模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）作為電壓源型換流器的一種新拓?fù)洌哂兄C波含量低、開(kāi)關(guān)頻率低、損耗低、模塊性強(qiáng)、控制靈活、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛關(guān)注和研究，且已應(yīng)用于諸多工程項(xiàng)目，成為柔性直流輸電領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢(shì)。由于模塊化多電平換流器子模塊數(shù)量較多，包含眾多元件和器件，運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生故障，導(dǎo)致子模塊失效，引發(fā)直流側(cè)電壓和電流振蕩、環(huán)流增大、輸出畸變等故障，對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行造成不利影響，因此子模塊故障的研究是換流器持續(xù)運(yùn)行的重要保障。

現(xiàn)在已有不少關(guān)于子模塊故障類型診斷及定位的研究文獻(xiàn)，分別從理論分析和策略上給出了子模塊故障檢測(cè)、定位和保護(hù)措施，但對(duì)子模塊故障模擬及仿真技術(shù)提及較少。目前，關(guān)于子模塊故障試驗(yàn)的工程測(cè)試還比較缺乏，使用較多的還是基于實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的控制器硬件在環(huán)測(cè)試，將柔性直流控制保護(hù)系統(tǒng)接入半實(shí)物仿真平臺(tái)，對(duì)控制保護(hù)等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，該測(cè)試技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)投運(yùn)的多條柔性直流工程中得到應(yīng)用，并取得良好效果。

然而，基于數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的柔性直流控制保護(hù)閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)由于受到子模塊等效建模方法限制，無(wú)法精細(xì)模擬子模塊的詳細(xì)故障，如光纖故障、子模塊過(guò)電壓、旁路拒動(dòng)等多種故障，現(xiàn)有方法僅能模擬子模塊故障的有無(wú)，而閥控保護(hù)邏輯與子模塊故障類型密切相關(guān)，因此能否有效模擬子模塊故障將會(huì)影響閥控保護(hù)功能測(cè)試。

本文針對(duì)目前閥控測(cè)試中存在的不足，提出一種詳細(xì)模擬MMC子模塊故障的測(cè)試方法。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)MMC子模塊故障模擬，能夠全面驗(yàn)證閥控功能、性能及保護(hù)邏輯是否正確。

1 MMC子模塊故障類型

MMC子模塊拓?fù)淙鐖D1所示。MMC子模塊主要由二極管、IGBT器件、電容等構(gòu)成。MMC中每個(gè)橋臂串聯(lián)了大量的子模塊，因此子模塊出現(xiàn)故障的概率也高。從故障機(jī)理分析，子模塊故障主要有三種類型：控制觸發(fā)故障、控制策略失效故障、子模塊元器件故障。

圖1 MMC子模塊拓?fù)?/p>

1）控制觸發(fā)故障。

當(dāng)通信或者子模塊控制器的驅(qū)動(dòng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，會(huì)造成IGBT脈沖觸發(fā)有誤。脈沖信號(hào)觸發(fā)故障包括誤觸發(fā)和脈沖丟失，當(dāng)控制觸發(fā)故障發(fā)生時(shí)，造成的結(jié)果是應(yīng)當(dāng)關(guān)閉的IGBT導(dǎo)通、應(yīng)當(dāng)導(dǎo)通的IGBT關(guān)閉。假如在某一時(shí)刻子模塊上、下管同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致橋臂直通，此時(shí)回路的時(shí)間常數(shù)非常小，電容將通過(guò)回路快速釋放電能，造成子模塊電壓急劇降低，并導(dǎo)致較大的短路電流，若不能及時(shí)排除故障，將會(huì)導(dǎo)致元器件損壞。

如果應(yīng)該導(dǎo)通的器件沒(méi)有導(dǎo)通可能導(dǎo)致整個(gè)子模塊的兩個(gè)IGBT器件都處于關(guān)斷狀態(tài)，雖然此種狀態(tài)下子模塊短時(shí)間內(nèi)能正常投入運(yùn)行，但若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期下去會(huì)使電流一直從與IGBT并聯(lián)的二極管通過(guò)，這會(huì)影響二極管的使用壽命，一旦二極管損壞，子模塊開(kāi)路，則會(huì)破壞該橋臂的穩(wěn)定性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響。

