模块化多电平换流器子模块故障特性分析与解耦控制策略
华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室、华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室的研究人员范志华、苗世洪等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文，针对模块化多电平换流器（MMC）在子模块故障时桥臂子模块可投入运行数目不相等的情况，建立基于开关函数的桥臂不对称运行数学模型。
基于此数学模型，揭示了上、下桥臂子模块开关函数不一致是导致不对称运行的根本原因。通过借助补偿阻抗以抵消上、下桥臂子模块故障数目不相等导致的不对称分量，将子模块故障下桥臂不对称状态转化为准对称运行状态，进而建立该条件下桥臂交流电流、直流电流和交流环流耦合等效电路，并研究等效电路各次电流之间耦合关系对桥臂内部运行特性的影响。
分析结果表明，桥臂电流将出现基频环流分量，交流电流也会引入因不对称导致的直流电流分量和二倍频电流分量。最后通过建立桥臂电流解耦控制模型，构建不同频率下桥臂电流与电压的映射关系，提出具有子模块故障容错能力的桥臂电流控制策略。在PSCAD/EMTDC中的仿真结果证明了所提控制策略的有效性。
模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）结构采用高度模块化设计，具有易于线性扩展、输出波形质量高[1,2]、开关频率低与故障处理能力强[3,4]等优点，被广泛应用于高压直流输电、大功率电机驱动与海上风电并网等领域。
由于MMC由数量较多子模块（Sub-Module, SM）串联组成，同时子模块采用易损坏的半导体开关器件，导致桥臂易于发生子模块故障[7]。实际工程中常采用一种冗余子模块热备用工作模式以提高MMC子模块故障容错性能[8]，冗余子模块热备用工作模式将包含冗余子模块在内的所有子模块投入运行，在子模块故障时通过直接旁路故障子模块，保证MMC不间断工作，该工作模式具有简单可靠、可无缝切换的优点。
但由于实际运行中各相之间以及每相上、下桥臂子模块故障数目不一致，热备用工作模式将导致各相之间以及每相上、下桥臂子模块不对称运行，从而会造成系统损耗增加、保护误动作等一系列问题。因此对子模块故障引起的桥臂不对称故障机理分析与故障后无缝切换的控制策略是一个重要的研究热点。
文献[9-12]研究了子模块故障后的检测、定位、恢复等内容，但对故障后桥臂不对称内部特性与环流抑制控制策略没有深入研究。文献[13]采用上、下桥臂能量平衡的方法保证上、下桥臂对称运行，但该方法需要知道故障子模块的确切数目，使故障检测环节较为复杂。
文献[14]通过对桥臂子模块个数不相等情况建立数学模型，揭示了桥臂电流出现基频环流的特性，并通过在传统控制策略中叠加基频控制器消除基频环流，但该方法没有考虑上、下桥臂电容电压的平衡问题。文献[15]通过调整子模块电容电压改变其开关频率，达到使桥臂对称运行的目的，但其增加了电容电压的基准值，且引起了故障后电容充电的暂态过程。
文献[16]通过提高子模块利用率改善输出波形电能质量，将桥臂电流基频分量在dq坐标系下变换以抑制基频环流，但由于三相需要三个单相dq变换器，控制参数调节较为复杂。综上可见，目前已有研究对不同频率电流之间的耦合关系缺乏机理性分析。
针对由子模块故障导致的桥臂子模块可投入运行数目不相等的情况，本文首先基于桥臂开关函数建立桥臂不对称数学模型，揭示上、下桥臂子模块开关函数不一致是导致不对称运行的根本原因。
通过借助补偿阻抗以抵消上、下桥臂子模块故障数目不相等导致的不对称分量，将子模块故障下桥臂不对称状态转化为准对称运行状态，从而建立准对称条件下桥臂交流电流、直流环流和交流环流耦合模型。揭示了桥臂环流存在基频分量，直流侧电流出现基频波动等现象的耦合特性。最后通过建立不同频率下电流解耦控制模型，提出具有故障容错能力的桥臂电流解耦控制策略。
图1 三相MMC拓扑结构
图8 带容错控制的MMC控制框图
针对模块化多电平换流器在子模块故障时桥臂子模块可投入运行数目不一致的情况，本文研究了不对称运行的故障特性，提出了具有故障容错能力的桥臂电流解耦控制策略，从而解决了桥臂子模块数目不等带来的不平衡与环流问题，得出如下结论：
1）通过建立基于开关函数的桥臂不对称运行数学模型，揭示了上、下桥臂子模块开关函数不一致是导致不对称运行的根本原因。
2）通过建立不对称条件下桥臂交流电流、直流电流和交流环流耦合等效电路，并经理论推导表明：桥臂不对称运行会导致桥臂电流出现基频环流分量，同时交流电流也会引入由不对称导致的直流电流分量和二倍频电流分量。
3）通过建立不同频率下电流解耦控制模型，提出了具有故障容错能力的桥臂电流解耦控制策略，对直流电流、交流电流与二倍频环流三个控制目标进行控制，保证了上、下桥臂直流电压与子模块电容电压平衡，消除了桥臂基频环流，抑制了桥臂二倍频环流，并通过建立PSCAD/EMTDC仿真模型证明了所提出控制策略的有效性。