基于殘差分析的MMC子模塊故障定位

徐 恒，劉振興

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢，430081）

基于殘差分析的MMC子模塊故障定位

徐 恒，劉振興

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢，430081）

針對采用最近電平逼近調(diào)制（NLM）方式的模塊化多電平換流器（MMC）系統(tǒng)，提出一種新的子模塊故障定位方法。將給定的NLM階梯波波形作為參考，與MMC輸出的故障電壓波形進行比較而構(gòu)成殘差，通過殘差分析并結(jié)合子模塊位置信息可以實現(xiàn)故障子模塊的快速定位。在MATLAB/Simulink仿真平臺中搭建了9電平MMC逆變器系統(tǒng)，仿真結(jié)果驗證了該故障定位方法的有效性。

模塊化多電平換流器；最近電平逼近調(diào)制；子模塊；故障定位；殘差分析

模塊化多電平換流器（module multi-level converter，MMC）是柔性直流輸電中高壓交流傳動系統(tǒng)電路的主要構(gòu)成方式。相比于傳統(tǒng)的2電平、3電平的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，MMC因其可擴展性強、輸出電平數(shù)高、功率因數(shù)高、輸出電壓諧波小等多項優(yōu)勢而具有很好的應(yīng)用前景。

MMC由大量的子模塊（sub-module，SM）所構(gòu)成，因此對子模塊故障定位的研究顯得尤為重要。文獻［1］對MMC子模塊元件短路故障機理進行了分析，并通過增加器件的方法來對子模塊進行保護，產(chǎn)生了一定的效果，但是該研究沒有考慮所增加器件的失效問題；文獻［2-5］提出了多種MMC子模塊的故障診斷和保護方法，其基本原理都是對每一個子模塊配備一個監(jiān)控單元，這對于電平數(shù)不高的系統(tǒng)來說還是可行的，但是對于高電平、多子模塊的MMC系統(tǒng)來說則極為不經(jīng)濟，因此需要探索其他更加經(jīng)濟而又快速、準(zhǔn)確的子模塊故障診斷方法。

本文針對采用最近電平逼近調(diào)制（nearest level modulation，NLM）策略［6］的MMC系統(tǒng)，提出一種基于殘差分析的子模塊故障定位方法。首先對每一相的各個子模塊進行編號，然后將子模塊故障狀態(tài)下的系統(tǒng)輸出波形與給定階梯波的波形進行比較，根據(jù)兩者之間的殘差通過子模塊故障定位器進行故障定位，從而可以通過控制單元來進行子模塊的切除與替換。

1　MMC運行原理

對于一個N+1電平的MMC逆變系統(tǒng)，每一相都有上、下兩個橋臂，每個橋臂都由一個限流電抗器與N個子模塊串聯(lián)而成。子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。通過對子模塊IGBT元器件的通斷進行控制，實現(xiàn)如表1所示的子模塊工作狀態(tài)（其中0、1表示二極管和IGBT的關(guān)斷和導(dǎo)通），從而達到輸出電平數(shù)的疊加，最后得到理想的輸出波形（一般為工頻正弦波）。

圖1　MMC子模塊的電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Circuit structure of MMC sub-module

表1　MMC子模塊的工作模式Table 1 Working modes of MMC sub-module

MMC正常工作必須滿足兩個條件:①維持直流電壓，即三個相單元在任意時刻投入的子模塊都相等；②任意時刻投入的子模塊都為N個，即該相單元全部子模塊的一半。此時MMC整流器輸出達到額定電壓Udc，輸出的電平數(shù)為N+1。

2　最近電平逼近調(diào)制策略

2.1NLM的實現(xiàn)方法

NLM是一種重要的多電平階梯波調(diào)制方式，其原理是使用最接近調(diào)制波的電壓矢量或電平來瞬時逼近調(diào)制波（見圖2），電平數(shù)越高，越近似于調(diào)制波。當(dāng)電平數(shù)較多時，采用NLM具有非常大的優(yōu)勢。