2）控制策略失效故障。

當(dāng)子模塊均壓策略失效時(shí)會(huì)造成子模塊過(guò)電壓故障。在MMC系統(tǒng)中，大量的子模塊串聯(lián)在橋臂上，控制策略失效故障使子模塊電容電壓不能保持很好的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，容易造成子模塊處于過(guò)電壓狀態(tài)。

3）子模塊元器件故障。

在子模塊工作過(guò)程中，IGBT器件可能會(huì)發(fā)生開(kāi)路、短路等故障。IGBT開(kāi)路故障與觸發(fā)脈沖失效的結(jié)果是一樣的，短路故障也可等效為脈沖誤觸發(fā)。

IGBT短路故障：半橋中任一IGBT短路，會(huì)引發(fā)對(duì)側(cè)IGBT導(dǎo)通時(shí)橋臂直通，此時(shí)回路的時(shí)間常數(shù)非常小，電容將通過(guò)回路快速釋放電能，電壓急劇降低，并導(dǎo)致較高幅值的短路電流，若不及時(shí)排除故障，將導(dǎo)致電力電子元器件的損壞。

IGBT開(kāi)路故障：由圖1子模塊結(jié)構(gòu)可知，g1發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，子模塊電容的放電回路被阻斷，電容無(wú)法對(duì)外電路進(jìn)行放電。g2發(fā)生開(kāi)路故障，當(dāng)流經(jīng)子模塊的電流iarm＞0時(shí)，g2所在回路被阻斷，電流流通的路徑只剩下VD1，將對(duì)電容進(jìn)行充電。無(wú)論g1還是g2發(fā)生開(kāi)路故障，都將導(dǎo)致直流電容充放電異常，同時(shí)，由于投切異常，子模塊輸出電壓usm也與正常情況不一致，導(dǎo)致相間環(huán)流加劇。

2 子模塊故障設(shè)計(jì)

根據(jù)子模塊故障發(fā)生的情形，采用軟硬件結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景模擬，對(duì)于通信中斷導(dǎo)致脈沖丟失的情況，設(shè)計(jì)光纖通信中斷程序，即當(dāng)子模塊正常運(yùn)行時(shí)，人為將鏈路數(shù)據(jù)置0，此時(shí)控制器收不到數(shù)據(jù)，認(rèn)為發(fā)生光纖通信故障。

對(duì)于元器件損壞使IGBT開(kāi)路和短路導(dǎo)致脈沖誤觸發(fā)的情況，設(shè)計(jì)IGBT和晶閘管誤動(dòng)和拒動(dòng)程序。對(duì)于均壓控制策略失效導(dǎo)致的子模塊過(guò)電壓情況，通過(guò)軟件上開(kāi)發(fā)的過(guò)電壓程序來(lái)模擬過(guò)電壓故障。另外對(duì)功率板取能電源工作特性也進(jìn)行了模擬，設(shè)計(jì)取能電源得電和失電程序，模擬在上電和失電情況下子模塊的運(yùn)行狀態(tài)。

硬件設(shè)計(jì)思路是在原有仿真系統(tǒng)中加入一臺(tái)子模塊故障模擬裝置，該裝置基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）處理器，包括子模塊故障模擬、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、錄波和功率模塊接口功能。改進(jìn)后的故障模擬系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的故障模擬系統(tǒng)

與原有的硬件系統(tǒng)相比，新的硬件系統(tǒng)在保證接口匹配和數(shù)據(jù)傳輸不受影響的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)多種故障場(chǎng)景的模擬，彌補(bǔ)現(xiàn)有測(cè)試方法中的缺陷。

下面分別從硬件和軟件兩個(gè)方面闡述設(shè)計(jì)思路。

2.1 子模塊故障硬件設(shè)計(jì)

硬件裝置包含18塊FPGA接口板，一塊FPGA錄波板、一塊FPGA主板及背板，內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接如圖3所示。

圖3 故障模擬硬件系統(tǒng)

主控板與外部通過(guò)6路高速小型可插拔（small formfactor pluggables, SFP）光纖通信，內(nèi)部通過(guò)背板與接口板通信，控制接口板的低速光纖收發(fā)。在測(cè)試階段，故障模擬程序會(huì)先在FPGA主板中運(yùn)行，之后將處理結(jié)果發(fā)送給FPGA接口板，接口板通過(guò)低速光纖將數(shù)據(jù)信息一對(duì)一傳送給閥控通道。

此外，硬件系統(tǒng)還配置了上位機(jī)后臺(tái)，用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，與錄波板通過(guò)TCP/IP協(xié)議通信，在線配置故障類型并啟動(dòng)故障命令。

