一種基于載波移相調(diào)制的模塊化多電平換流器冗余策略

徐東旭，劉崇茹，鄭 偉，王潔聰，凌博文，錢 康

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206；2. 國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730070)

0 引 言

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)是電壓源型換流器的研究熱點(diǎn)之一[1-3]。由于采用級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)，使其具有輸出電平數(shù)可調(diào)、易拓展、諧波少等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，目前應(yīng)用范圍最廣的子模塊為半橋子模塊(half bridge sub-module, HBSM)[4-5]。

在實(shí)際工程中，為了防止MMC子模塊故障而導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)，通常在每個(gè)橋臂中配置一定數(shù)量的冗余子模塊，以使子模塊故障時(shí)系統(tǒng)仍能維持正常運(yùn)行[6-7]。在最近電平逼近調(diào)制(nearest level modulation, NLM)下，所有子模塊均處于帶電壓狀態(tài)，根據(jù)電容電壓的大小與橋臂電流來篩選處于投入運(yùn)行狀態(tài)的子模塊，使得所有子模塊電容電壓均維持在額定值附近[8-9]，處理比較方便。而對于載波移相調(diào)制(carrier phase shift sinusoidal pulse width modulation, CPS-SPWM)，由于載波與各個(gè)子模塊一一對應(yīng)，因此對冗余的處理要復(fù)雜的多。

文獻(xiàn)[10-11]提出將部分冗余的子模塊維持在熱備用狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生子模塊故障時(shí)，熱備用狀態(tài)的子模塊優(yōu)先替換故障子模塊，冷備用子模塊轉(zhuǎn)熱備用子模塊。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于橋臂能量平衡的冗余容錯(cuò)控制策略，可以有效抑制子模塊故障時(shí)直流電流的波動(dòng)，但并未涉及冗余模塊的控制策略。文獻(xiàn)[13-14]提出了基于載波移相調(diào)制的冗余保護(hù)策略，但其需要不斷地為冗余子模塊充電，冗余子模塊利用率低，且對于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有一定影響。

同時(shí)，由于MMC系統(tǒng)含有冗余子模塊，在系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)充電的過程中，會(huì)出現(xiàn)子模塊電容電壓充不到額定值的情況。文獻(xiàn)[15]將MMC充電過程分為不控充電與解鎖充電兩個(gè)階段，分別通過閉鎖與控制系統(tǒng)建立額定直流側(cè)電壓。文獻(xiàn)[16]探索了直流側(cè)主動(dòng)充電策略的可行性。

本文提出了適用于載波移相調(diào)制方式的帶電壓熱冗余控制策略。在子模塊發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí)，幾乎不對系統(tǒng)造成影響。同時(shí)，針對含有冗余子模塊的MMC系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)充電提出了一種分組充電策略，降低了控制系統(tǒng)復(fù)雜度。在PSCAD/EMTDC中搭建了9電平和101電平雙端模型驗(yàn)證了所提出熱冗余策略在子模塊故障時(shí)的有效性與優(yōu)越性。

1 HBSM結(jié)構(gòu)與CPS-SPWM原理

1.1 HBSM結(jié)構(gòu)

半橋結(jié)構(gòu)的子模塊HBSM的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 HBSM結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of HBSM

圖中Usm為子模塊端電壓，K為其旁路開關(guān)，用以故障時(shí)旁路子模塊。T為旁路晶閘管，用以故障時(shí)提供故障電流通路，保護(hù)二極管。T1、T2為IGBT，由控制信號(hào)控制，當(dāng)控制信號(hào)為1時(shí)，IGBT導(dǎo)通；當(dāng)控制信號(hào)為0時(shí)，IGBT關(guān)斷。D1、D2為反并聯(lián)二極管，R為均壓電阻，C為子模塊電容。

