摘要
華中科技大學電氣與電子工程學院強電磁工程與新技術國家重點實驗室、華中科技大學電力安全與高效湖北省重點實驗室的研究人員範志華、苗世洪等，在2018年第16期《電工技術學報》上撰文，針對模塊化多電平換流器（MMC）在子模塊故障時橋臂子模塊可投入運行數目不相等的情況，建立基於開關函數的橋臂不對稱運行數學模型。
基於此數學模型，揭示了上、下橋臂子模塊開關函數不一致是導致不對稱運行的根本原因。通過藉助補償阻抗以抵消上、下橋臂子模塊故障數目不相等導致的不對稱分量，將子模塊故障下橋臂不對稱狀態轉化為準對稱運行狀態，進而建立該條件下橋臂交流電流、直流電流和交流環流耦合等效電路，並研究等效電路各次電流之間耦合關係對橋臂內部運行特性的影響。
分析結果表明，橋臂電流將出現基頻環流分量，交流電流也會引入因不對稱導致的直流電流分量和二倍頻電流分量。最後通過建立橋臂電流解耦控制模型，構建不同頻率下橋臂電流與電壓的映射關係，提出具有子模塊故障容錯能力的橋臂電流控制策略。在PSCAD/EMTDC中的仿真結果證明了所提控制策略的有效性。
模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）結構採用高度模塊化設計，具有易於線性擴展、輸出波形質量高[1,2]、開關頻率低與故障處理能力強[3,4]等優點，被廣泛應用於高壓直流輸電、大功率電機驅動與海上風電併網等領域。
由於MMC由數量較多子模塊（Sub-Module, SM）串聯組成，同時子模塊採用易損壞的半導體開關器件，導致橋臂易於發生子模塊故障[7]。實際工程中常採用一種冗餘子模塊熱備用工作模式以提高MMC子模塊故障容錯性能[8]，冗餘子模塊熱備用工作模式將包含冗餘子模塊在內的所有子模塊投入運行，在子模塊故障時通過直接旁路故障子模塊，保證MMC不間斷工作，該工作模式具有簡單可靠、可無縫切換的優點。
但由於實際運行中各相之間以及每相上、下橋臂子模塊故障數目不一致，熱備用工作模式將導致各相之間以及每相上、下橋臂子模塊不對稱運行，從而會造成系統損耗增加、保護誤動作等一系列問題。因此對子模塊故障引起的橋臂不對稱故障機理分析與故障後無縫切換的控制策略是一個重要的研究熱點。
文獻[9-12]研究了子模塊故障後的檢測、定位、恢復等內容，但對故障後橋臂不對稱內部特性與環流抑制控制策略沒有深入研究。文獻[13]採用上、下橋臂能量平衡的方法保證上、下橋臂對稱運行，但該方法需要知道故障子模塊的確切數目，使故障檢測環節較為複雜。
文獻[14]通過對橋臂子模塊個數不相等情況建立數學模型，揭示了橋臂電流出現基頻環流的特性，並通過在傳統控制策略中疊加基頻控制器消除基頻環流，但該方法沒有考慮上、下橋臂電容電壓的平衡問題。文獻[15]通過調整子模塊電容電壓改變其開關頻率，達到使橋臂對稱運行的目的，但其增加了電容電壓的基準值，且引起了故障後電容充電的暫態過程。
文獻[16]通過提高子模塊利用率改善輸出波形電能質量，將橋臂電流基頻分量在dq座標系下變換以抑制基頻環流，但由於三相需要三個單相dq變換器，控制參數調節較為複雜。綜上可見，目前已有研究對不同頻率電流之間的耦合關係缺乏機理性分析。
針對由子模塊故障導致的橋臂子模塊可投入運行數目不相等的情況，本文首先基於橋臂開關函數建立橋臂不對稱數學模型，揭示上、下橋臂子模塊開關函數不一致是導致不對稱運行的根本原因。
通過藉助補償阻抗以抵消上、下橋臂子模塊故障數目不相等導致的不對稱分量，將子模塊故障下橋臂不對稱狀態轉化為準對稱運行狀態，從而建立準對稱條件下橋臂交流電流、直流環流和交流環流耦合模型。揭示了橋臂環流存在基頻分量，直流側電流出現基頻波動等現象的耦合特性。最後通過建立不同頻率下電流解耦控制模型，提出具有故障容錯能力的橋臂電流解耦控制策略。
圖1 三相MMC拓撲結構
圖8 帶容錯控制的MMC控制框圖
結論
針對模塊化多電平換流器在子模塊故障時橋臂子模塊可投入運行數目不一致的情況，本文研究了不對稱運行的故障特性，提出了具有故障容錯能力的橋臂電流解耦控制策略，從而解決了橋臂子模塊數目不等帶來的不平衡與環流問題，得出如下結論：
1）通過建立基於開關函數的橋臂不對稱運行數學模型，揭示了上、下橋臂子模塊開關函數不一致是導致不對稱運行的根本原因。
2）通過建立不對稱條件下橋臂交流電流、直流電流和交流環流耦合等效電路，並經理論推導表明：橋臂不對稱運行會導致橋臂電流出現基頻環流分量，同時交流電流也會引入由不對稱導致的直流電流分量和二倍頻電流分量。
3）通過建立不同頻率下電流解耦控制模型，提出了具有故障容錯能力的橋臂電流解耦控制策略，對直流電流、交流電流與二倍頻環流三個控制目標進行控制，保證了上、下橋臂直流電壓與子模塊電容電壓平衡，消除了橋臂基頻環流，抑制了橋臂二倍頻環流，並通過建立PSCAD/EMTDC仿真模型證明了所提出控制策略的有效性。
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