2.2 子模塊故障軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)不同的子模塊故障類型，在FPGA上開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的故障模擬程序，以下就子模塊不同故障類型實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行說(shuō)明。

1）電容電壓過(guò)電壓故障

子模塊過(guò)電壓一般是由于控制系統(tǒng)不穩(wěn)或者發(fā)生暫態(tài)故障時(shí)導(dǎo)致的過(guò)電壓沖擊。模擬過(guò)電壓故障，首先在上位機(jī)設(shè)置子模塊過(guò)電壓閾值，然后故障啟動(dòng)，將該閾值發(fā)送給FPGA接口板。FPGA接口板中的故障模擬程序?qū)?lái)自仿真模型中的子模塊電壓值與閾值進(jìn)行比較，當(dāng)大于閾值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓狀態(tài)并將該信號(hào)發(fā)送給閥控裝置。

2）光纖通信故障

模擬上行光纖通信中斷故障，上行光纖通信故障為閥控系統(tǒng)接收通信故障，故障模擬程序?qū)?duì)應(yīng)子模塊發(fā)送給閥控的數(shù)據(jù)置為0，此時(shí)閥控接收不到任何數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為上行光纖通信故障。模擬下行光纖通信中斷故障，下行光纖通信故障為閥控系統(tǒng)發(fā)送通信故障，故障模擬程序收到閥控系統(tǒng)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)置0送往仿真機(jī)，表現(xiàn)為下行光纖通信故障。

3）取能電源特性模擬

柔性直流換流閥啟動(dòng)或故障重啟時(shí)，只有當(dāng)功率模塊的電容電壓處于一定范圍內(nèi)，其控制板才能取電，并實(shí)現(xiàn)上下行通信。模擬裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)各功率模塊的電容電壓，并在上位機(jī)界面設(shè)置閾值條件，分別為得電和失電數(shù)值。當(dāng)檢測(cè)到的電壓滿足得電閾值條件時(shí)，才開(kāi)通其上下行通信。當(dāng)檢測(cè)到的電壓滿足失電閾值條件時(shí)，關(guān)閉上下行通信。

4）功率模塊控制板故障

功率模塊控制板在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)各種故障，造成功率模塊的誤動(dòng)或拒動(dòng)，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。功率模塊控制板故障包含IGBT拒動(dòng)、誤動(dòng)，晶閘管拒動(dòng)、誤動(dòng)。拒動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法是接口模擬裝置在接收到閥控下發(fā)的命令后，不響應(yīng)命令。屏蔽收到的所有閥控命令，向模型發(fā)送保持上一次狀態(tài)的指令。誤動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法是模擬裝置向模型發(fā)送的指令由人為設(shè)置，讓IGBT開(kāi)關(guān)按照人為操作去動(dòng)作。

以上即為模擬不同故障類型的實(shí)現(xiàn)方法。在實(shí)際應(yīng)用中，為了和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)盡量一致，會(huì)在FPGA接口板中嵌入閥控廠家的網(wǎng)表程序，以便模擬控制板功能。為了進(jìn)一步闡述故障模擬原理，以下以子模塊過(guò)電壓故障為例，描述從上位機(jī)設(shè)置故障到故障觸發(fā)返回狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)流程。

過(guò)電壓故障模擬流程如圖4所示。在仿真系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，從上位機(jī)下發(fā)某個(gè)子模塊的過(guò)電壓故障指令，通過(guò)錄波板將故障指令傳入FPGA主板程序的對(duì)應(yīng)故障模擬模塊，程序收到指令后，會(huì)強(qiáng)行改變對(duì)應(yīng)子模塊故障狀態(tài)位，使該子模塊處于過(guò)電壓狀態(tài)。過(guò)電壓數(shù)據(jù)傳入FPGA接口板后，閥控網(wǎng)表就會(huì)監(jiān)測(cè)并判斷出子模塊過(guò)電壓狀態(tài)，網(wǎng)表程序在上報(bào)過(guò)電壓故障的同時(shí)，會(huì)快速地強(qiáng)制將正常控制命令改為故障控制命令，從而禁止該過(guò)電壓子模塊繼續(xù)運(yùn)行。