1.2 CPS-SPWM調(diào)制原理

CPS-SPWM跟蹤調(diào)制波性能好，實(shí)現(xiàn)計(jì)算量少，在低電平或是對計(jì)算量有限制的場合應(yīng)用較多。其具體實(shí)現(xiàn)原理為：不考慮冗余，假設(shè)每個(gè)橋臂子模塊數(shù)量為N，在0至2π均勻分配N個(gè)載波，每個(gè)載波對應(yīng)一個(gè)子模塊。通過調(diào)制波與每個(gè)載波的比較得到每個(gè)子模塊的控制信號(hào)。當(dāng)調(diào)制波大于載波時(shí)，其控制信號(hào)為1，當(dāng)調(diào)制波小于載波時(shí)，其控制信號(hào)為0。調(diào)制波形見圖2。

圖2 CPS-SPWM調(diào)制原理Fig.2 CPS-SPWM operating principle

2 熱冗余控制策略

為了實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行狀態(tài)下，每個(gè)子模塊都能夠投入運(yùn)行，對于正常子模塊，其旁路開關(guān)K斷開，TI、T2由控制信號(hào)控制；對于故障子模塊，旁路開關(guān)K閉合，且T1、T2均關(guān)斷，子模塊被切除。

為了使橋臂所有正常運(yùn)行的子模塊電容電壓維持在額定值附近，本文借鑒NLM調(diào)制方式下對冗余模塊的處理，設(shè)計(jì)了CPS調(diào)制方式下的熱冗余策略：在一定時(shí)間間隔，按一定的輪換順序選擇處于運(yùn)行狀態(tài)的子模塊；將處于運(yùn)行狀態(tài)的子模塊電容電壓輸入控制器，同時(shí)將控制器輸出的控制信號(hào)賦值給處于運(yùn)行狀態(tài)的子模塊；將橋臂中其他正常子模塊的控制信號(hào)賦0值，使其處于熱冗余狀態(tài)。

假設(shè)N+1電平的MMC系統(tǒng)的每個(gè)橋臂子模塊總數(shù)量為L，故障子模塊Z個(gè)，在每個(gè)時(shí)刻，將L-Z個(gè)子模塊按順序編號(hào)：每次選擇N個(gè)輸入。為了盡可能減小計(jì)算量，選擇的規(guī)則為：1至N；2至N+1；3至N+2；……；L-Z至N-1，如圖3所示。

圖3 子模塊選擇效果Fig.3 Submodule selection effect

為了實(shí)現(xiàn)圖3中所示的子模塊選擇效果，設(shè)計(jì)了熱冗余策略。該策略的總體流程如圖4所示。

圖4 熱冗余步驟Fig.4 Thermal redundant step

由圖4可看出，該邏輯主要分為3個(gè)部分，分別為子模塊選擇、子模塊選擇預(yù)處理、控制信號(hào)處理。首先，判斷橋臂是否含有故障子模塊，無故障子模塊時(shí)(Z=0)，直接進(jìn)入子模塊選擇邏輯，按要求選擇N個(gè)子模塊，使其處于運(yùn)行狀態(tài)；若含有故障子模塊(Z≠0)，則需要對子模塊進(jìn)行預(yù)處理后再進(jìn)行子模塊選擇。然后根據(jù)所選擇的子模塊，記錄其電容電壓輸入控制器。同時(shí)進(jìn)行控制信號(hào)擴(kuò)維，進(jìn)而進(jìn)行控制信號(hào)處理，使得控制信號(hào)與總的子模塊數(shù)L一一對應(yīng)。其詳細(xì)過程在本節(jié)剩余部分進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

2.1 子模塊選擇

子模塊選擇的具體邏輯如圖5所示。

圖5 子模塊選擇邏輯Fig.5 Submodule selection logic

圖中ΔT為時(shí)間間隔;TS為累計(jì)時(shí)間間隔;p為處于運(yùn)行狀態(tài)的子模塊在所有子模塊中的編號(hào);p0為p的初始序號(hào)；t為運(yùn)行時(shí)刻；Δt為運(yùn)行步長；j為投入運(yùn)行的N個(gè)子模塊的編號(hào)；Q=[Q1,Q2,…,QL-Z]為每個(gè)橋臂所有子模塊數(shù)組；O=[O1,O2,…,ON]為處于運(yùn)行狀態(tài)的子模塊數(shù)組。

