模塊化多電平換流器子模塊故障仿真與診斷

蘇雪婷，劉振興

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北 武漢，430081)

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模塊化多電平換流器子模塊故障仿真與診斷

蘇雪婷，劉振興

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北 武漢，430081)

分析了模塊化多電平換流器(MMC)的工作原理和故障特性，搭建了基于MATLAB/Simulink的五電平MMC故障仿真平臺，對子模塊中IGBT器件的開路、短路和高阻等故障狀態進行模擬，總結出發生不同故障時輸出直流電壓、子模塊電容電壓和交流側三相電流的變化特征，可為MMC故障診斷與故障模塊定位提供參考。

模塊化多電平換流器；子模塊；故障診斷；絕緣柵雙極型晶體管；MATLAB/Simulink

模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter,MMC)是一種新型的電壓變換電路，它通過將多個子模塊級聯的方式可以疊加輸出很高的電壓。模塊化結構使其具有較高的可靠性、穩定性以及可拓展性，因此MMC在電力機車傳動、柔性直流輸電和新能源并網發電等領域有著巨大的應用潛力。現階段學術界針對MMC的研究主要集中于暫態和穩態數學建模[1-2]、相間環流抑制策略[3]、調制控制策略[4-6]以及交直流系統故障保護[7-8]等方面，對于其子模塊的故障診斷研究相對較少。本文在分析MMC工作原理和故障規律的基礎上，結合MATLAB/Simulink仿真實驗，總結出一種MMC子模塊故障定位和故障原因診斷的方法。

1　模塊化多電平換流器基本原理

圖1為常用的雙星型聯接MMC拓撲結構示意圖，模塊化N電平換流器共有6個橋臂，每個橋臂上有N-1個子模塊，每相上下N-1個子模塊是完全對稱的。圖2為單個子模塊的內部電路結構，每個子模塊由兩個反并聯二極管D1、D2的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)器件T1、T2串聯而成，另有一直流電容C0與兩個IGBT并聯，電容的作用是不斷進行充、放電，從而存儲和釋放電能。圖2中iSM為子模塊輸入電流，USM為子模塊輸出電壓，UC為子模塊的電容電壓。通過T1、T2的觸發來控制子模塊的投入、切除、閉鎖，每個子模塊共有6種工作模式，如表1所示，其中0、1 表示二極管或IGBT的關斷和開通。

圖1　 MMC拓撲結構

圖2　MMC子模塊電路結構

工作狀態工作模式T1T2D1D2電流方向USM說明閉鎖10010A→BUC電容充電投入21000A→BUC電容充電切除30100A→B0電容充電閉鎖40001B→A0旁路投入51000B→AUC電容放電切除60001B→A0旁路

2　MMC故障分析

2.1子模塊故障特性

通過分析MMC子模塊的電路結構及充、放電規律可得子模塊的故障特性如下：

(1)子模塊中T1開路時，該模塊能正常充電，卻無法放電，導致該子模塊電容電壓不斷上升。

(2)子模塊中T1短路時，導致正半周(即電流方向A→B)時模塊電容不停地充、放電；負半周(即電流方向B→A)時該模塊相當于被短路，電容電壓為0。

(3)子模塊中T2開路時，相當于該模塊無法被切除，正半周(即電流方向A→B)本應處于切除狀態的時侯會變成充電狀態；負半周(即電流方向B→A)本應處于切除狀態的時侯會變成整個子模塊斷路，由于同一個橋臂的各個子模塊間是級聯的關系，子模塊斷路相當于整個橋臂斷開。因此，故障子模塊與同橋臂的其它子模塊雖仍能進行充、放電，但故障子模塊的電容電壓將明顯增大，高于同橋臂的其它子模塊。

