基于桥臂能量预测的模块化多电平换流器子模块故障优化容错控制策略
北京交通大学电气工程学院、中国电力科学研究院的研究人员郝亮亮、张静等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文指出，子模块故障是模块化多电平换流器（MMC）常见的一种故障类型，将故障子模块旁路后，MMC将处于桥臂不对称运行状态。为使MMC系统在子模块旁路后依然能维持稳定运行，提出一种基于桥臂能量预测的MMC子模块故障容错控制策略。
首先对各时刻桥臂子模块储存的能量进行动态预测，进而求得各时刻子模块电容电压的预测值，在不用附加环流抑制控制器情况下，实现对环流中不对称基频和二倍频谐波分量的有效抑制。该策略简化了系统控制的复杂度，既适用于桥臂子模块数不对称的运行状态也适用于正常运行状态。厦门柔性直流示范工程的电磁暂态仿真结果验证了所提出的容错优化控制策略的正确性。
模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）是2002年由R. Marquardt和A. Lesnicar提出的一种新型换流器拓扑结构[1]。相对于传统两电平、三电平拓扑结构的换流器，具有模块化设计、扩展性强、谐波含量低等优点[2-5]，适用于高压大功率的输电场合。
在实际工程中，模块化多电平换流器高压直流输电（High Voltage Direct Current transmission based on MMC, MMC-HVDC）单个桥臂的子模块（Sub-Modular, SM）个数可达数百个，如西门子的Trans Bay Cable工程，每个桥臂含有216个子模块[6]，用于法国和西班牙联网的INELFE工程的MMC电平数目达到401个[7,8]。
在工程实际运行中子模块难免会出现故障，为了使MMC系统在子模块故障后依然能维持稳定运行，MMC通常会采用冗余设计，使桥臂含有多个冗余的子模块，其容错保护一般有冷备用和热备用2种[9-11]。由于热备用不需要对冗余子模块进行充电，避免了较长时间的暂态充电过程，因此得到了广泛的应用。
为了充分利用正常的子模块，提高系统可靠性，热备用通常只对故障子模块进行旁路处理，这将导致含有故障子模块的桥臂与其他桥臂的子模块个数不同，使MMC处于不对称运行状态。
文献[12-15]对MMC桥臂不对称运行特性进行了详细的理论分析，由于桥臂子模块个数不对称，上、下桥臂的基频电压和其他奇数次谐波电压不再对称，从而产生基频环流和各奇数次谐波环流。
针对这个问题，国内外学者对子模块故障下的不对称控制策略进行了相关研究，主要有两类方法：一类是通过修正各桥臂参考电压来实现容错抑制，如文献[16,17]提出了基于准比例谐振控制器的基频环流抑制方法，解决不对称桥带来的一系列问题。但这类方法需要通过在原有二倍频环流抑制控制器的基础上，再引入附加的基频控制器，增加了控制器设计的复杂程度。
另一类是通过调节子模块电容电压参考值，如文献[18,19]通过控制使得故障桥臂的平均能量与其他桥臂的平均能量相等，在部分模块出现故障时，提高桥臂其余子模块电容电压，消除了桥臂不对称带来的桥臂电流不对称和直流电流波动。此方法不需要额外引入控制器，但桥臂中仍有二倍频谐波环流，仍需要二倍频环流控制器来抑制二倍频谐波环流。
针对上述分析，本文对基于桥臂平均能量平衡的容错方法进行了改善，不再只是控制平均能量，而是动态预测各时刻桥臂子模块储存的能量，进而求得各时刻子模块电容电压的预测值。
此方法既适用于桥臂子模块数不对称的情况也适用于对正常运行时倍频环流的抑制，不用附加环流抑制器，就可以实现环流中不对称基频分量、二倍频分量的抑制，简化了系统控制的复杂度。最后，通过厦门柔性直流示范工程的电磁暂态仿真模型验证所提出的优化容错控制策略的正确性。
图1 三相MMC拓扑结构
图2 基于能量预测的MMC子模块故障优化容错控制策略的整体控制框图
本文提出了一种基于桥臂能量预测的MMC子模块故障优化容错控制策略，通过动态预测各时刻桥臂子模块储存的能量，求得各时刻子模块电容电压的预测值，不用附加环流抑制器，就可以实现不对称基频谐波分量和二倍频谐波分量的抑制。主要结论如下：
1）子模块故障被旁路后，使得上、下桥臂不对称，桥臂环流中出现基频分量，环流畸变程度增大，交流侧也出现了直流和二倍频分量。
2）在所有子模块正常运行及电网电压不对称的情况下，采用本文所提出的控制策略，通过动态调节子模块电容电压的参考值，可以在不附加环流抑制器的情况下，实现桥臂二倍频谐波环流抑制，大大减小系统控制器的复杂度。
3）在子模块故障情况下，采用本文所提出的优化容错控制策略，可以有效的抑制二倍频谐波环流和基频谐波环流，交流侧谐波成分也被消除；同时可以有效减小子模块平均电容电压波动，提高系统运行的安全性。