圖2　NLM原理Fig.2 Principle of NLM

用us表示調(diào)制波的瞬時值、UC表示子模塊電容電壓的平均值。一個橋臂含有的子模塊數(shù)N一般是偶數(shù)。每個相單元在任意時刻只有N個子模塊被投入。若這N個子模塊在t=0時刻由上、下橋臂平均分擔(dān)，則此時該相輸出電壓為0。根據(jù)圖2，隨著調(diào)制波由0逐漸升高，該相單元下橋臂投入的子模塊數(shù)需要逐一增加，而上橋臂投入的子模塊數(shù)要逐一減少，同時相當(dāng)于輸出一個高電平。此時該相單元的輸出電壓隨著調(diào)制波的升高而增大，兩者之差控制在±UC/2以內(nèi)，可見UC是影響NLM逼近調(diào)制波的關(guān)鍵性參數(shù)。

在任意時刻，上橋臂和下橋臂需要投入的子模塊數(shù)Nup和Ndown分別為:

式中:INT［us/UC］表示與us/UC最接近的整數(shù)。

2.2NLM的基波和諧波特性

以a相為例，設(shè)調(diào)制波ua（t）=umsinωt，由圖2可知NLM的輸出波形為1/4周期奇對稱，運用傅里葉級數(shù)理論，根據(jù)前1/4周期內(nèi)的一組開關(guān)角，就可以得到NLM的基波和諧波解析表達式:

式中:θi（i=1，2，…，s）為第1個1/4周期內(nèi)第i個電平階躍的電角度；s為第1個1/4周期內(nèi)的電平階躍數(shù)，s=N/2。

使用反三角函數(shù)可以得到各個開關(guān)角的如下解析表達式，進而求得每個子模塊的開關(guān)時間和電角度。

3　基于NLM的MMC子模塊故障定位器

以a相為例，對a相各個子模塊從上到下依次排序并進行編號，如圖3所示。

圖3　子模塊編號圖Fig.3 Numbered sub-modules

由圖2和圖3可知，θ1對應(yīng)于子模塊3N/2+ 1，θ2對應(yīng)于子模塊3N/2+2，依此類推，最后θs對應(yīng)于子模塊2 N。由于NLM的輸出波形為1/4周期奇對稱，故可以得到下橋臂中子模塊SM3N/2+1～SM2N的開通時長為:

因此，在一個周期內(nèi)，下橋臂中子模塊的開通電角度為:SM3N/2+1對應(yīng)于θ1→（π-θ1），SM3N/2+2對應(yīng)于θ2→（π-θ2），…，SM2N對應(yīng)于θs→（π-θs）。由此可以得出下橋臂一個周期內(nèi)子模塊SM3N/2+1～SM2N的開關(guān)時間。

同理可推知，子模塊SM1到SMN/2-1的開通電角度為:SM1對應(yīng)于（π+2θs）→（2π-θs），SM2對應(yīng)于（π+θs-1）→（2π-θs-1），…，SMN/2-1對應(yīng)于（π+θ1）→（2π-θ1）。

確定好各個子模塊的開關(guān)時間后，即可得到每個子模塊的控制策略［7-8］，此時可根據(jù)NLM策略和子模塊編號方法對子模塊故障定位器進行設(shè)計，如圖4所示。其原理為:首先將根據(jù)NLM得到的輸出波形作為參考電壓，與MMC系統(tǒng)輸出的故障電壓進行差值比較，經(jīng)過比例放大器進行歸一化并求絕對值，得出一組幅值為1的開關(guān)脈沖信號；然后與該相所有子模塊的開關(guān)信號組進行差值比較，同時經(jīng)過絕對值計算和求最小沖量（在一段時間內(nèi)的積分）計算，得到一個輸出沖量最小值；最后與求最小沖量之前的各個值進行比較，若輸出為0，則子模塊存在故障，若輸出不為0，則子模塊無故障。

圖4　子模塊故障定位原理Fig.4 Principle of fault location for sub-module

4　仿真分析

在MATLAB/Simulink仿真平臺中搭建基于NLM的9電平MMC逆變器系統(tǒng)，其中每個相單元由16個子模塊構(gòu)成，上下橋臂各有8個。直流側(cè)額定電壓Udc=32 k V，橋臂電抗器和輸出濾波電抗器的電感值均為0.01 H，各個子模塊電容電壓參考值為4 k V，調(diào)制波幅值為15 k V，調(diào)制比m=0.9375，其三相輸出電壓波形如圖5所示。

圖5　基于NLM的MMC逆變器輸出電壓波形Fig.5 Output voltage waveforms of MMC inverter based on NLM

為了簡化分析，將故障類型分為IGBT或續(xù)流二極管短路故障、IGBT或續(xù)流二極管開路故障以及子模塊電容開路及短路故障［9-10］，具體分類如下:

