模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护

作 。 桥臂的电容电压均衡控制可以使桥臂各子模块 电容电压实现均衡 。 总直流电压控制以及相单元并 联结构可以维持相 单 元 直 流 电 压 的 稳 定 ， 随着故障 、 ， 相上 下桥臂子模 块 投 切 状 态 的 轮 换 其 上 、 下桥臂 子模块电容电压之间也可以达到平衡 。 ） 冷备用冗余子模块进入热备用 。 接入的热备 ３ 需要将同样数量的 用冗余子模块充电 一 定 时 间 后 ， （ ） 冷备用子模块 闭锁状态 切换到热备用状态 。 具体 见 图 ５） 方法为先将冷备用闭锁状态的冗余子模块 （ （ ） ， 切换到冷备用 切 除 状 态 见 图 ３ 然 后 再 打 开 旁 路 开关 ， 使其进入 热 备 用 状 态 。 这 样 旁 路 开 关 开 断 前 ， 后 子模块都置于切除状态 ， 桥臂电流仍然能够自由 流通 ， 降低了旁路开 关 开 断 造 成 的 冲 击 和 对 旁 路 开 关开断能力的要求 。 本文 提 出 的 冗 余 保 护 方 案 具 有 通 用 性 ， 可和不 。 同换流器控制方法配合 换流器各桥臂中处于运行 状态的子模块数相 等 且 保 持 不 变 ， 换流器内部主要 （ 、 控制算法 包括功率控制 调制策略和直流电压均衡 均不需要改变 ， 只需要增加触发脉冲的切换 策略等 ） 。 、 输出功能 采用冷 热备用相结合的方案 ， 将少量子 模块置于热备用状 态 ， 其余子模块置于冷备用闭锁 冷备 状态 。 热备用冗余 子 模 块 能 够 迅 速 进 入 运 行 ， 用冗余子模块处于闭锁状态有利于保护 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ。
图 ３～ 图 ５ 是旁路开关 闭 合 时 ， 子 模 块 的 投 入、 切除和闭锁 ３ 种开 关 状 态 及 其 电 流 路 径 ， 本文将其 称为冗余子模块的冷备用 。 冷备用状态下的冗余子 模块在进入运行前 ， 必须首先将旁路开关可靠开断 ， 这通常需要数十毫秒 。 — ９ ５ —
（ ） ２ ０ １ １， ３ ５ １ ６
图 ３ 冗余子模块冷备用切除状态 Ｆ ｉ ． ３ Ｃ ｏ ｌ ｄ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｂ ｓ ｕ ｂ ｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ａ ｔ Ｏ Ｆ Ｆ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ － －ｍ － ｇ ｙ
图 ４ 冗余子模块冷备用投入状态 Ｆ ｉ ． ４ Ｃ ｏ ｌ ｄ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｂ ｓ ｕ ｂ ｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ａ ｔ Ｏ Ｎ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ － －ｍ － ｇ ｙ
［ １ ４］ ， 同数量的子模块 （ 对称运行 ） 也可以 不 做 任 何 改 ［ ９］ 。 动（ 不对称运行 ）
２ 子模块故障分析
２ ． １ 故障原因 以下列举了几种引起子模块故障的原因 ： ） 电力电子器 件 损 坏 。 １ Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 和续流二极管等 电力电子器件的过载能力较弱 ， 过电压 、 过电流或者 是过高的电压 、 电流 上 升 率 都 可 能 造 成 电 力 电 子 器 件的损坏 。 因此 ， 电力电子器件损坏是最常见的子 模块故障原因 。 ） 储能电 容 损 坏 。 电 容 属 于 无 源 元 件 ， 与电力 ２ 电子器件相比 ， 其过载能力较强 。 因此 ， 储能电容故 障的概率低于电力电子器件 。 ） 触发控制故障 。 主要是指触发信号不能正确 ３ 传输到子模块 ， 导致其不能正常工作 。 ２ ． ２ 故障的影响 监测和保护装置检测到子模块故障后， 会发出 报警信号 ， 闭锁故障子模块 ， 并向其旁路开关发出闭 故障子模块将被旁 合指令 。 旁路开关 有 效 闭 合 后 ， 路 。 在这之后 ， 换流器将会出现以下 ２ 种状况 ： ） 如果故障相中被投入的子模块不包含故障子 １ 则换流器仍然正常 。 模块 ， ） 如果故障相中被投入的子模块包含故障子模 ２ 块， 由于故障子模块被旁路 ， 故障相输出的直流电压 不足 ， 这会显著增大其他两相对故障相的环流 ， 故障 相输出的交流电压也会出现较大偏差 。 随着状况 １ 和状况 ２ 的交替出现 ， 直流电压 、 直 流电流以及子模块 电 容 电 压 将 会 发 生 振 荡 ， 将对其 ， ， 余子模块造成危害 最终可能引起保护动作 使换流 器退出运行 。 可见 ， 单个或少量子模块的故障会导 致整个换 流 器 停 运 。 虽 然 单 个 子 模 块 的 故 障 率 较 但是 ＭＭＣ 含有大量的子模块 ， 降低了系统的可 低， 靠性 。 因此 ， 必须采取子模块故障冗余保护 ， 使换流 器具有一定的容错 能 力 ， 不会因为单个或少量子模 。 块的故障而停运