(4)子模塊中T2短路時，相當于整個子模塊被短路，所以該子模塊電容電壓為0。

(5)子模塊中T1高阻時，該模塊仍能正常充電，但放電過程受到不同程度的影響，放電速度變慢導致該故障子模塊電容電壓不斷上升，高于與之級聯的正常子模塊。

2.2系統故障特性

當6個橋臂中運行的子模塊個數不對稱時，6個橋臂電容電壓的平均值不再平衡，6個橋臂的直流電流分量也不平衡，并且會導致直流電流分量進入交流側。

因此，當某個子模塊發生故障時：

(1)故障子模塊所在相的交流側電流將出現直流偏置(波形會上移或下移)。

(2)三相不對稱的環流分量將造成輸出直流電壓的波動，最后輸出的直流電壓將會出現明顯的諧波。

3　仿真研究

本研究采用雙星型MMC拓撲結構，以載波移相為調制策略，采用MATLAB/Simulink仿真軟件設計了一個基于載波移相SPWM的雙星型五電平換流器的仿真電路。其中，每相上、下橋臂各4個子模塊，48路控制信號是由MUX集成后發出，電網側的三相正弦交流電頻率為50Hz、電壓幅值為1kV，交流側串聯的電感為5mH，串聯在橋臂中的限流電感為2mH，每個橋臂上子模塊的電容大小為2mF。

3.1MMC正常運行

通過MMC仿真電路得到如圖3所示的直流側電壓波形圖。由圖3可見，運行穩定后得到5000V的直流輸出電壓，波形平穩，諧波少，直流控制效果顯著。經諧波分析可知，主要諧波成分為300Hz。

正常運行時的三相交流電流如圖4所示。由圖4可見，電流幅值為2640A，波形關于x軸完全對稱，每相的平衡位置都在零點處。

圖3　正常運行時的輸出直流電壓

圖4　正常運行時的三相交流電流

圖5所示為a相上橋臂4個子模塊對應的電容電壓。由圖5可見，4個子模塊正在不斷進行充電和放電，充電時電壓值最高可達3500V，4個電容電壓大小相等、波形完全重合。

圖5　正常運行時的子模塊電容電壓

3.2子模塊故障運行

(1)某一子模塊中T1短路

以a相子模塊1中T1短路為例進行仿真，可得到如下結果：

輸出直流電壓波動較大，出現明顯諧波,如圖6所示。經諧波分析可知，主要諧波成分為50Hz和150Hz。

三相交流電流較正常運行時幅值明顯減小，在相同條件下由原來的2640A減至2250A，降低了約15%，如圖7所示。

圖6　子模塊中T1短路時的輸出直流電壓

圖7　子模塊中T1短路時的三相交流電流

故障子模塊所在橋臂的4個子模塊的電容電壓均受到不同程度的影響，如圖8所示，其中故障子模塊1在正半周不斷進行充、放電，負半周電容電壓為0；而同橋臂的其它子模塊2、3、4的電容電壓依然大小相等、波形完全重合,與正常情況相比，其電壓值稍稍增大，最高值從3500V增至3850V，提高了10%。

圖8　子模塊中T1短路時的子模塊電容電壓

(2)某一子模塊中T2短路

以a相子模塊1中T2短路為例進行仿真，可得到如下結果：

輸出直流電壓波動較大，出現明顯諧波，如圖9所示。經諧波分析可知，主要諧波成分為50Hz和150Hz。

三相交流電流較正常運行時幅值明顯減小，在相同條件下由原來的2640A減至2250A，降低了約15%，如圖10所示。

圖9　子模塊中T2短路時的輸出直流電壓

圖10　子模塊中T2短路時的三相交流電流

故障子模塊所在橋臂的4個子模塊的電容電壓均受到不同程度的影響，如圖11所示，其中故障子模塊1相當于被短路，電容電壓為0；而同橋臂的其它子模塊2、3、4的電容電壓依然大小相等、波形完全重合，與正常情況相比，其電壓值有所增大，最高值從3500V增至4000V，提高了約14%。

