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撲，具有諧波含量低、開關(guān)頻率低、損耗低、模塊性強、控制靈活、易于擴展等優(yōu)點，已經(jīng)得到廣泛關(guān)注和研究，且已應用于諸多工程項目，成為柔性直流輸電領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢。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，運行過程中可能會發(fā)生故障，導致子模塊失效，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，對系統(tǒng)的可靠運行造成不利影響，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，分別從理論分析和策略上給出了子模塊故障檢測、定位和保護措施，但對子模塊故障模擬及仿真技術(shù)提及較少。目前，關(guān)于子模塊故障試驗的工程測試還比較缺乏，使用較多的還是基于實時仿真平臺的控制器硬件在環(huán)測試，將柔性直流控制保護系統(tǒng)接入半實物仿真平臺，對控制保護等關(guān)鍵設(shè)備進行測試和驗證，該測試技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)投運的多條柔性直流工程中得到應用，并取得良好效果。

然而，基于數(shù)字實時仿真平臺的柔性直流控制保護閉環(huán)測試系統(tǒng)由于受到子模塊等效建模方法限制，無法精細模擬子模塊的詳細故障，如光纖故障、子模塊過電壓、旁路拒動等多種故障，現(xiàn)有方法僅能模擬子模塊故障的有無，而閥控保護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影響閥控保護功能測試。

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

1 MMC子模塊故障類型

MMC子模塊拓撲如圖1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子模塊拓撲

1）控制觸發(fā)故障。

當通信或者子模塊控制器的驅(qū)動設(shè)備發(fā)生故障時，會造成IGBT脈沖觸發(fā)有誤。脈沖信號觸發(fā)故障包括誤觸發(fā)和脈沖丟失，當控制觸發(fā)故障發(fā)生時，造成的結(jié)果是應當關(guān)閉的IGBT導通、應當導通的IGBT關(guān)閉。假如在某一時刻子模塊上、下管同時導通而導致橋臂直通，此時回路的時間常數(shù)非常小，電容將通過回路快速釋放電能，造成子模塊電壓急劇降低，并導致較大的短路電流，若不能及時排除故障，將會導致元器件損壞。

如果應該導通的器件沒有導通可能導致整個子模塊的兩個IGBT器件都處于關(guān)斷狀態(tài)，雖然此種狀態(tài)下子模塊短時間內(nèi)能正常投入運行，但若不能及時發(fā)現(xiàn)，長期下去會使電流一直從與IGBT并聯(lián)的二極管通過，這會影響二極管的使用壽命，一旦二極管損壞，子模塊開路，則會破壞該橋臂的穩(wěn)定性，對整個系統(tǒng)造成影響。

2）控制策略失效故障。

當子模塊均壓策略失效時會造成子模塊過電壓故障。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態(tài)平衡狀態(tài)，容易造成子模塊處于過電壓狀態(tài)。

3）子模塊元器件故障。

在子模塊工作過程中，IGBT器件可能會發(fā)生開路、短路等故障。IGBT開路故障與觸發(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，會引發(fā)對側(cè)IGBT導通時橋臂直通，此時回路的時間常數(shù)非常小，電容將通過回路快速釋放電能，電壓急劇降低，并導致較高幅值的短路電流，若不及時排除故障，將導致電力電子元器件的損壞。

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

2 子模塊故障設(shè)計

根據(jù)子模塊故障發(fā)生的情形，采用軟硬件結(jié)合的方法來實現(xiàn)場景模擬，對于通信中斷導致脈沖丟失的情況，設(shè)計光纖通信中斷程序，即當子模塊正常運行時，人為將鏈路數(shù)據(jù)置0，此時控制器收不到數(shù)據(jù)，認為發(fā)生光纖通信故障。

對于元器件損壞使IGBT開路和短路導致脈沖誤觸發(fā)的情況，設(shè)計IGBT和晶閘管誤動和拒動程序。對于均壓控制策略失效導致的子模塊過電壓情況，通過軟件上開發(fā)的過電壓程序來模擬過電壓故障。另外對功率板取能電源工作特性也進行了模擬，設(shè)計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行狀態(tài)。