；修回日期 ： 。 收稿日期 ： ２ ０ １ １ ０ １ ０ ５ ２ ０ １ １ ０ ４ １ ９ － － － － ） 。 国家科技支撑计划重大项目 （ ２ ０ ０ ６ Ｂ ＡＡ ０ ２ Ａ ２ １ 图 １ ＭＭＣ 拓扑结构 Ｆ ｉ ． １ Ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ＭＭＣ ｇ ｇ
与级联 Ｈ 桥换流 器 不 同 ， ＭＭＣ 具 有 总 的 直 流 其直流电压由 ３ 个相单元并联提供 ， 三相子模 母线 ， 块的直流储能在电路结构上并不彼此独立 。 总直流 电压 的 稳 定 对 ＭＭＣ 的 正 常 运 行 至 关 重 要 ， 为了减 小三相间的不平衡 ， 下桥臂必须严 ＭＭＣ 每 相 的 上 、
换流器有 ６ 个桥 臂 ， 每个桥臂都由ｎ 个相同的 ６］ 。 每个子模块包 子模块和 １ 个换流电抗串联而成 ［ 含 ２ 个绝缘栅双极晶体管 （ 和续流二极管组 、 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ） 上 部Ｉ １ 个储能 电 容 ， Ｇ Ｂ Ｔ 开 通 或 者 下 部Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ开 １ １］ 。通过开 通分别对 应 子 模 块 的 投 入 和 切 除 状 态 ［ 可以实现对子模块输出电压的控制 。 关状态的切换 ，
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· 研制与开发 · 管敏渊 ， 等 模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护
在子模块的输出端 安 装 了 快 速 旁 路 开 关 ， 可以迅速 ［ ６］ 将故障的子 模 块 旁 路 。 每 相 的 上 、 下桥臂组成一 个相 单 元 ， ３个结构相同的相单元在直流侧并联来 每个 提供总直流电压 。 为 了 保 证 总 直 流 电 压 稳 定 ， 相单元中 处 于 投 入 状 态 的 子 模 块 数 必 须 维 持 在 ｎ 个 。 通过改变这 ｎ 个 子 模 块 在 该 相 上 、 下桥臂间的 １ １］ 。 分配关系 ， 可以得到相应的交流电压输出 ［
５］ ， 而且 ３ 个相单元也是严格对称的 ［ 不推荐 格对称 ，
不对称运行 。 如 果 采 用 方 案 ２， 当某桥臂的１个子 模块故障被旁路后 ， 为了保持系统结构的对称性 ， 需 这会给系统 要将其他 ５ 个桥臂 各 旁 路 １ 个 子 模 块 ， 带来很大的暂态 冲 击 ， 造 成 直 流 电 压 显 著 波 动。而 方案 １ 只需对故障桥臂做处理 ， 比较适合 ＭＭＣ。 ３ ． ２ 具体实现方法 图２ 是 旁 路 开 关 开 断 时， 子模块的切除状态及 其电流ｉ 子模块输出电压总为 Ｓ Ｍ 路径 。 切除状态下 ， 零， 本文将其称 为 冗 余 子 模 块 的 热 备 用 。 其 优 点 是 可以立即进入运行 ； 其缺点 冗余子模块已接入桥臂 ， 是正常运行时 ， 将有负荷电流流过 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ。
这样 ， 即使三相桥臂 能在电路结构上是彼此独立的 ，
９］ 。因 的级联子模 块 数 不 相 等 ， 换 流 器 也 能 够 运 行［
如果在三相桥臂 中 都 串 入 相 同 数 量 的 冗 余 子 模 此， 块， 级联 Ｈ 桥 换 流 器 的 冗 余 保 护 方 案 可 以 非 常 灵 活， 主要有如下 ２ 种 。 方案 １： 正常运行时冗余 子 模 块 被 旁 路 ， 不参与 一旦出现子模块故障 ， 用冗余子模块将故障子 工作 ， 模块替换 。 其缺点是冗余子模块接入及其电容充电 可能需要花费较多的时间 ， 这限制了该方案的应用 。 方案 ２： 正常运行时冗余 子 模 块 也 参 与 工 作 ， 故 其直流电压由桥臂中剩余子模 障子模块被旁路后 ， 块分担 。 对其余 ２ 个 正 常 相 ， 可以旁路与故障相相
１ 基本原理
ＭＭＣ 拓扑结构的示意图如图 １ 所示 。