（1）T2或D2短路故障:導(dǎo)致子模塊輸出電壓為0；

（2）T1或D1短路故障:導(dǎo)致短時間內(nèi)電容迅速放電，同時子模塊內(nèi)會形成很大短路電流，若不加以抑制，會燒壞電力電子器件，其表現(xiàn)為子模塊輸出電壓為0；

（3）T1開路故障:當(dāng)iSM＜0時，T1故障導(dǎo)致子模塊輸出電壓為0；

（4）D1開路故障:子模塊電容無法充電，同時該相電流斷續(xù)，導(dǎo)致?lián)舸┳幽K下橋臂電力電子器件，最后造成子模塊輸出電壓為0；

（5）D2開路故障:當(dāng)iSM＜0時，導(dǎo)致子模塊無法切除，T2兩端會產(chǎn)生反向過壓，進而擊穿T2管，導(dǎo)致T2短路，最后使子模塊輸出電壓為0。

（6）子模塊電容開路故障:T2兩端會產(chǎn)生過壓，進而擊穿續(xù)流二極管D2，導(dǎo)致子模塊輸出電壓為0。

（7）子模塊電容短路故障:同樣會造成子模塊輸出電壓為0。

以上故障最終都會導(dǎo)致子模塊輸出電壓為0，因此進行故障仿真時，可將子模塊輸出電壓設(shè)置為0。

以a相中的子模塊7為例，設(shè)置該模塊輸出電壓為0，得到故障波形與參考階梯波形之差如圖6所示。

圖6　故障波形與參考階梯波形之差Fig.6 Difference between fault waveform and referential step waveform

將差值通過比例放大器進行歸一化處理，同時取絕對值，可以得到一組幅值為1的開關(guān)信號SQ。將SQ與a相各子模塊的開通控制信號S1～S16進行求差比較，得到如圖7所示結(jié)果。

圖7　開關(guān)信號SQ與a相各子模塊的觸發(fā)信號求差后的波形Fig.7 Waveforms after differencing between trigger signals of sub-modules and switch signal SQ

圖8　沖量最小值Fig.8 Minimum value of the impulse

再將沖量最小值Smin與絕對值依次進行做差比較（見圖9），若結(jié)果為0，則表示此模塊存在故障；若比較結(jié)果不為0，則表示該模塊無故障。由圖9可知，子模塊7的最后輸出為0，因此可以定位該模塊出現(xiàn)故障。同理，當(dāng)其他子模塊故障時也可得到類似結(jié)果。

綜上所述，根據(jù)本文所提出的方法，可以比較快速有效地對采用最近電平逼近調(diào)制方式的MMC系統(tǒng)進行子模塊故障定位，進而可以直接通過切除故障子模塊并投入冗余子模塊的方法來使系統(tǒng)在極短時間內(nèi)恢復(fù)正常運行，保障了MMC系統(tǒng)的安全可靠性。

圖9　～與Smin的差值Fig.9 Difference between～and Smin

5　結(jié)語

本文以最近電平逼近調(diào)制策略為基礎(chǔ)設(shè)計了模塊化多電平換流器的子模塊故障定位器，根據(jù)NLM的基本原理，通過比例放大器、做差比較等方法來進行子模塊的常投入與常切除故障定位。仿真實驗表明，本文提出的方法可以較好地進行子模塊故障定位。進一步的研究可以根據(jù)本文思路，由單一子模塊故障定位擴展到多子模塊故障定位。

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［責(zé)任編輯 尚 晶］

Fault location for sub-modules in modular multilevel converter based on residual analysis

Xu Heng，Liu Zhenxing
（College of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

This paper presents a new fault locating method for sub-modules in modular multilevel converter（MMC）using nearest level modulation（NLM）mode.The residual errors are achieved according to the comparison of the given NLM step waveforms and the faulty voltage waveforms outputted by MMC.The faulty sub-module can be quickly located through residual analysis and the position information of the sub-modules.A nine-level MMC inverter system is built by using MATLAB/Simulink software and the simulation results verify the effectiveness of the proposed method.

MMC；NLM；sub-module；fault location；residual analysis

TM72

A

1674-3644（2016）05-0371-05

2016-05-23

國家自然科學(xué)基金資助項目（61174107）.

徐 恒（1986-），男，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail:15871354353@163.com

劉振興（1965-），男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail:zhenxingliu@wust.edu.cn