PDF《兼具开路故障诊断能力的 MMC 电容电压测量方法》

兼具开路故障诊断能力的 MMC电容电压测量方法 张正发,李可军,王卓迪,刘智杰,亓孝武,于小晏 ( 山东大学电气工程学院,山东省济南市

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6 1 ) 摘要:模块化多电平换流器在高电压等级、 大输送容量场合的应用中, 各桥臂大量子模块的电压需 要实时采集并维持在允许范围内, 但电压传感器配置数量的增加影响了系统的经济性与可靠性.

为解决以上问题, 提出了一种基于电容电压预估和组电压测量的子模块电容电压测量方法.该方 法对桥臂子模块进行了分组, 每组仅配备一个电压传感器, 从而使传感器数量得以减少.在该测量 方法基础上提出了一种子模块开路故障诊断策略, 通过比较电压实测值与预估值完成开路故障的 快速诊断, 并且对传感器设置了故障冗余, 在传感器发生故障的情况下系统仍能保持稳定运行.基于PSCAD/EMT D C搭建了2 1电平基于模块化多电平换流器的高压直流仿真系统.仿真结果表 明, 所述方法具有与传统方法近似的测量精度, 同时能在较短时间内诊断子模块开路故障与传感器 故障. 关键词:模块化多电平换流器;

电容电压测量;

电压传感器;

子模块开路故障 收稿日期:

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修回日期:

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0 9. 上网日期:

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0 5. 国家自然科学基金资助项目(

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0 8 ) .

0 引言 模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC) 是由 R. M a r q u a r t和A. L e s n i c a r 提出的一种新型电压源换流器拓扑[ 1] .因具有模块 化设计、 扩展性强、 运行损耗小、 输出波形质量高等 优点, 近年来 MMC在高电压等级、 大输送容量场合 获得了越来越广泛的应用[

2 G 6] . 与传统两电平、 三电平拓扑结构不同, MMC 通 常不具备直流侧大 电容, 其通过桥臂子模块(subGmodule,SM) 中悬浮电容的级联来维持直流母线电 压.因此, 在中高压场合的应用中, 为提高换流器容 量和系统电压等级, 每个桥臂上子模块的数量可能 高达成百甚至上千个( 以" T r a n sB a yC a b l e " 为例, 其每个桥臂包含2

1 6个子模块[

3 ] ) .实际运行中各 子模块投切状态的不同使电容电压各异, 因此需要 均压策略将各子模块电压稳定在额定值附近.均压 策略实时采集各子模块电容电压, 并根据桥臂电流 方向与电容电压的排序投切相应的子模块[

7 ] .随着 子模块的增多, 用于采集各子模块电压的电压传感 器数量也需相应增加.这带来两方面弊端: 一是增 加了工程建设成本;

二是增加了系统硬件配置的复 杂度, 且大量输入/输出( I / O) 数据的获取与通信提 高了控制系统实现的难度, 进而影响了系统运行的 可靠性. 针对上述问题, 目前已有一些学者开展了相关 研究, 这些研究主要分为两类: 一是由开环控制代替 传统的闭环控制[

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1 0 ] ;

二是仍基于闭环控制, 但是在 数据采集环节进行简化[

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1 3 ] .其中文献[ 8] 提出了 一种无需子模块电压及桥臂电流测量的电容均压方 法;

文献[

9 ] 提出的开环调制策略可以显著降低开关 频率;

文献[

1 0 ] 提出了一种基于能量预估的开环控 制方式且能消除特性次谐波.以上开环控制方式不 需要子模块电压及桥臂电流反馈, 但无法适用于故 障工况下, 稳定性稍差, 且需要精确的系统参数.文献[

1 1 ] 设计了自适应观测器, 通过直流母线电压及 桥臂电流计算电容电压;

文献[

1 2] 通过轮换采集各 分组的电容电压, 简化了数据采集环节, 然而电压传 感器的数量并未减少;

文献[

1 3] 中电容电压由桥臂 电流预估并以桥臂电压修正, 减少了数据采集量与 传感器数目, 但该方法不适用于子模块数量较多及 调制比低的情况. 本文提出了一种子模块电容电压测量新方法, 该方法将桥臂子模块进行分组, 每组仅配置一个电 压传感器, 能在显著减少传感器数量的前提下精确 测量各子模块电压.在该测量方法基础上, 提出一 种子模块开路故障诊断方法, 该方法通过比较组电 压实测值与预估值完成开路故障的快速诊断;

并对 电压传感器设置了故障冗余, 使系统在传感器出现

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1 第4 1卷第7期2017年4月1 0日Vol.41N o . 7A p r .

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8 h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m 故障的情况下仍能保持正常运行. 最后基于PSCAD/EMT D C搭建 了仿真模型, 验证了本文测量方法及故障诊断策略的有效性.

1 MMC拓扑及运行原理 三相 MMC 拓扑 及半桥子模块结构如附录A图A1所示.三相 MMC 由6个桥臂构成, 上下桥 臂合为一个相单元, 每个桥臂包含若干个级联的子 模块( S M1 至SMN ) 和一个桥臂电抗器 L.半桥子 模块( h a l fb r i d g es u b G m o d u l e , H B S M) 由 两个绝缘 栅双极型晶体管( I G B T) ( T

1 和T2) 和与之反并联 的二极管( D

1 和D2) 以及直流电容 C0 构成.根据 T 1, T

2 开通状态不同, 子模块端电压uS M 输出电容 电压uc 或者0.定义第i 个子模块的开关状态S i 为: S i=

1 T 1开通, T 2关断

0 T 1关断, T 2开通 { (

1 ) 则单个子模块特性可用开关函数模型描述为: S i i a r m =C d uc i d t uS M =S i uc i ì ? í ? ? ? ? (

2 ) 式中: C 为子模块电容;

uc i 为第i 个子模 块电容电 压;

i a r m 为桥臂电流, 即附录 A 图A1中的上、 下桥臂 电流i p j和i n j, 其中j 取a , b , c . 上、 下桥臂电流可表示为: i p j= Id c

3 + i z j+ i j

2 (

3 ) i n j= Id c

3 + i z j- i j

2 (

4 ) 式中: Id c为直流母线电流;

i j 为交流相电流;

i z j 主要 为二倍频负序性质的环流.环流会增大系统损耗及 电容电 压波动, 故采用文献[14] 中方法对其进行抑制.

2 电容电压测量方法的基本原理 传统电容电压测量方法是在每个子模块中配置 一个电压传感器以实时采集该子模块电压.实际工 程中系统采样周期较短, 子模块下个控制周期电压 可由其开关函数模型及本控制周期初始状态预估得 到.基于此, 本文结合电容电压预估及组电压测量 提出了一种能减少传感器配置数量的电容电压测量 新方法. 2.

1 电压测量与预估 以一个包含4个子模块的桥臂为例说明本文所 提方法, 如图1所示. 图1 新测量方法结构框图 F i g .

1 B l o c kd i a g r a mo fn e wm e a s u r i n gm e t h o d 新测量方法将桥臂中 N 个子模块平均分为 M 组( M 0时桥臂电流流向如图3( a ) 所示, 电容仍可正 常充电, 子模块端电压为uc;

但当i a0时, 桥臂电流流向如图3( a ) 所示, 此时 子模块端电压为uc, 不同于正常状态下的0;

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