模块化多电平换流器子模块故障模拟方法

邹毅军 魏明洋

模块化多电平换流器子模块故障模拟方法

邹毅军 魏明洋

（上海科梁信息科技股份有限公司，上海 200233）

控制保护装置作为柔性直流系统运行和故障时实现快速保护的关键设备，需要在投运前进行完整测试。现有测试手段是基于实时仿真平台的控制器在环测试，但由于模块化多电平换流器（MMC）子模块采用的是等效建模方式，这种测试方法不能详细模拟子模块的物理结构，因此无法有效模拟子模块故障，影响阀控功能的全面验证。为了解决上述问题，本文提出一种子模块故障模拟技术，该技术是在现有测试方法基础上加入故障模拟装置，能够实现子模块故障模拟，弥补现有测试方法的不足。最后实验室联调试验结果证明了所提方法的正确性和有效性。

模块化多电平换流器（MMC）；实时仿真平台；子模块；硬件在环；故障模拟

0 引言

模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）作为电压源型换流器的一种新拓扑，具有谐波含量低、开关频率低、损耗低、模块性强、控制灵活、易于扩展等优点，已经得到广泛关注和研究，且已应用于诸多工程项目，成为柔性直流输电领域的主要发展趋势[1-3]。由于模块化多电平换流器子模块数量较多，包含众多元件和器件，运行过程中可能会发生故障，导致子模块失效，引发直流侧电压和电流振荡、环流增大、输出畸变等故障，对系统的可靠运行造成不利影响，因此子模块故障的研究是换流器持续运行的重要保障[4-6]。

目前已有不少关于子模块故障类型诊断及定位的研究文献[7-11]。文献[7]分析发生子模块元器件故障和触发控制故障时，子模块故障判断和就地保护策略。文献[8]提出一种基于滑模观测法的子模块绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）开路故障诊断策略，在分析子模块IGBT开路故障特性的基础上，以桥臂电流为观测量搭建滑模观测器，快速检测子模块IGBT开路故障。文献[9]提出一种基于排序法的电容电压平衡算法的子模块单管开路故障诊断方法。文献[10]提出一种基于MMC子模块电容电压的新型微分欠电压检测方法，实现了对MMC故障子模块的检测，并利用小波变换进行故障IGBT的定位。文献[11]提出一种基于改进预测模型的方法，通过比较桥臂电流预测值与测量值的差是否大于阈值来判断故障，可以快速定位多个子模块故障。以上文献从理论分析和策略上给出了子模块故障检测、定位和保护措施，但对子模块故障模拟及仿真技术提及较少。

目前，关于子模块故障试验的工程测试还比较缺乏，使用较多的还是基于实时仿真平台的控制器硬件在环测试，将柔性直流控制保护系统接入半实物仿真平台，对控制保护等关键设备进行测试和验证，该测试技术已经在国内投运的多条柔性直流工程中得到应用，并取得良好效果[12-13]。然而，基于数字实时仿真平台的柔性直流控制保护闭环测试系统由于受到子模块等效建模方法限制，无法精细模拟子模块的详细故障，如光纤故障、子模块过电压、旁路拒动等多种故障，现有方法仅能模拟子模块故障的有无，而阀控保护逻辑与子模块故障类型密切相关，因此能否有效模拟子模块故障将会影响阀控保护功能测试。

本文针对目前阀控测试中存在的不足，提出一种详细模拟MMC子模块故障的测试方法。该方法能够实现MMC子模块故障模拟，能够全面验证阀控功能、性能及保护逻辑是否正确。

1 MMC子模块故障类型

MMC子模块拓扑如图1所示。MMC子模块主要由二极管、IGBT器件、电容等构成。MMC中每个桥臂串联了大量的子模块，因此子模块出现故障的概率也高。从故障机理分析，子模块故障主要有三种类型[14-16]：控制触发故障、控制策略失效故障、子模块元器件故障。

图1 MMC子模块拓扑

1）控制触发故障。当通信或者子模块控制器的驱动设备发生故障时，会造成IGBT脉冲触发有误。脉冲信号触发故障包括误触发和脉冲丢失，当控制触发故障发生时，造成的结果是应当关闭的IGBT导通、应当导通的IGBT关闭。假如在某一时刻子模块上、下管同时导通而导致桥臂直通，此时回路的时间常数非常小，电容将通过回路快速释放电能，造成子模块电压急剧降低，并导致较大的短路电流，若不能及时排除故障，将会导致元器件损坏；如果应该导通的器件没有导通可能导致整个子模块的两个IGBT器件都处于关断状态，虽然此种状态下子模块短时间内能正常投入运行，但若不能及时发现，长期下去会使电流一直从与IGBT并联的二极管通过，这会影响二极管的使用寿命，一旦二极管损坏，子模块开路，则会破坏该桥臂的稳定性，对整个系统造成影响。