處于運(yùn)行狀態(tài)的子模塊選擇邏輯按t是否小于TS分為兩部分：

① 當(dāng)t小于TS時(shí)，說明此時(shí)刻不需要重新選擇處于正常運(yùn)行的子模塊，按上一時(shí)刻的序號(hào)進(jìn)行子模塊選擇，令p=p0，j=1，進(jìn)入選擇邏輯，判斷j是否小于等于N，若j小于等于N，則表示處于正常運(yùn)行狀態(tài)的子模塊選擇仍未結(jié)束，進(jìn)一步判斷p是否小于等于L-Z，若p小于等于L-Z，則表示所選擇的運(yùn)行狀態(tài)的子模塊序號(hào)未超出正常子模塊序號(hào)，令Oj=Qp，p=p+1，j=j+1。若p大于L-Z，則表示所選擇的運(yùn)行狀態(tài)的子模塊序號(hào)已超出了正常子模塊序號(hào)，需要減去L-Z，重新從第1個(gè)子模塊開始賦值，令g=p-L+Z，Oj=Qg，p=p+1，j=j+1。繼續(xù)判斷j是否小于等于N，若j大于N，則表示此時(shí)刻處于正常運(yùn)行狀態(tài)的子模塊選擇已結(jié)束，令t=t+Δt，并繼續(xù)判斷t是否大于TS。

② 當(dāng)t大于TS時(shí)，說明需要重新選擇處于運(yùn)行狀態(tài)的子模塊。為了能從上一時(shí)刻所選擇的運(yùn)行狀態(tài)的子模塊序號(hào)的后一個(gè)序號(hào)開始選擇，令p0=p0+1，并判斷p0是否小于等于L-Z。若p0小于等于L-Z，則表示p0仍在正常子模塊序號(hào)內(nèi)，進(jìn)一步令p=p0，j=1，且，令TS=TS+△T，從而進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)子模塊選擇邏輯；若p0大于L-Z，則表示上一時(shí)刻運(yùn)行狀態(tài)子模塊初始序號(hào)已為最后一個(gè)子模塊，運(yùn)行狀態(tài)子模塊的選擇需要重新從第1個(gè)編號(hào)開始，所以令p0=1，之后繼續(xù)執(zhí)行p0小于等于L-Z的邏輯，從而進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)子模塊的選擇邏輯。

2.2 子模塊選擇預(yù)處理

當(dāng)子模塊發(fā)生故障后(Z通常為1)，將其閉鎖，并閉合旁路開關(guān)，隔離故障子模塊。同時(shí)，子模塊選取邏輯應(yīng)在剔除故障子模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行。所以，本文所提出的熱冗余策略當(dāng)含有故障子模塊的情況下，在子模塊選擇邏輯前設(shè)計(jì)了子模塊預(yù)處理邏輯，如圖6所示。

圖6 子模塊預(yù)處理邏輯Fig.6 Submodule preprocessing logic

其中，j為故障前子模塊編號(hào)，r為剔除故障子模塊之后的子模塊編號(hào)，f為故障子模塊序號(hào)，QH=[QH,1,QH,2,…,QH,L-Z]為剔除故障子模塊數(shù)組。