硬件設(shè)計思路是在原有仿真系統(tǒng)中加入一臺子模塊故障模擬裝置，該裝置基于現(xiàn)場可編程門陣列（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。改進后的故障模擬系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 改進后的故障模擬系統(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)多種故障場景的模擬，彌補現(xiàn)有測試方法中的缺陷。

下面分別從硬件和軟件兩個方面闡述設(shè)計思路。

2.1 子模塊故障硬件設(shè)計

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6路高速小型可插拔（small formfactor pluggables, SFP）光纖通信，內(nèi)部通過背板與接口板通信，控制接口板的低速光纖收發(fā)。在測試階段，故障模擬程序會先在FPGA主板中運行，之后將處理結(jié)果發(fā)送給FPGA接口板，接口板通過低速光纖將數(shù)據(jù)信息一對一傳送給閥控通道。

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

2.2 子模塊故障軟件設(shè)計

針對不同的子模塊故障類型，在FPGA上開發(fā)了相應的故障模擬程序，以下就子模塊不同故障類型實現(xiàn)方法進行說明。

1）電容電壓過電壓故障

子模塊過電壓一般是由于控制系統(tǒng)不穩(wěn)或者發(fā)生暫態(tài)故障時導致的過電壓沖擊。模擬過電壓故障，首先在上位機設(shè)置子模塊過電壓閾值，然后故障啟動，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)碜苑抡婺Ｐ椭械淖幽K電壓值與閾值進行比較，當大于閾值時，會產(chǎn)生過電壓狀態(tài)并將該信號發(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)幽K發(fā)送給閥控的數(shù)據(jù)置為0，此時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，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或故障重啟時，只有當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，并實現(xiàn)上下行通信。模擬裝置實時檢測各功率模塊的電容電壓，并在上位機界面設(shè)置閾值條件，分別為得電和失電數(shù)值。當檢測到的電壓滿足得電閾值條件時，才開通其上下行通信。當檢測到的電壓滿足失電閾值條件時，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行過程中可能會出現(xiàn)各種故障，造成功率模塊的誤動或拒動，影響設(shè)備的正常運行。功率模塊控制板故障包含IGBT拒動、誤動，晶閘管拒動、誤動。拒動的實現(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。誤動的實現(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開關(guān)按照人為操作去動作。

以上即為模擬不同故障類型的實現(xiàn)方法。在實際應用中，為了和實際現(xiàn)場盡量一致，會在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。為了進一步闡述故障模擬原理，以下以子模塊過電壓故障為例，描述從上位機設(shè)置故障到故障觸發(fā)返回狀態(tài)的實現(xiàn)流程。

過電壓故障模擬流程如圖4所示。在仿真系統(tǒng)正常運行時，從上位機下發(fā)某個子模塊的過電壓故障指令，通過錄波板將故障指令傳入FPGA主板程序的對應故障模擬模塊，程序收到指令后，會強行改變對應子模塊故障狀態(tài)位，使該子模塊處于過電壓狀態(tài)。過電壓數(shù)據(jù)傳入FPGA接口板后，閥控網(wǎng)表就會監(jiān)測并判斷出子模塊過電壓狀態(tài)，網(wǎng)表程序在上報過電壓故障的同時，會快速地強制將正?？刂泼罡臑楣收峡刂泼睿瑥亩乖撨^電壓子模塊繼續(xù)運行。

圖4 過電壓故障模擬流程

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

3 仿真試驗系統(tǒng)

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

圖5 MMC-HVDC半實物仿真系統(tǒng)

MMC-HVDC模型在RT-LAB實時仿真平臺上運行，其中交直流主電路在CPU仿真上運行，MMC閥體在FPGA上運行。通過RT-LAB人機交互界面實現(xiàn)模型實時動態(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，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、實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換和錄波。上位機用于信號監(jiān)視、故障類型配置、啟動。

