低频输电系统中M3C的共模电压注入故障穿越控制策略

程启明上海电力大学chengqiming@sina.com 创新点 3研究内容 结论 1.创新点器 器(M3C)，它是一种高电压、大功率新型AC/AC变换器拓扑结构。 (2）为了解决M3C非亢余子模块(SM)故障穿越问题，本文提出了一种最优共模电压(CMV注入方法的容错控制策略，实现故障情况下容错控制。当某一桥臂的参考电压超过其可用电压的调制范围时，超出部分将作为CMV注入到其他正常桥臂分支，此法CMV的参考值具有良好动态性，以适应不同的负载和故障。 (3）相比于传统的中性点偏移(NPS)容错控制方法，本文所提方法采用幅度最小的CMV来避免每个桥臂分支的过调制，即注入的CMV为最优解，使得输入输出的电压范围(IORV)达到最大化。 （4）本文通过桥臂环流控制桥臂间能量平衡控制，配置FPGA生成PWM调制波形，实时监控桥臂内各SM电容电压值并进行排序，运用最近电平逼近法(NLM)，实现桥臂内SM均压通过FPGA独立控制，减少了控制系统的计算量，优化了原有桥臂均压控制策略。 （5）所提方法在多种故障下均能保证输出电压范围不变，且相比于传统NPS方法计算过程简单。最后在实验平台上进行了验证。 2.研究背景 M3C亢余子模块主要作用是当非几余子模块(SM)发生故障时，代替故障模块，以确保系统正常运行，提高系统的可靠性和容错能力。 桥臂SM发生故障时，可运行的模块数量减少，输入和输出的电压范围(IORV)可能会超出桥臂可投入SM总的电压范围，严重影响了M3C的稳定运行。因此，M3C的容错控制对于提高M3C系统可靠性具有重要意义，但目前其容错控制策略还存在一些问题。 为了提高M3C在实际应用中的可靠性，需要采取特殊措施来实现非亢余SM的故障穿越。故障穿越要求故障时不能脱网，维持有功传输并提供无功支撑，这有利于电网安全稳定。 为了解决M3C非亢余SM故障穿越的问题，本文提出了一种最优共模电压(CMV)注入方法的容错控制策略，来实现故障情况下的容错控制。 3.研究内容1：M3C的基本工作原理 M3C的电路拓扑如图1所示，它通过9个桥臂分支直接连接两个不同频率的三相交流系统。每个桥臂分支由N个串联的全桥子模块(SM)和1个桥臂电感Lb组成。 根据基尔霍夫电压定律，可以推出为M3C的基本数学模型,并计算出M3C的输入和输出的电压范围可用调制系数d。在非亢余SM故障发生后,注入的最佳共模电压(CMV)应当使得d为最大可用值dmax。 3.研究内容2：传统NPS方法与本文的最优CMV注入方法 图2为中性点偏移(NPS)方法的原理图。若不同桥臂分支之间的故障SM数量不同，则可通过注入相同频率的中性点电压，以此最大限度的提高IORV电压范围，当输入侧电压最大化时，输出侧的线电压保持不变。此时中性点电压会产生额外的有功功率，导致特定桥臂分支的平均功率不同，使得各分支之间出现能量不平衡。为了抑制这种偏移，需控制各支路的桥臂环流，使得M3C的9个桥臂电容电压能量保持平衡。通过调整输入、输出两侧的中性点电压，避免了每个桥臂分支的过调制，而不改变两侧的线电压。 3.研究内容2：传统NPS方法与本文的最优CMV注入方法 改变输入侧和输出侧的中性点电压NPS方法可等效为CMV注入从而推出等效CMV注入的值。但是难以找到传统NPS电压计算的数学表达式。为此本文提出最优CMV注入方法并给出了相关公式，虽然本文方法无广义解析表达式，但根据每个桥臂分支调制系数各种情况，所提方法具有实用性和方便性。 本文方法的创新之处在于实时监测dxy值，并根据任意时刻桥臂的调制系数dxy与PWM调制过程中的最大占空比Dmax的关系实时计算注入最优CMV。在非亢余故障下，通过这种方法可以使故障桥臂分支的调制系数始终处于[-Dmax，Dmax]范围内，注入CMV保持在一定范围内，其他桥臂分支均可正常工作。因此，本文提出的最优CMV注入方法是一种可行的非亢余子模块SM故障的容错控制解决方案，可以保证M3C的正常工作。 3.研究内容3:两种方法故障可运行范围的仿真比较 （1）本文的最优CMV注入法故障可运行范围 图3最优CMV注入方法下桥臂分支调制系数曲线 3.