 MMC-HVDC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果Fig.5 Steady-state simulation results of MMC-HVDC system

5.3 MMC-HVDC系統(tǒng)暫態(tài)仿真分析

MMC-HVDC系統(tǒng)工作在子模塊出現(xiàn)故障工況下，設(shè)置在t=1.5s時(shí)，整流站a相上橋臂的第5個(gè)子模塊出現(xiàn)故障?？紤]實(shí)際情況，設(shè)置當(dāng)檢測(cè)到故障信號(hào)后，延遲5ms，故障子模塊旁路開關(guān)才閉合。在此工況下，為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的子模塊冗余保護(hù)策略的有效性，將有、無(wú)子模塊冗余保護(hù)策略進(jìn)行對(duì)比仿真，暫態(tài)仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 MMC-HVDC系統(tǒng)暫態(tài)仿真結(jié)果Fig.6 Transient simulation results of MMC-HVDC system

由圖6(a)～圖6(c)可知，在t=1.5s子模塊出現(xiàn)故障，此時(shí)故障子模塊旁路開關(guān)并未閉合，其電容電壓、T1觸發(fā)信號(hào)以及載波信號(hào)均未改變。延遲到t=1.55s時(shí)，故障子模塊旁路開關(guān)閉合，其電容電壓降為0，T1觸發(fā)信號(hào)以及載波信號(hào)均被閉鎖，與此同時(shí)備用子模塊電容由初始充電電壓開始充電，備用子模塊T1觸發(fā)信號(hào)和載波信號(hào)均處于閉鎖狀態(tài)。直到t=1.63s時(shí)，電容電壓達(dá)到額定電壓，備用子模塊開始接收觸發(fā)信號(hào)正常工作。通過圖6(c)～圖6(i)的對(duì)比仿真結(jié)果可見，當(dāng)采用本文所設(shè)計(jì)的子模塊容錯(cuò)策略時(shí)，在t=1.5s故障發(fā)生后，MMC-HVDC系統(tǒng)的直流電壓、直流電流、a相上橋臂電流均出現(xiàn)短時(shí)的波動(dòng)，這也導(dǎo)致逆變站有功功率和無(wú)功功率出現(xiàn)微小的波動(dòng)，但本文容錯(cuò)策略很快使整個(gè)系統(tǒng)又恢復(fù)了正常運(yùn)行，保證了故障后系統(tǒng)各電氣量均維持不變。系統(tǒng)沒有采用任何子模塊容錯(cuò)策略時(shí)，在t=1.5s故障發(fā)生后，MMC-HVDC系統(tǒng)的直流電壓、直流電流均出現(xiàn)較大的振蕩，并且其振蕩有逐漸增大的趨勢(shì)，這也使得逆變站有功功率和無(wú)功功率出現(xiàn)一定范圍的振蕩。同時(shí)a相上橋臂電流在故障之后出現(xiàn)明顯的波形畸變，使得a相上下橋臂電流出現(xiàn)明顯不對(duì)稱，橋臂間環(huán)流逐漸增大。因此，通過對(duì)比仿真驗(yàn)證了本文所提出的基于CPS-SPWM調(diào)制方法的冗余保護(hù)策略的有效性和優(yōu)越性。

6 結(jié)論

(1)本文以MMC橋臂數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，對(duì)子模塊故障后橋臂電流、橋臂間環(huán)流及直流側(cè)電流的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，經(jīng)過各方面對(duì)比確定了MMC子模塊容錯(cuò)方案。

(2)本文在基于電容電壓平衡控制的CPS-SPWM調(diào)制方法上，重新設(shè)計(jì)了載波分配器，將帶有電容均壓控制和環(huán)流抑制控制的CPS-SPWM調(diào)制方法與子模塊容錯(cuò)策略結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了基于電容電壓平衡控制CPS-SPWM的冗余保護(hù)策略。

(3)本文利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了帶有冗余子模塊的雙端10電平MMC-HVDC輸電系統(tǒng)模型。通過對(duì)所搭建的模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，驗(yàn)證了所搭建模型具有很好的穩(wěn)定性；同時(shí)通過子模塊故障時(shí)的暫態(tài)對(duì)比仿真，驗(yàn)證了本文所提出的基于電容電壓平衡控制CPS-SPWM的冗余保護(hù)策略的正確性和有效性。

[1] 管敏淵, 徐政(Guan Minyuan, Xu Zheng). 向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電的 MMC 型直流輸電系統(tǒng)建模與控制(Modeling and control of modular multilevel converter based VSC-HVDC system connected to passive networks)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society), 2013, 28(2): 255-263.