子模塊選擇預(yù)處理邏輯為：當(dāng)發(fā)生子模塊故障時(shí)，令j=1，r=1，判斷j是否小于等于L，若j小于等于L，則表示此時(shí)對于子模塊選擇的預(yù)處理未結(jié)束，進(jìn)一步判斷j是否等于f，若j不等于f，則表示編號(hào)為j所對應(yīng)的子模塊未發(fā)生故障，令QH,r=Qj，r=r+1，同時(shí)令j=j+1，繼續(xù)判斷j是否小于L。若j等于f，則表示編號(hào)為j所對應(yīng)的子模塊發(fā)生故障，跳過此故障子模塊，直接令j=j+1，繼續(xù)判斷j是否小于L。若j大于L，則表示子模塊選擇預(yù)處理結(jié)束，跳出子模塊選擇預(yù)處理邏輯。

在選擇運(yùn)行狀態(tài)子模塊的同時(shí)記錄其電容電壓，并將其輸入控制器。

2.3 控制信號(hào)處理

當(dāng)橋臂中不存在故障子模塊時(shí)(Z=0)，對于控制器，由于其輸出的控制信號(hào)為N維，為了給冗余子模塊賦控制信號(hào)，需要將控制器輸出的N維擴(kuò)展成L維。擴(kuò)展規(guī)則為：將控制器輸出的控制信號(hào)依次賦值給所選取的處于運(yùn)行狀態(tài)的子模塊，冗余子模塊則賦0控制信號(hào)。設(shè)此時(shí)所形成的控制信號(hào)數(shù)組為OS=[OS,1,OS,2,…,OS,L]。

當(dāng)橋臂中含有故障子模塊時(shí)(Z≠0)，對于控制信號(hào)，由于經(jīng)過子模塊選擇預(yù)處理后的子模塊總數(shù)為L-Z，因此在進(jìn)行子模塊控制信號(hào)的擴(kuò)維時(shí)，實(shí)際上是在剔除故障子模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。為了能夠使得控制信號(hào)與子模塊一一對應(yīng)，需要對已進(jìn)行擴(kuò)維的控制信號(hào)進(jìn)一步處理。其處理邏輯如圖7所示。

圖7 控制信號(hào)處理邏輯Fig.7 Control signal processing logic

其中，OSH=[OSH,1,OSH,2,…,OSH,L]為控制信號(hào)處理后的控制信號(hào)數(shù)組，f為故障子模塊序號(hào)。

由圖7可得，在控制信號(hào)處理過程，當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生子模塊故障時(shí)，控制信號(hào)處理前后相同；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生子模塊故障后，控制信號(hào)處理將故障子模塊控制信號(hào)賦0，同時(shí)，將L-Z維控制信號(hào)進(jìn)一步擴(kuò)維為L維，與總子模塊數(shù)一一對應(yīng)。

需要注意的是，子模塊預(yù)處理后的子模塊數(shù)組QH=[QH,1,QH,2,…,QH,L-Z]相當(dāng)于圖7中子模塊選擇中的Q=[Q1,Q2,…,QL-Z]，預(yù)處理后需要進(jìn)行子模塊選擇。而控制信號(hào)處理后的控制信號(hào)數(shù)組OSH=[OSH,1,OSH,2,,OSH,L]則直接賦給對應(yīng)子模塊。

3 閉鎖預(yù)充電策略

由于MMC配置冗余后，每個(gè)橋臂含有多余的冗余子模塊，其子模塊電容電壓在閉鎖充電的情況下所能達(dá)到的值較不含有冗余模塊時(shí)要更低。MMC閉鎖充電等效電路如圖8所示。

圖8 MMC閉鎖充電等效電路Fig.8 MMC blocking charge equivalent circuit

以AB相為例，當(dāng)UAB為正時(shí)，其子模塊充電回路如圖8中虛線所示。閉鎖充電電容電壓能夠達(dá)到的穩(wěn)定值為

(1)

式中:uabm為交流側(cè)線電壓幅值;L為每個(gè)橋臂總子模塊數(shù)目，由于調(diào)制比

(2)

式中：uxm為交流側(cè)相電壓幅值，x可取a, b, c；udc為直流側(cè)電壓。

聯(lián)立式(1)、(2)可得

(3)

而子模塊電容電壓的額定值為

(4)