圖4 過(guò)電壓故障模擬流程

故障控制命令傳入FPGA主板后，再轉(zhuǎn)發(fā)并作用到仿真機(jī)中的MMC模型，使對(duì)應(yīng)子模塊的電壓逐步下降。FPGA主板程序會(huì)全程監(jiān)測(cè)過(guò)電壓故障置位到子模塊電壓下降的過(guò)程，模擬過(guò)程結(jié)束后再將過(guò)電壓數(shù)據(jù)通過(guò)錄波板回傳至上位機(jī)，供測(cè)試人員分析。

3 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

柔性直流輸電（MMC-HVDC）半實(shí)物仿真系統(tǒng)如圖5所示，仿真系統(tǒng)由三部分組成：RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)、子模塊故障模擬系統(tǒng)及實(shí)際工程控制保護(hù)裝置。

圖5 MMC-HVDC半實(shí)物仿真系統(tǒng)

MMC-HVDC模型在RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上運(yùn)行，其中交直流主電路在CPU仿真上運(yùn)行，MMC閥體在FPGA上運(yùn)行。通過(guò)RT-LAB人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)模型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)視。

子模塊故障模擬系統(tǒng)包括故障模擬裝置和上位機(jī)，故障模擬裝置能夠?qū)崿F(xiàn)MMC子模塊故障模擬、提供功率模塊控制接口、實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換和錄波。上位機(jī)用于信號(hào)監(jiān)視、故障類型配置、啟動(dòng)。

各系統(tǒng)之間的通信包括以下三個(gè)部分：

1）RT-LAB與故障模擬裝置之間采用高速Aurora協(xié)議，在上行通信過(guò)程中，故障模擬裝置負(fù)責(zé)將RT-LAB仿真數(shù)據(jù)發(fā)送給閥控裝置，包括子模塊電壓、橋臂電流、故障標(biāo)志位等。在下行通信過(guò)程中，故障模擬裝置負(fù)責(zé)將閥控裝置發(fā)送的每個(gè)子模塊的控制脈沖和旁路請(qǐng)求指令傳輸給RT-LAB仿真平臺(tái)，控制子模塊的導(dǎo)通和關(guān)斷。

2）故障模擬裝置與閥控之間的通信采用自定義光纖通信協(xié)議，故障模擬裝置通過(guò)低速光口與閥控裝置相連，其中每個(gè)子模塊對(duì)應(yīng)一對(duì)光纖（一收一發(fā)）。為了能與不同閥控廠商的設(shè)備對(duì)接，在故障模擬裝置FPGA程序中可以嵌入廠家的網(wǎng)表程序。

3）站級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)與RT-LAB通過(guò)IO接口通信，將仿真模型中的交流電壓、電流、橋臂電流、直流電壓、直流電流等數(shù)據(jù)傳遞給控保裝置，用于控制和后臺(tái)顯示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文提出的子模塊故障模擬技術(shù)在柔性直流閥控裝置出廠測(cè)試環(huán)節(jié)得到了應(yīng)用和檢驗(yàn)，該柔性直流系統(tǒng)采用MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主回路參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)系統(tǒng)基于RT-LAB仿真平臺(tái)，采用上述通信接口搭建，開(kāi)展模塊過(guò)電壓故障、上行光纖通信故障、取能電源特性模擬和控制板故障試驗(yàn)。

表1 主回路參數(shù)

1）模塊過(guò)電壓故障。

在故障模擬裝置上位機(jī)后臺(tái)設(shè)置子模塊過(guò)電壓閾值，充電過(guò)程中當(dāng)子模塊電壓大于設(shè)定的閾值電壓時(shí)，過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，系統(tǒng)向控制器發(fā)送故障位狀態(tài)字，控制器收到反饋后下發(fā)旁路指令，相應(yīng)子模塊被旁路。

試驗(yàn)過(guò)程：不控充電階段，將A相上橋臂第5個(gè)子模塊設(shè)置1 000V過(guò)電壓閾值，當(dāng)充電超過(guò)閾值電壓時(shí)過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，子模塊被旁路并進(jìn)入放電過(guò)程，電壓下降。子模塊過(guò)電壓故障波形如圖6所示。

圖6 子模塊過(guò)電壓故障波形

2）上行光纖通信故障。

其原理是發(fā)生故障時(shí)，將故障模擬裝置內(nèi)網(wǎng)表中的光纖發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)置為0，閥控接收不到數(shù)據(jù)，顯示上行通信故障。控制器檢測(cè)到上行光纖通信故障后，發(fā)出旁路指令給對(duì)應(yīng)子模塊，相應(yīng)子模塊電壓開(kāi)始下降。