2）控制策略失效故障。当子模块均压策略失效时会造成子模块过电压故障。在MMC系统中，大量的子模块串联在桥臂上，控制策略失效故障使子模块电容电压不能保持很好的动态平衡状态，容易造成子模块处于过电压状态。

3）子模块元器件故障。在子模块工作过程中，IGBT器件可能会发生开路、短路等故障。IGBT开路故障与触发脉冲失效的结果是一样的，短路故障也可等效为脉冲误触发。

IGBT短路故障：半桥中任一IGBT短路，会引发对侧IGBT导通时桥臂直通，此时回路的时间常数非常小，电容将通过回路快速释放电能，电压急剧降低，并导致较高幅值的短路电流，若不及时排除故障，将导致电力电子元器件的损坏。

IGBT开路故障：由图1子模块结构可知，g1发生开路故障时，子模块电容的放电回路被阻断，电容无法对外电路进行放电。g2发生开路故障，当流经子模块的电流arm＞0时，g2所在回路被阻断，电流流通的路径只剩下VD1，将对电容进行充电。无论g1还是g2发生开路故障，都将导致直流电容充放电异常，同时，由于投切异常，子模块输出电压sm也与正常情况不一致，导致相间环流加剧。

2 子模块故障设计

根据子模块故障发生的情形，采用软硬件结合的方法来实现场景模拟，对于通信中断导致脉冲丢失的情况，设计光纤通信中断程序，即当子模块正常运行时，人为将链路数据置0，此时控制器收不到数据，认为发生光纤通信故障。

对于元器件损坏使IGBT开路和短路导致脉冲误触发的情况，设计IGBT和晶闸管误动和拒动程序。

对于均压控制策略失效导致的子模块过电压情况，通过软件上开发的过电压程序来模拟过电压故障。

另外对功率板取能电源工作特性也进行了模拟，设计取能电源得电和失电程序，模拟在上电和失电情况下子模块的运行状态。

硬件设计思路是在原有仿真系统中加入一台子模块故障模拟装置，该装置基于现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）处理器，包括子模块故障模拟、通信协议转换、录波和功率模块接口功能。改进后的故障模拟系统如图2所示。

图2 改进后的故障模拟系统

与原有的硬件系统相比，新的硬件系统在保证接口匹配和数据传输不受影响的情况下，能够实现多种故障场景的模拟，弥补现有测试方法中的缺陷。

下面分别从硬件和软件两个方面阐述设计思路。

2.1 子模块故障硬件设计

硬件装置包含18块FPGA接口板，一块FPGA录波板、一块FPGA主板及背板，内部结构连接如图3所示。

图3 故障模拟硬件系统

主控板与外部通过6路高速小型可插拔（small formfactor pluggables, SFP）光纤通信，内部通过背板与接口板通信，控制接口板的低速光纤收发。在测试阶段，故障模拟程序会先在FPGA主板中运行，之后将处理结果发送给FPGA接口板，接口板通过低速光纤将数据信息一对一传送给阀控通道。

此外，硬件系统还配置了上位机后台，用于实现人机交互操作，与录波板通过TCP/IP协议通信，在线配置故障类型并启动故障命令。

2.2 子模块故障软件设计

针对不同的子模块故障类型，在FPGA上开发了相应的故障模拟程序，以下就子模块不同故障类型实现方法进行说明。

1）电容电压过电压故障

子模块过电压一般是由于控制系统不稳或者发生暂态故障时导致的过电压冲击。模拟过电压故障，首先在上位机设置子模块过电压阈值，然后故障启动，将该阈值发送给FPGA接口板。

FPGA接口板中的故障模拟程序将来自仿真模型中的子模块电压值与阈值进行比较，当大于阈值时，会产生过电压状态并将该信号发送给阀控装置。

2）光纤通信故障

模拟上行光纤通信中断故障，上行光纤通信故障为阀控系统接收通信故障，故障模拟程序将对应子模块发送给阀控的数据置为0，此时阀控接收不到任何数据，表现为上行光纤通信故障。