各系統(tǒng)之間的通信包括以下三個部分：

1）RT-LAB與故障模擬裝置之間采用高速Aurora協(xié)議，在上行通信過程中，故障模擬裝置負責將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、故障標志位等。在下行通信過程中，故障模擬裝置負責將閥控裝置發(fā)送的每個子模塊的控制脈沖和旁路請求指令傳輸給RT-LAB仿真平臺，控制子模塊的導通和關(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，故障模擬裝置通過低速光口與閥控裝置相連，其中每個子模塊對應一對光纖（一收一發(fā)）。為了能與不同閥控廠商的設(shè)備對接，在故障模擬裝置FPGA程序中可以嵌入廠家的網(wǎng)表程序。

3）站級控制保護系統(tǒng)與RT-LAB通過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，用于控制和后臺顯示。

4 試驗驗證

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試環(huán)節(jié)得到了應用和檢驗，該柔性直流系統(tǒng)采用MMC拓撲結(jié)構(gòu)，主回路參數(shù)見表1。試驗系統(tǒng)基于RT-LAB仿真平臺，采用上述通信接口搭建，開展模塊過電壓故障、上行光纖通信故障、取能電源特性模擬和控制板故障試驗。

表1 主回路參數(shù)

1）模塊過電壓故障。

在故障模擬裝置上位機后臺設(shè)置子模塊過電壓閾值，充電過程中當子模塊電壓大于設(shè)定的閾值電壓時，過電壓保護動作，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，相應子模塊被旁路。

試驗過程：不控充電階段，將A相上橋臂第5個子模塊設(shè)置1 000V過電壓閾值，當充電超過閾值電壓時過電壓保護動作，子模塊被旁路并進入放電過程，電壓下降。子模塊過電壓故障波形如圖6所示。

圖6 子模塊過電壓故障波形

2）上行光纖通信故障。

其原理是發(fā)生故障時，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?？刂破鳈z測到上行光纖通信故障后，發(fā)出旁路指令給對應子模塊，相應子模塊電壓開始下降。

試驗過程：靜止同步補償器（STATCOM）穩(wěn)態(tài)運行階段，設(shè)置B相上橋臂第3到第8個子模塊上行光纖通信故障，并在1.2s時啟動故障，發(fā)出旁路指令給相應的子模塊，對應子模塊旁路后電壓開始下降。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。

對子模塊取能電源特性進行模擬，在上位機后臺分別設(shè)置得電和失電閾值，子模塊電壓上升階段，當電容電壓低于得電閾值時，閥控接收到的電壓為0；當超過該閾值時，閥控接收到的電壓為實際值。在子模塊電壓下降階段，當電容電壓高于失電閾值時，閥控接收到的電壓為實際值；當?shù)陀谠撻撝禃r，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。

試驗過程：子模塊充電階段，設(shè)置B相上橋臂第1個子模塊得電閾值電壓為500V，設(shè)置失電閾值電壓為300V。在交流開關(guān)合閘后，當檢測到子模塊電壓大于500V時，將實際電壓送給閥控。斷開交流開關(guān)，當子模塊電壓小于300V時，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波形如圖8所示。

圖8 子模塊取能電源特性模擬試驗波形

4）控制板故障。

該試驗模擬IGBT的拒動、誤動情況，以及晶閘管旁路的誤動和拒動情況。拒動是指子模塊不響應閥控指令，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。誤動是指人工輸入閥控指令，讓子模塊按照人為的操作打開和關(guān)閉，以下給出兩種典型試驗。

（1）IGBT誤動測試

不控充電階段，設(shè)置C相上橋臂第10個子模塊g1誤動故障，g1人為輸入導通指令。充電過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，被誤動的子模塊電壓開始升高到與其他子模塊保持一致。IGBT誤動故障波形如圖9所示。

圖9 IGBT誤動故障波形

（2）晶閘管旁路拒動測試

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

圖10 晶閘管拒動故障波形

5 結(jié)論

本文針對目前柔性直流工程控制保護裝置硬件在環(huán)測試方法無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技術(shù)，該技術(shù)在傳統(tǒng)硬件在環(huán)測試的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對子模塊的詳細故障模擬，彌補了現(xiàn)有測試手段存在的不足，進一步提升了閥控功能測試和保護邏輯驗證功能，試驗結(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。