圖11　子模塊中T2短路時的子模塊電容電壓

(3)某一子模塊中T1開路

以a相子模塊1中T1開路為例進行仿真，可得到如下結果：

輸出直流電壓波動較大，出現明顯諧波，如圖12所示。經諧波分析可知，主要諧波成分為50Hz和100Hz。

三相交流電流較正常運行時幅值有較大程度減小(如圖13所示)，在相同條件下由原來的2640A減至1900A，降低了約28%。故障相的相電流波形明顯上移，平衡位置移至零點上方；而其它相的相電流波形稍稍下移，每相的平衡位置低于零點。

圖12　子模塊中T1開路時的輸出直流電壓

圖13　子模塊中T1開路時的三相交流電流

故障子模塊所在橋臂的4個子模塊的電容電壓均受到不同程度的影響，如圖14所示，其中故障子模塊1只進行充電卻不放電，電容電壓不斷升高；而同橋臂的其它子模塊2、3、4的充、放電過程均受到阻礙，輸出電容電壓接近于0。

為了在固定運行條件（常態溫度）下保持恒定的轉化率或生產率，入口溫度需每月逐漸調高，催化劑失活速率正由此決定。失活速率和入口溫度范圍共同決定了催化劑的可用生命周期。通常催化劑的失活速率在每月1℃左右。在苯乙烯工廠，科萊恩新型催化劑呈現的失活速率降至0.58℃/月（見圖 4），表明該新型催化劑有著極高的穩定性。

圖14　子模塊中T1開路時的子模塊電容電壓

(4)某一子模塊中T2開路

以a相子模塊1中T2開路為例進行仿真，可得到如下結果：

輸出直流電壓波動較大，出現明顯諧波，如圖15所示。經諧波分析可知，主要諧波成分為50Hz和100Hz。

三相交流電流較正常運行時幅值明顯減小(如圖16所示)，在相同條件下由原來的2640A減至2400A，降低了約9%。故障相的相電流波形明顯上移，平衡位置移至零點上方；而其它相的相電流波形稍稍下移，每相的平衡位置低于零點。

故障子模塊所在橋臂的4個子模塊電容電壓均受到不同程度的影響(如圖17所示)，其中故障子模塊1放電過程受到影響，電容電壓始終維持在較高值，無法放電完全，電壓在1400～4500V之間波動；而同橋臂的其它子模塊2、3、4的電容電壓大小相等、波形完全重合，但它們的充電過程均受到阻礙，與正常情況相比，電容電壓大幅減小，最高值從3500V減至1400V，降低了60%。

圖15　子模塊中T2開路時的輸出直流電壓

圖16　子模塊中T2開路時的三相交流電流

圖17　子模塊中T2開路時的子模塊電容電壓

(5) 某一子模塊中T1高阻(2Ω)

輸出直流電壓波動較大，出現明顯諧波(如圖18所示)，經諧波分析可知，主要諧波成分為50Hz和100Hz。

圖18　子模塊中T1高阻(2 Ω)時的輸出直流電壓

三相交流電流較正常運行時幅值減小(如圖19所示)，在相同條件下由原來的2640A減至1875A，降低了約29%。故障相的相電流波形略微上移，平衡位置移至零點上方；而其它相的相電流波形略微下移，每相的平衡位置略低于零點。

故障子模塊所在橋臂的4個子模塊的電容電壓均受到不同程度的影響(如圖20所示)，其中故障子模塊1放電過程受到影響，電容電壓始終維持在較高值，無法放電完全，電壓在1300～3300V之間波動；而同橋臂的其它子模塊2、3、4的電容電壓依然大小相等、波形完全重合，但它們的充電過程均受到阻礙，與正常情況相比，電容電壓大幅減小，最高值從3500V減至2000V，降低了約43%。

圖19　子模塊中T1高阻(2 Ω)時的三相交流電流

圖20　子模塊中T1高阻(2 Ω)時的子模塊電容電壓

(6) 某一子模塊中T1高阻(10Ω)

以a相子模塊1中T1出現高阻故障(阻值為10Ω)為例進行仿真，可得到如下結果：

輸出直流電壓波動較大，出現明顯諧波(如圖21所示)，經諧波分析可知，主要諧波成分為50Hz和100Hz。

三相交流電流較正常運行時幅值明顯減小(如圖22所示)，在相同條件下由原來的2640A減至1800A，降低了32%。故障相的相電流波形明顯上移，平衡位置移至零點上方；而其它相的相電流波形稍稍下移，每相的平衡位置低于零點。與T1高阻(2Ω)條件下相比，此時的相電流波形偏離平衡位置的程度更甚。