。 模块级联型多电平换流
Fra Baidu bibliotek
输出特 性 。 级 联 Ｈ 桥 换 流 器 （ 已被用于静 ＣＨＢ Ｃ） ［ ］ ８ ９ － 但是其拓扑不存 止同步 补 偿 器 （ Ｓ ＴＡＴ Ｃ ＯＭ ） ， 在公共的直流正 、 负极母线 ， 不能用于直流输电 。 为 ， ［ ］ 此 文献 １ ０ 提出了一种新颖的基于半 Ｈ 桥级联的 ， 模块化多电平换流器 （ 其拓扑含有公共的直 ＭＭＣ） ］ ６， １ １ １ ３ － 。西门子 流正 、 负极母线 ， 适 合 用 于 直 流 输 电［ ”Ｖ 公司计划在其 “ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ Ｂ ａ Ｃ ａ ｂ ｌ ｅ Ｓ Ｃ－ＨＶ Ｄ Ｃ 工程 ｙ ［ ］ ５ ６ － 。 中使用 ＭＭＣ 拓扑 一旦有子模块 ＭＭＣ 含 有 大 量 的 级 联 子 模 块 ， 发生故障 ， 换流器 将 无 法 正 常 工 作 甚 至 可 能 退 出 运 行， 这大大降低了系统的可靠性 。 因此 ， 必须设计相 应的冗余保护 ， 使换 流 器 能 够 应 对 少 量 子 模 块 发 生 故障的情况 ， 而 不 至 于 停 运。 已 有 不 少 学 者 对 级 联 Ｈ 桥换流器 的 冗 余 保 护 进 行 了 研 究 并 提 出 了 具 体 ９， １ ４］ 。 ＭＭＣ 拓 扑 出 现 较 晚 ， 的实现 方 法 ［ 相关的研 究成果还较少 ； 而且 ＭＭＣ 与级联 Ｈ 桥换流器在结
［ ７］
简单介绍了一种 构 上 也 有 较 大 差 异。 文 献 ［ ６］ 但是并未对此 ＭＭＣ 的子模块 故 障 冗 余 保 护 方 案 ， 进行深入地分析和 研 究 ， 也没有给出具体的实现方 法 。 本文对 ＭＭＣ 的子模块故障特性进行了详尽的 分析 ， 提 出 了 一 种 适 合 ＭＭＣ 的 子 模 块 的 冗 余 保 护 方法 ， 并通过电磁暂态仿真验证了该方法的效果 。
０ 引言
电压 源 换 流 器 是 电 压 源 换 流 器 型 直 流 输 电 ］ １ ４ － （ 。最 基 本 的 电 压 源 换 的核心部件 ［ Ｖ Ｓ Ｃ－ＨＶ Ｄ Ｃ） 流器是两电平换流 器 和 中 点 箝 位 型 三 电 平 换 流 器 。 这 ２ 种拓扑用于高 压 大 功 率 场 合 时 ， 需要使用电力 电子开关器件的直 接 串 联 ， 对串联器件的开关一致 ［ ］ ５ ６ － 。 目前 ， 性要求很高 Ａ Ｂ Ｂ 公司的 Ｖ Ｓ Ｃ－ＨＶ Ｄ Ｃ工 程主要采用这 ２ 种拓扑 串联 ， 不仅能够避免开关器件的 器采用子模块 （ Ｓ Ｍ） 直接串联 ， 而且可以增加换流器的输出电平数 ， 改善
第３ ５ 卷 第 １ ６期 ２ ０ １ １年８月２ ５日
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ５ Ｎ ｏ ． １ ６ Ａ ｕ ． ２ ５， ２ ０ １ １ ｇ
模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护
管敏渊 ，徐 政
（ ） 浙江大学电气工程学院 ，浙江省杭州市 ３ １ ０ ０ ２ ７
摘要 ：对模块化多电平换流器 （ 的基本工作原理进行了阐述 ， 分析了 ＭＭＣ 中子模块的几种 ＭＭＣ） ， 最终将导致换流器停 常见故障原因 指出了单个子模 块 故 障 会 引 发 直 流 电 压 和 直 流 电 流 的 振 荡 ， 运 。 对级联 Ｈ 桥多电平换流器几种常见的子模块故障冗余保护方案进行了比较 ， 在此基础上提出 。 了适合 ＭＭＣ 的子模块故障冗余保护方法 该方法 将 少 量 冗 余 子 模 块 置 于 热 备 用 状 态 ， 这些热备 用冗余子模块能够以最快的速度接入桥臂来替换故障子模块 。 其余冗余子模块被置于冷备用的闭 锁状态 ， 能够可靠保护绝缘栅双极晶体管 （ 中 没 有 电 流 流 过。时 域 仿 真 结 果 表 明， 所提出的 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ） 并能够让换流器快速恢复正常工作 。 保护方法可以避免单个子模块故障而造成换流器停运 ， 关键词 ：电压源换流器型直流输电 ；模块化多电平换流器 ；故障分析 ；冗余保护 ；电容电压均衡
图 ２ 热备用冗余子模块 Ｆ ｉ ． ２ Ｈ ｏ ｔ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｂ ｓ ｕ ｂ ｏ ｄ ｕ ｌ ｅ － －ｍ ｇ ｙ
３ 冗余保护方案
３ ． １ 保护方案分析 冗余保护在级 联 Ｈ 桥 换 流 器 中 已 经 有 较 多 研 ［ ９， １ 究 ４］。 级 联 Ｈ 桥 换 流 器 的 三 相 子 模 块 的 直 流 储