由于通常情況下m<1，且由于冗余子模塊的存在，導(dǎo)致uc_1?ucref。為了使得在啟動(dòng)預(yù)充電階段，電容電壓能夠達(dá)到正常運(yùn)行時(shí)的額定值。需要對閉鎖充電的子模塊數(shù)量進(jìn)行控制。假設(shè)當(dāng)閉鎖充電的子模塊數(shù)量為v時(shí)，子模塊電容電壓能夠達(dá)到額定值。則v滿足

(5)

聯(lián)立公式(2)，且由于v為整數(shù)，可得

(6)

為了使得能夠有效地充至額定值，floor為不大于其的最大整數(shù)函數(shù)。

所以分組充電每階段投入的子模塊應(yīng)不大于v，其具體執(zhí)行流程如下：

① 將每個(gè)橋臂所有子模塊進(jìn)行編號(hào)，分別為1至L。子模塊旁路開關(guān)處于打開狀態(tài)，此時(shí)可通過控制IGBT的通斷，使得子模塊處于投入或者切除狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行第一組閉鎖充電時(shí)，取n=0；

② 使編號(hào)為n×v+1至(n+1)×v的子模塊處于投入狀態(tài)，剩余子模塊處于切除狀態(tài)；

③ 判斷每個(gè)橋臂編號(hào)為n×v+1至(n+1)×v的子模塊電容電壓是否達(dá)到額定值，若未達(dá)到，則繼續(xù)維持在步驟②狀態(tài)；若已達(dá)到，則使編號(hào)為n×v+1至(n+1)×v的子模塊處于切除狀態(tài)；

④n=n+1，判斷L-(n+1)×v是否大于v，若大于等于，則使編號(hào)為n×v+1至(n+1) ×v的子模塊處于投入狀態(tài)，并繼續(xù)執(zhí)行步驟②、③；若小于，則使得編號(hào)為n×v+1至L的子模塊處于投入狀態(tài)，并執(zhí)行步驟⑤；

⑤ 判斷每個(gè)橋臂編號(hào)為n×v+1至L的子模塊電容電壓是否達(dá)到額定值，若未達(dá)到，則保持其處于投入狀態(tài)；若已達(dá)到，則閉鎖所有子模塊，預(yù)充電過程結(jié)束。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 雙端9電平仿真系統(tǒng)

為了驗(yàn)證本文所提出熱冗余策略與分組閉鎖預(yù)充電的效果，本文在PSCAD/EMTDC中搭建了MMC雙端9電平模型，如圖9所示，其中冗余子模塊數(shù)為2。

圖中:Us為交流電源，其線電壓有效值uab=10kV;ZS為交流側(cè)等效阻抗，其值為0.341 2+j0.314Ω;橋臂電感L0=0.04H;直流側(cè)阻抗Zd由Rd與Ld組成，Rd=0.15Ω，Ld=0.025H，直流側(cè)對地電容Cd=24.9μF。其第一端采用P～Q控制，第二端采用Udc～Q控制，控制目標(biāo)P1=5MW，Q1=Q2=2Mvar，Udc=17kV。且其中第一端應(yīng)用所提出熱冗余策略與分組預(yù)充電策略，第二端維持傳統(tǒng)的控制策略。