圖21　子模塊中T1高阻(10 Ω)時的輸出直流電壓

故障子模塊所在橋臂的4個子模塊的電容電壓均受到不同程度的影響(如圖23所示)，其中故障子模塊1放電過程受到影響，電容電壓始終維持在較高值，無法放電完全，電壓在3500～4700V之間波動；而同橋臂的其它子模塊2、3、4的電容電壓依然大小相等、波形完全重合，但它們的充電過程均受到阻礙，與正常情況相比，電容電壓很低，最高值從3500V減至1200V，降低了約66%。

圖22　子模塊中T1高阻(10 Ω)時的三相交流電流

圖23　子模塊中T1高阻(10 Ω)時的子模塊電容電壓

4　MMC故障診斷規則

結合故障分析和仿真研究結果，可得出以下的MMC故障診斷規則：

(1)當某相中某一個模塊的IGBT器件T1或T2發生短路故障時，三相交流電流波形基本對稱，但電流幅值下降；輸出直流電壓出現明顯諧波，以50Hz和150Hz成分為主；T1短路時，故障子模塊電容電壓很低；T2短路時，故障子模塊電容電壓為零。

(2)當某相中某一個模塊的IGBT器件T1或T2發生開路故障時，三相交流電流波形不再對稱。若故障發生在上橋臂，故障相電流將出現正的直流成分，非故障相電流出現負的直流成分，若故障發生在下橋臂，故障相電流將出現負的直流成分，非故障相電流出現正的直流成分，由此可以定位故障相以及故障橋臂。輸出直流電壓出現明顯諧波，以50Hz和100Hz成分為主。T1開路時，故障子模塊電容電壓因無法放電而持續上升，其他子模塊電容電壓嚴重下降；T2開路時，故障子模塊電容電壓因放電不完全，最小值無法降為零，而是在上、下限之間波動。

(3)當IGBT器件因導通性能劣化而處于高阻狀態時，MMC故障規律與IGBT器件開路時類似，只是故障程度有所差別，導通性能越差，故障程度越接近于IGBT器件開路時的狀態。

5　結語

MMC子模塊故障會導致元器件失效或損壞，影響到整個系統的正常運行甚至會導致大面積供電中斷，對其實施準確的故障診斷十分重要。本文研究表明，利用輸出直流電壓、交流側電流和子模塊電容電壓可以對MMC的常見故障進行診斷和定位。但是，當每相的子模塊很多、不能采集模塊電容電壓時，對故障模塊的定位則需要進一步的深入研究。

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[責任編輯尚晶]

Faultsimulationanddiagnosisforsubmoduleofmodularmultilevelconverter

SuXueting,LiuZhenxing

(CollegeofInformationScienceandEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China)

Thispaperanalyzestheworkingprincipleandfaultcharacteristicsofmodularmultilevelconverter(MMC)andbuildsafive-levelMMCfaultsimulationplatformbasedonMATLAB/Simulink.Opencircuit,shortcircuitandhighimpedancefaultsofIGBTdevicesinasubmodulearesimulated,andthevariationpatternsofoutputDCvoltage,capacitancevoltagesofsub-modulesandthree-phaseACcurrentswhenIGBThasdifferentfaultsaresummarized,whichprovidesthereferenceforMMCfaultdiagnosisandlocation.

MMC;submodule;faultdiagnosis;IGBT;MATLAB/Simulink

2016-03-11

國家自然科學基金資助項目( 61174107).

蘇雪婷(1991-)，女，武漢科技大學碩士生.E-mail: 15071237732@163.com

劉振興(1965-)，男，武漢科技大學教授，博士生導師.E-mail:zhenxingliu@wust.edu.cn

TM72

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1674-3644(2016)04-0302-07