試驗(yàn)過(guò)程：靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，設(shè)置B相上橋臂第3到第8個(gè)子模塊上行光纖通信故障，并在1.2s時(shí)啟動(dòng)故障，發(fā)出旁路指令給相應(yīng)的子模塊，對(duì)應(yīng)子模塊旁路后電壓開(kāi)始下降。子模塊上行光纖通信故障波形如圖7所示。

圖7 子模塊上行光纖通信故障波形

3）取能電源特性模擬。

對(duì)子模塊取能電源特性進(jìn)行模擬，在上位機(jī)后臺(tái)分別設(shè)置得電和失電閾值，子模塊電壓上升階段，當(dāng)電容電壓低于得電閾值時(shí)，閥控接收到的電壓為0；當(dāng)超過(guò)該閾值時(shí)，閥控接收到的電壓為實(shí)際值。在子模塊電壓下降階段，當(dāng)電容電壓高于失電閾值時(shí)，閥控接收到的電壓為實(shí)際值；當(dāng)?shù)陀谠撻撝禃r(shí)，閥控接收到的電壓為0，且延遲10ms后，切斷模塊上下行光纖通信。

試驗(yàn)過(guò)程：子模塊充電階段，設(shè)置B相上橋臂第1個(gè)子模塊得電閾值電壓為500V，設(shè)置失電閾值電壓為300V。在交流開(kāi)關(guān)合閘后，當(dāng)檢測(cè)到子模塊電壓大于500V時(shí)，將實(shí)際電壓送給閥控。斷開(kāi)交流開(kāi)關(guān)，當(dāng)子模塊電壓小于300V時(shí)，閥控接收到的電壓為0，延遲10ms后關(guān)閉光纖通信。子模塊取能電源特性模擬試驗(yàn)波形如圖8所示。

圖8 子模塊取能電源特性模擬試驗(yàn)波形

4）控制板故障。

該試驗(yàn)?zāi)MIGBT的拒動(dòng)、誤動(dòng)情況，以及晶閘管旁路的誤動(dòng)和拒動(dòng)情況。拒動(dòng)是指子模塊不響應(yīng)閥控指令，閥控向模型發(fā)送的狀態(tài)保持上一次的數(shù)據(jù)直到故障清除。誤動(dòng)是指人工輸入閥控指令，讓子模塊按照人為的操作打開(kāi)和關(guān)閉，以下給出兩種典型試驗(yàn)。

（1）IGBT誤動(dòng)測(cè)試

不控充電階段，設(shè)置C相上橋臂第10個(gè)子模塊g1誤動(dòng)故障，g1人為輸入導(dǎo)通指令。充電過(guò)程中該子模塊電壓為0，其他子模塊電壓充電正常。清除故障后，被誤動(dòng)的子模塊電壓開(kāi)始升高到與其他子模塊保持一致。IGBT誤動(dòng)故障波形如圖9所示。

圖9 IGBT誤動(dòng)故障波形

（2）晶閘管旁路拒動(dòng)測(cè)試

在STATCOM運(yùn)行階段，C相上橋臂前兩個(gè)子模塊設(shè)置旁路拒動(dòng)故障，其他子模塊正常旁路。控制器發(fā)送旁路指令后，前兩個(gè)子模塊電壓持續(xù)上升，清除旁路拒動(dòng)故障后，前兩個(gè)子模塊電壓開(kāi)始下降。晶閘管拒動(dòng)故障波形如圖10所示。

圖10 晶閘管拒動(dòng)故障波形

5 結(jié)論

本文針對(duì)目前柔性直流工程控制保護(hù)裝置硬件在環(huán)測(cè)試方法無(wú)法精確模擬子模塊故障的情況，提出了一種基于故障模擬裝置的MMC子模塊故障仿真試驗(yàn)技術(shù)，該技術(shù)在傳統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)子模塊的詳細(xì)故障模擬，彌補(bǔ)了現(xiàn)有測(cè)試手段存在的不足，進(jìn)一步提升了閥控功能測(cè)試和保護(hù)邏輯驗(yàn)證功能，試驗(yàn)結(jié)果表明該仿真技術(shù)有效。

本文編自2022年第4期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“模塊化多電平換流器子模塊故障模擬方法”，作者為鄒毅軍、魏明洋。