摘要
北京交通大學電氣工程學院、中國電力科學研究院的研究人員郝亮亮、張靜等，在2018年第16期《電工技術學報》上撰文指出，子模塊故障是模塊化多電平換流器（MMC）常見的一種故障類型，將故障子模塊旁路後，MMC將處於橋臂不對稱運行狀態。為使MMC系統在子模塊旁路後依然能維持穩定運行，提出一種基於橋臂能量預測的MMC子模塊故障容錯控制策略。
首先對各時刻橋臂子模塊儲存的能量進行動態預測，進而求得各時刻子模塊電容電壓的預測值，在不用附加環流抑制控制器情況下，實現對環流中不對稱基頻和二倍頻諧波分量的有效抑制。該策略簡化了系統控制的複雜度，既適用於橋臂子模塊數不對稱的運行狀態也適用於正常運行狀態。廈門柔性直流示範工程的電磁暫態仿真結果驗證了所提出的容錯優化控制策略的正確性。
模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）是2002年由R. Marquardt和A. Lesnicar提出的一種新型換流器拓撲結構[1]。相對於傳統兩電平、三電平拓撲結構的換流器，具有模塊化設計、擴展性強、諧波含量低等優點[2-5]，適用於高壓大功率的輸電場合。
在實際工程中，模塊化多電平換流器高壓直流輸電（High Voltage Direct Current transmission based on MMC, MMC-HVDC）單個橋臂的子模塊（Sub-Modular, SM）個數可達數百個，如西門子的Trans Bay Cable工程，每個橋臂含有216個子模塊[6]，用於法國和西班牙聯網的INELFE工程的MMC電平數目達到401個[7,8]。
在工程實際運行中子模塊難免會出現故障，為了使MMC系統在子模塊故障後依然能維持穩定運行，MMC通常會採用冗餘設計，使橋臂含有多個冗餘的子模塊，其容錯保護一般有冷備用和熱備用2種[9-11]。由於熱備用不需要對冗餘子模塊進行充電，避免了較長時間的暫態充電過程，因此得到了廣泛的應用。
為了充分利用正常的子模塊，提高系統可靠性，熱備用通常只對故障子模塊進行旁路處理，這將導致含有故障子模塊的橋臂與其他橋臂的子模塊個數不同，使MMC處於不對稱運行狀態。
文獻[12-15]對MMC橋臂不對稱運行特性進行了詳細的理論分析，由於橋臂子模塊個數不對稱，上、下橋臂的基頻電壓和其他奇數次諧波電壓不再對稱，從而產生基頻環流和各奇數次諧波環流。
針對這個問題，國內外學者對子模塊故障下的不對稱控制策略進行了相關研究，主要有兩類方法：一類是通過修正各橋臂參考電壓來實現容錯抑制，如文獻[16,17]提出了基於準比例諧振控制器的基頻環流抑制方法，解決不對稱橋帶來的一系列問題。但這類方法需要通過在原有二倍頻環流抑制控制器的基礎上，再引入附加的基頻控制器，增加了控制器設計的複雜程度。
另一類是通過調節子模塊電容電壓參考值，如文獻[18,19]通過控制使得故障橋臂的平均能量與其他橋臂的平均能量相等，在部分模塊出現故障時，提高橋臂其餘子模塊電容電壓，消除了橋臂不對稱帶來的橋臂電流不對稱和直流電流波動。此方法不需要額外引入控制器，但橋臂中仍有二倍頻諧波環流，仍需要二倍頻環流控制器來抑制二倍頻諧波環流。
針對上述分析，本文對基於橋臂平均能量平衡的容錯方法進行了改善，不再只是控制平均能量，而是動態預測各時刻橋臂子模塊儲存的能量，進而求得各時刻子模塊電容電壓的預測值。
此方法既適用於橋臂子模塊數不對稱的情況也適用於對正常運行時倍頻環流的抑制，不用附加環流抑制器，就可以實現環流中不對稱基頻分量、二倍頻分量的抑制，簡化了系統控制的複雜度。最後，通過廈門柔性直流示範工程的電磁暫態仿真模型驗證所提出的優化容錯控制策略的正確性。
圖1 三相MMC拓撲結構
圖2 基於能量預測的MMC子模塊故障優化容錯控制策略的整體控制框圖
結論
本文提出了一種基於橋臂能量預測的MMC子模塊故障優化容錯控制策略，通過動態預測各時刻橋臂子模塊儲存的能量，求得各時刻子模塊電容電壓的預測值，不用附加環流抑制器，就可以實現不對稱基頻諧波分量和二倍頻諧波分量的抑制。主要結論如下：
1）子模塊故障被旁路後，使得上、下橋臂不對稱，橋臂環流中出現基頻分量，環流畸變程度增大，交流側也出現了直流和二倍頻分量。
2）在所有子模塊正常運行及電網電壓不對稱的情況下，採用本文所提出的控制策略，通過動態調節子模塊電容電壓的參考值，可以在不附加環流抑制器的情況下，實現橋臂二倍頻諧波環流抑制，大大減小系統控制器的複雜度。
3）在子模塊故障情況下，採用本文所提出的優化容錯控制策略，可以有效的抑制二倍頻諧波環流和基頻諧波環流，交流側諧波成分也被消除；同時可以有效減小子模塊平均電容電壓波動，提高系統運行的安全性。
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