圖9 雙端MMC模型Fig.9 Two ended MMC model

設(shè)置3s后橋臂第7個(gè)子模塊發(fā)生子模塊電容擊穿故障，控制系統(tǒng)延遲0.05s檢測到故障，切除故障子模塊，投入冗余子模塊。

傳統(tǒng)CPS-SPWM調(diào)制方式下的電容電壓波形如圖10所示。

圖10 傳統(tǒng)CPS-SPWM電容電壓Fig.10 Capacitor voltage of traditional CPS-SPWM

由圖10可得，對于正常運(yùn)行子模塊，當(dāng)發(fā)生子模塊故障時(shí)，在故障被檢測前，由于此時(shí)相當(dāng)于橋臂缺少一個(gè)子模塊，因此處于正常運(yùn)行的子模塊電容電壓呈現(xiàn)上升的趨勢，以彌補(bǔ)子模塊故障所造成的電壓缺失。當(dāng)故障被檢測，切除故障子模塊并投入冗余子模塊時(shí)，由于初始冗余子模塊電容電壓過低，因此正常運(yùn)行子模塊電容電壓會(huì)呈現(xiàn)繼續(xù)上升趨勢；隨著冗余子模塊電容電壓達(dá)到額定值，正常子模塊的電容電壓隨之恢復(fù)穩(wěn)定。

對于冗余子模塊，由于故障檢測前，其一直處于切除狀態(tài)，所以電容電壓為0。當(dāng)故障檢測后，其投入運(yùn)行時(shí)，其電容電壓在控制器的作用下不斷升高到額定值。由圖10可看出，其升高的過程中存在充放電，這導(dǎo)致其達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間過長，本文測試結(jié)果需要0.7s左右。

運(yùn)用本文所提出熱冗余策略下的電容電壓如圖11所示。

圖11 熱冗余策略電容電壓Fig.11 Capacitor voltage of thermal redundancy strategy

由圖11可看出，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，所有子模塊電容電壓都保持在額定值附近，且電容電壓在波動(dòng)與維持恒定值之間不斷交替，這是因?yàn)楫?dāng)所對應(yīng)子模塊處于熱冗余狀態(tài)時(shí)，由于其處于切除狀態(tài)，電容電壓維持不變；而當(dāng)所對應(yīng)子模塊處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，則在控制器的作用下，電容電壓呈現(xiàn)一定的波動(dòng)。

當(dāng)子模塊發(fā)生故障后，在故障檢測前，正常運(yùn)行子模塊電容電壓呈現(xiàn)升高趨勢，與傳統(tǒng)策略類似。當(dāng)故障檢測后，故障子模塊被切除，熱冗余策略在剔除故障子模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行。由于此時(shí)正常運(yùn)行子模塊略高于額定值，因此，控制器只需將其恢復(fù)到額定值即可。由圖11可看出，電容電壓恢復(fù)穩(wěn)定所需的時(shí)間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)冗余策略，本文測試結(jié)果僅需0.2s左右。

4.2 時(shí)間間隔比與步長的影響

4.2.1 時(shí)間間隔比的影響

通過熱冗余的流程可得，熱冗余策略的實(shí)際過程是按一定的時(shí)間間隔，改變處于投入狀態(tài)的子模塊。對于控制器，改變的是其輸入的電容電壓。由于控制器中含有大量的PI環(huán)節(jié)，當(dāng)輸入發(fā)生變化時(shí)，若仍在穩(wěn)定極限內(nèi)，則閉環(huán)控制器會(huì)在一定的波動(dòng)后重新達(dá)到穩(wěn)定值。

由于實(shí)際工程中，系統(tǒng)控制效果與采樣周期、控制周期的選擇有關(guān)，本文定義時(shí)間間隔比為：時(shí)間間隔比=時(shí)間間隔/控制周期。

本文在仿真步長為50μs的條件下，即系統(tǒng)采樣周期與控制周期為50μs的條件下，通過改變時(shí)間間隔比，分析不同時(shí)間間隔比對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見表1。

表1 時(shí)間間隔比的影響分析

由上表中可看出，當(dāng)時(shí)間間隔比過小時(shí)，由于在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，控制器無法達(dá)到穩(wěn)定，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。且由于需要頻繁地進(jìn)行子模塊選擇，子模塊的開關(guān)次數(shù)隨著時(shí)間間隔比的減小，呈增大趨勢；隨著時(shí)間間隔比的增大，系統(tǒng)穩(wěn)定性與開關(guān)頻率逐漸逼近無冗余時(shí)的情況。具體對于本系統(tǒng)來說，當(dāng)時(shí)間間隔比大于200時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。但是過大的時(shí)間間隔比，又會(huì)造成熱冗余效果的降低。所以，在工程中，結(jié)合采樣頻率與控制頻率，確定合適的時(shí)間間隔比至關(guān)重要。