模拟下行光纤通信中断故障，下行光纤通信故障为阀控系统发送通信故障，故障模拟程序收到阀控系统数据后，将数据置0送往仿真机，表现为下行光纤通信故障。

3）取能电源特性模拟

柔性直流换流阀启动或故障重启时，只有当功率模块的电容电压处于一定范围内，其控制板才能取电，并实现上下行通信。模拟装置实时检测各功率模块的电容电压，并在上位机界面设置阈值条件，分别为得电和失电数值。当检测到的电压满足得电阈值条件时，才开通其上下行通信。当检测到的电压满足失电阈值条件时，关闭上下行通信。

4）功率模块控制板故障

功率模块控制板在运行过程中可能会出现各种故障，造成功率模块的误动或拒动，影响设备的正常运行。功率模块控制板故障包含IGBT拒动、误动，晶闸管拒动、误动。拒动的实现方法是接口模拟装置在接收到阀控下发的命令后，不响应命令。屏蔽收到的所有阀控命令，向模型发送保持上一次状态的指令。误动的实现方法是模拟装置向模型发送的指令由人为设置，让IGBT开关按照人为操作去动作。

以上即为模拟不同故障类型的实现方法。在实际应用中，为了和实际现场尽量一致，会在FPGA接口板中嵌入阀控厂家的网表程序，以便模拟控制板功能。为了进一步阐述故障模拟原理，以下以子模块过电压故障为例，描述从上位机设置故障到故障触发返回状态的实现流程。

过电压故障模拟流程如图4所示。在仿真系统正常运行时，从上位机下发某个子模块的过电压故障指令，通过录波板将故障指令传入FPGA主板程序的对应故障模拟模块，程序收到指令后，会强行改变对应子模块故障状态位，使该子模块处于过电压状态。过电压数据传入FPGA接口板后，阀控网表就会监测并判断出子模块过电压状态，网表程序在上报过电压故障的同时，会快速地强制将正常控制命令改为故障控制命令，从而禁止该过电压子模块继续运行。故障控制命令传入FPGA主板后，再转发并作用到仿真机中的MMC模型，使对应子模块的电压逐步下降。FPGA主板程序会全程监测过电压故障置位到子模块电压下降的过程，模拟过程结束后再将过电压数据通过录波板回传至上位机，供测试人员分析。

图4 过电压故障模拟流程

3 仿真试验系统

柔性直流输电（MMC-HVDC）半实物仿真系统如图5所示，仿真系统由三部分组成：RT-LAB实时仿真平台、子模块故障模拟系统及实际工程控制保护装置。

图5 MMC-HVDC半实物仿真系统

MMC-HVDC模型在RT-LAB实时仿真平台上运行，其中交直流主电路在CPU仿真上运行，MMC阀体在FPGA上运行。通过RT-LAB人机交互界面实现模型实时动态数据监视。

子模块故障模拟系统包括故障模拟装置和上位机，故障模拟装置能够实现MMC子模块故障模拟、提供功率模块控制接口、实现协议转换和录波。上位机用于信号监视、故障类型配置、启动。

各系统之间的通信包括以下三个部分：

1）RT-LAB与故障模拟装置之间采用高速Aurora协议，在上行通信过程中，故障模拟装置负责将RT-LAB仿真数据发送给阀控装置，包括子模块电压、桥臂电流、故障标志位等。在下行通信过程中，故障模拟装置负责将阀控装置发送的每个子模块的控制脉冲和旁路请求指令传输给RT-LAB仿真平台，控制子模块的导通和关断。

2）故障模拟装置与阀控之间的通信采用自定义光纤通信协议，故障模拟装置通过低速光口与阀控装置相连，其中每个子模块对应一对光纤（一收一发）。为了能与不同阀控厂商的设备对接，在故障模拟装置FPGA程序中可以嵌入厂家的网表程序。

3）站级控制保护系统与RT-LAB通过IO接口通信，将仿真模型中的交流电压、电流、桥臂电流、直流电压、直流电流等数据传递给控保装置，用于控制和后台显示。

4 试验验证

本文提出的子模块故障模拟技术在柔性直流阀控装置出厂测试环节得到了应用和检验，该柔性直流系统采用MMC拓扑结构，主回路参数见表1。试验系统基于RT-LAB仿真平台，采用上述通信接口搭建，开展模块过电压故障、上行光纤通信故障、取能电源特性模拟和控制板故障试验。

表1 主回路参数

1）模块过电压故障。在故障模拟装置上位机后台设置子模块过电压阈值，充电过程中当子模块电压大于设定的阈值电压时，过电压保护动作，系统向控制器发送故障位状态字，控制器收到反馈后下发旁路指令，相应子模块被旁路。