[2] 陸翌, 王朝亮, 彭茂蘭, 等(Lu Yi, Wang Chaoliang, Peng Maolan, et al.). 一種模塊化多電平換流器的子模塊優(yōu)化均壓方法(An optimized method for balancing sub-module voltages in modular multilevel converter)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems), 2014, 38(3): 52-58.

[3] 趙成勇, 陳曉芳, 曹春剛, 等(Zhao Chengyong, Chen Xiaofang, Cao Chungang, et al.). 模塊化多電平換流器 HVDC 直流側(cè)故障控制保護(hù)策略(Control and protection strategies for MMC-HVDC under DC fault)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems), 2011, 35(23): 82-87.

[4] 李探,趙成勇, 王朝亮, 等(Li Tan, Zhao Chengyong, Wang Chaoliang, et al). 用于電網(wǎng)黑啟動(dòng)的 MMC-HVDC 系統(tǒng)換流站啟動(dòng)策略(Startup schemes for converter station of MMC-HVDC system applied in grid black star)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems), 2013, 37(9): 117-122.

[5] 陳鶴林, 徐政, 唐庚, 等(Chen Helin, Xu Zheng, Tang Geng, et al.). 海上風(fēng)電場(chǎng) MMC-HVDC 并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)行為分析(Transient behavior analysis of offshore wind farm integration system with MMC-HVDC)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems), 2014, 38(12): 112-118.

[6] 李探,趙成勇, 李路遙, 等(Li Tan, Zhao Chengyong, Li Luyao, et al.). MMC-HVDC 子模塊故障診斷與就地保護(hù)策略(Sub-module fault diagnosis and the local protection scheme for MMC-HVDC system)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE), 2014, 34(10): 1641-1649.

[7] 王姍姍, 周孝信, 湯廣福(Wang shanshan, Zhou Xiaoxin, Tang Guangfu). 模塊化多電平電壓源換流器的數(shù)學(xué)模型(Modeling of modular multi-level voltage source converter) [J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE), 2011, 31(24): 1-8.

[8] 王鵬伍,崔翔(Wang Pengwu, Cui Xiang). MMC-HVDC 三相解耦二次諧波環(huán)流抑制算法(Three phases decoupled second harmonic circulation current suppression algorithm for MMC-HVDC)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems), 2013, 37(15): 47-52.

[9] M Hagiwara, R Maeda, H Akagi. Theoretical analysis and control of the modular multilevel cascade converter based on double-star chopper-cells (MMCC-DSCC)[A]. 9th International Power Electronics Conference[C]. Sapporo, Japan, 2010. 2029-2036.

[10] 管敏淵,徐政,屠卿瑞,等(Guan Minyuan, Xu Zheng, Tu Qingrui, et al).模塊化多電平換流器型直流輸電的調(diào)制策略(Nearest level modulation for modular multilevel converters in HVDC transmission)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems), 2010, 34(2): 48-52.

[11] 管敏淵, 徐政(Guan Minyuan, Xu Zheng). 模塊化多電平換流器子模塊故障特性和冗余保護(hù)(Redundancy protection for sub-module faults in modular multilevel converter[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems), 2011, 35(16): 94-98.

[12] M Hagiwara, H Akagi. Control and experiment of pulse width-modulated modular multilevel converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(7): 1737-1746.

[13] 胡鵬飛, 江道灼, 周月賓, 等(Hu Pengfei, Jiang Daozhuo, Zhou Yuebin,et al.). 模塊化多電平換流器子模塊故障冗余容錯(cuò)控制策略(Redundancy fault-tolerated control strategy for sub-module faults of modular multilevel converters)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems), 2013, 37(15): 66-70.

[14] 江麗麗, 馬文忠, 李林歡, 等(Jiang Lili, Ma Wenzhong, Li Linhuan,et al.). 模塊化多電平換流器的容錯(cuò)控制策略(A fault-tolerant control strategy of modular multi-level converters)[J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2014, 38(9): 2497-2503.

[15] 趙昕, 趙成勇, 李廣凱, 等(Zhao Xin, Zhao Chengyong, Li Guangkai,et al.). 采用載波移相技術(shù)的模塊化多電平換流器電容電壓平衡控制(Submodule capacitance voltage balancing of modular multilevel converter based on carrier phase shifted SPWM technique)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE), 2011, 31(21): 48-55.

[16] Q Tu, Z Xu. Impact of sampling frequency on harmonic distortion for modular multilevel converter[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(1): 298-306.

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?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娺\(yùn)行與控制技術(shù)； 王曉茹(1962-)， 女， 重慶籍， 教授， 博士生導(dǎo)師， 研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與安全穩(wěn)定控制。

TM72

A

1003-3076(2016)10-0009-08