4.2.2 仿真步長的影響

為了探討熱冗余策略對于不同步長仿真的影響，本文在常用仿真步長下測試了熱冗余策略，得到結(jié)果如表2所示。

由表2可看出，在常用仿真步長的情況下，熱冗余策略對于系統(tǒng)穩(wěn)定性無明顯影響。不同電平下特性相似。說明所提出的熱冗余策略適應(yīng)于不同步

表2 仿真步長影響分析

長的仿真，適用性強(qiáng)。

4.3 硬件平臺(tái)測試結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出熱冗余策略的有效性，本文建立了101電平單端系統(tǒng)半實(shí)物仿真模型。利用RTDS中rtds_vsc_FPGA_U5組件建立MMC的一次系統(tǒng)，其中其交流系統(tǒng)在RTDS PB5/GPC板卡中運(yùn)行，MMC仿真單元在RTDS FPGA中運(yùn)行?？刂破飨到y(tǒng)基于TI公司KeyStone架構(gòu)的8核數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)[17]。如圖12所示。

圖12 DSP控制器Fig.12 DSP controller

該系統(tǒng)與圖9中系統(tǒng)整流側(cè)類似，不同之處在于此系統(tǒng)為101電平，子模塊電容為30mF，交流側(cè)線電壓有效值為110kV，P～Q控制的目標(biāo)為P=420MW，Q=50Mvar，直流側(cè)采用中間接地的雙直流電源，每個(gè)直流電壓源的電壓值為100kV。

假設(shè)第二個(gè)子模塊發(fā)生IGBT拒動(dòng)故障，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，IGBT始終處于閉鎖狀態(tài)，0.05s后控制系統(tǒng)檢測到故障并動(dòng)作。

圖13 熱冗余策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Experimental results of thermal redundancy strategy

由圖13可看出，當(dāng)子模塊發(fā)生故障時(shí)，切除故障子模塊，熱冗余策略能夠維持電容電壓及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.4 分組閉鎖預(yù)充電效果

在9電平系統(tǒng)中應(yīng)用分組預(yù)充電，由4.1中9電平系統(tǒng)參數(shù)可得，當(dāng)應(yīng)用所提出分組充電策略時(shí)，每次投入充電的子模塊數(shù)應(yīng)不大于6。所以，其充電過程總共分為兩組，仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 分組預(yù)充電策略結(jié)果Fig.14 Packet pre-charge strategy results

由圖14可看出，與傳統(tǒng)閉鎖充電策略相比，所提出的分組預(yù)充電策略能夠有效地將電容電壓充至額定值。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于CPS-SPWM的熱冗余策略，運(yùn)用該策略，可以有效減少子模塊故障時(shí)對系統(tǒng)穩(wěn)定性所造成的影響，并且大大提高了冗余子模塊的利用率。針對冗余情況下MMC預(yù)充電，本文提出了一種分組預(yù)充電策略，可以使得在含有冗余子模塊的情況下，將所有子模塊電容電壓充至額定值，有效減少了MMC啟動(dòng)時(shí)的預(yù)充電復(fù)雜度。通過仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出策略的有效性。

但同時(shí)也應(yīng)意識(shí)到，本文所提出的熱冗余策略增加了原CPS-SPWM算法的復(fù)雜性，在一定程度上增加了對于計(jì)算資源的需求；同時(shí)，熱冗余策略在正常運(yùn)行的狀態(tài)下將所有子模塊都投入運(yùn)行，增加了開關(guān)損耗。

因此在實(shí)際使用中，增加計(jì)算資源，以及結(jié)合實(shí)際工程需求設(shè)定合理的時(shí)間間隔是熱冗余使用的關(guān)鍵。