试验过程：不控充电阶段，将A相上桥臂第5个子模块设置1 000V过电压阈值，当充电超过阈值电压时过电压保护动作，子模块被旁路并进入放电过程，电压下降。子模块过电压故障波形如图6所示。

图6 子模块过电压故障波形

2）上行光纤通信故障。其原理是发生故障时，将故障模拟装置内网表中的光纤发送数据设置为0，阀控接收不到数据，显示上行通信故障。控制器检测到上行光纤通信故障后，发出旁路指令给对应子模块，相应子模块电压开始下降。

试验过程：静止同步补偿器（STATCOM）稳态运行阶段，设置B相上桥臂第3到第8个子模块上行光纤通信故障，并在1.2s时启动故障，发出旁路指令给相应的子模块，对应子模块旁路后电压开始下降。子模块上行光纤通信故障波形如图7所示。

图7 子模块上行光纤通信故障波形

3）取能电源特性模拟。对子模块取能电源特性进行模拟，在上位机后台分别设置得电和失电阈值，子模块电压上升阶段，当电容电压低于得电阈值时，阀控接收到的电压为0；当超过该阈值时，阀控接收到的电压为实际值。在子模块电压下降阶段，当电容电压高于失电阈值时，阀控接收到的电压为实际值；当低于该阈值时，阀控接收到的电压为0，且延迟10ms后，切断模块上下行光纤通信。

试验过程：子模块充电阶段，设置B相上桥臂第1个子模块得电阈值电压为500V，设置失电阈值电压为300V。在交流开关合闸后，当检测到子模块电压大于500V时，将实际电压送给阀控。断开交流开关，当子模块电压小于300V时，阀控接收到的电压为0，延迟10ms后关闭光纤通信。子模块取能电源特性模拟试验波形如图8所示。

图8 子模块取能电源特性模拟试验波形

4）控制板故障。该试验模拟IGBT的拒动、误动情况，以及晶闸管旁路的误动和拒动情况。拒动是指子模块不响应阀控指令，阀控向模型发送的状态保持上一次的数据直到故障清除。误动是指人工输入阀控指令，让子模块按照人为的操作打开和关闭，以下给出两种典型试验。

（1）IGBT误动测试

不控充电阶段，设置C相上桥臂第10个子模块g1误动故障，g1人为输入导通指令。充电过程中该子模块电压为0，其他子模块电压充电正常。清除故障后，被误动的子模块电压开始升高到与其他子模块保持一致。IGBT误动故障波形如图9所示。

图9 IGBT误动故障波形

（2）晶闸管旁路拒动测试

在STATCOM运行阶段，C相上桥臂前两个子模块设置旁路拒动故障，其他子模块正常旁路。控制器发送旁路指令后，前两个子模块电压持续上升，清除旁路拒动故障后，前两个子模块电压开始下降。晶闸管拒动故障波形如图10所示。

图10 晶闸管拒动故障波形

5 结论

本文针对目前柔性直流工程控制保护装置硬件在环测试方法无法精确模拟子模块故障的情况，提出了一种基于故障模拟装置的MMC子模块故障仿真试验技术，该技术在传统硬件在环测试的基础上实现了对子模块的详细故障模拟，弥补了现有测试手段存在的不足，进一步提升了阀控功能测试和保护逻辑验证功能，试验结果表明该仿真技术有效。

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Fault simulation method for sub-module in modular multilevel converter

ZOU Yijun WEI Mingyang

(Shanghai KeLiang Information Technology Co., Ltd, Shanghai 200233)

The control and protection device, as the key equipment to realize rapid protection in the operation and fault of flexible DC system,, needs to be fully tested before being put into operation. The existing method is based on a real-time simulation platform for controller-in-the-loop testing. However, this test method cannot simulate the physical structure of the sub-module in detail because the modular multilevel converter (MMC) sub-module adopts an equivalent modeling method, so it cannot effectively detect the failure of the sub-module. Simulation affects the comprehensive verification of the valve control function. In order to solve the above problems, this paper proposes a sub-module fault simulation technology, which is to add a fault simulation device to the existing test method, which can realize the sub-module fault simulation and make up for the defects of the existing test method. Finally, the joint test results in the laboratory prove its correctness and validity.

modular multilevel converter (MMC); real-time simulation platform; sub-module; hardware in the loop; fault simulation

2021-11-30

2021-12-17

邹毅军（1975—），男，硕士，高级工程师，研究方向为分布式新能源发电与综合能源系统。