研究内容3:两种方法故障可运行范围的仿真比较 对比图3与图4可见，本文所提方法在确保M3C保持额定的最大IORV稳定运行的前提下，提高了非几余SM故障的数量和M3C系统运行中故障可运行范围。 3.研究内容4：单桥臂分支SM容错控制仿真 (d）注入最优CMV故障桥臂调制系数 (c)故障前后桥臂电容电压 由图5可见，本文最优CMV注入方法在0.4s发生桥臂非亢余SM故障后，输出侧线电压和相电流仍能保持良好的正弦度；SM发生故障以后，该SM将被短路，其电容电压保持不变，正常SM电容电压依然在额定电容电压范围上下波动；当ldxu|超出Dmax最大调制系数时，将超出IOVR部分作为额外CMV注入其余桥臂，降低故障桥臂分支所承受的调制电压，使得M3C非亢余故障下可以正常运行。 多桥臂分支SM容错控制3.研究内容5: 由图6可见，当多桥臂分支SM故障后，输出侧线电压和相电流的正弦度仍可得到保障，且电容电压保持不变，正常SM电容电压在额定电容电压上下波动；当2条桥臂ldxyl超出Dmax时，额外注入的CMV将抵消故障桥臂超出的IOVR部分，降低故障桥臂分支所承受的调制电压，实现了多个桥臂非几余故障下的容错控制。 3.研究内容6：基于FPGA的实时半物理实验分析 本文还在RT-LAB实验平台搭建了半物理实验平台，如图7所示。 由图8可见，3种工况下本文所提方法在故障后能保证M3C系统稳定运行。因此，半物理实验结果与软件仿真结果一致。 4.结论 （1）本文通过分析不同故障条件下的电压调制情况，指出传统调制方法无法有效应对基波参考电压超出可用电压限制的故障情况是导致输出电流、电压谐波含量增加的主要原因。本文提出了一种最优共模电压注入方法，以及实时自动调整CMV的改进措施。 （2）该方法利用了与故障桥臂分支承受电压互补的CMV，采用动态调整模式进行实时计算，并使用控制方程推导出CMV控制率以获取最终结果。仿真试验验证了该方法在故障情况下能够稳定电容电压，并提升了系统的故障容错性。 （3）最后针对不同故障条件下的模块化多电平电力变换器进行了仿真和实践，证明了本文方法具备提升电压范围的功能，承受故障非亢余子模块的数量在桥臂子模块总量的占比中提高了55.7%，在发生非几余子模块故障时具有更好的安全性。 5.后续研究方向 本文讨论了M3C出现桥臂非亢余子模块故障时的共模电压(CMV)注入控制策略，得到了最佳CMV注入的参考值，一定程度上提高了系统运行的稳定性，但没有讨论系统故障下故障桥臂的诊断和隔离措施，例如，M3C桥臂故障下过渡到8桥臂或6边形变换器(Hexverter)控制策略等，后续可研究在系统故障下故障桥臂的诊断和隔离措施。 6.团队介绍 上海电力大学人工智能学部电力电子控制研究团队由程启明（二级教授）担任负责人，围绕电力电子控制、电网控制与优化、光伏及风力发电控制、电机控制、电能质量控制等方向的国家、上海市重大需求开展研究工作，并取得了一些研究成果。 7.作者简介 程启明，男，二级教授。研究方向为微电网控制与优化、光伏及风机发电控制、电力电子控制、电机控制等。主持或参与国家级、上海市等纵向项自以及与企业合作横向项目共50多项；获得上海市科技进步奖2项，发表论文400多篇（其中SCI、EI期刊论文200多篇），授权国家专利56项，出版《微网的预测、控制与优化运行》、《嵌入式微处理器原理及应用》等学术专著或编著5本；获得中国知网高被引学者TOP1%；担任国家科技奖、中国电力科技奖、上海市科技奖、中文核心期刊评选的评审专家；担任中国机械教育协会自动化专业委员会委员；担任《太阳能学报》、《南方电网技术》、《电机与控制应用》、《上海电力大学学报》等期刊编委；担任多个权威的SCI、EI和中文核心期刊的审稿人，并多次评为优秀审稿专家。指导的研究生每年均能获得国家奖学金；获得过学校“教书育人楷模”、“我心目中好导师”江苏省学术带头人、江苏省优秀骨干教师等称号；主讲的课程获国家一流课程、主编的教材获上海市、中国电力协会优秀精品教材，并获上海市教学成果奖。