韓杰祥，張 哲，徐可寒，尹項根

（華中科技大學 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引言

近年來，交直流混合配電網(wǎng)因其良好的分布式能源消納能力和直流負荷匹配性能而受到廣泛關(guān)注［1］。電力電子變壓器（PET）是交直流混合配電網(wǎng)中的關(guān)鍵互聯(lián)設備。與傳統(tǒng)工頻變壓器相比，PET 能有效減小設備體積和重量，并具備電能變換、交直流互聯(lián)、潮流控制、無功補償、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等功能［2-5］。但是，由于PET 采用了大量電力電子器件，其內(nèi)部故障概率相對較高［6］。PET 子模塊（SM）故障不但會威脅其自身安全，而且會對交直流混合配電網(wǎng)造成諧波污染和功率振蕩，嚴重劣化電能質(zhì)量，影響電網(wǎng)運行穩(wěn)定性與供電可靠性。

冗余結(jié)構(gòu)設計和容錯控制策略能夠在子模塊故障期間維持PET可靠運行，是突破PET脆弱性瓶頸、更好滿足工程化應用要求的重要措施。PET 根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，可以劃分為基于模塊化多電平換流器（MMC）和級聯(lián)H 橋（CHB）這2 種基本結(jié)構(gòu)類型［7］。MMC 型PET 具備中壓直流母線，主要用于構(gòu)建中壓直流配電網(wǎng)，其子模塊結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)全局冗余熱備用運行時設備利用率高，成本增加不明顯［8］。CHB 型PET直接面向用戶，級聯(lián)子模塊數(shù)較少，子模塊故障將造成PET 結(jié)構(gòu)嚴重不對稱，極大劣化整體運行性能。另外，CHB型PET的子模塊構(gòu)造復雜，采用分相冗余設計成本高，且冗余模塊利用率低。因此，如何通過合理的冗余結(jié)構(gòu)設計和容錯控制提高CHB 型PET的可靠性受到了更多關(guān)注。文獻［9-10］研究了CHB子模塊故障造成三相橋臂結(jié)構(gòu)不對稱時的容錯控制策略，但是三相橋臂需按照分相冗余設計，增加了設備制造成本。文獻［11］提出了單相CHB 型PET 的冗余結(jié)構(gòu)和容錯控制策略，但是將該結(jié)構(gòu)拓展應用于三相PET時，也相當于分相冗余設計，無法滿足經(jīng)濟性要求。文獻［6，12］提出了單子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)及容錯控制策略，但是該結(jié)構(gòu)僅能應對單子模塊故障，容錯能力有限。文獻［13］將單子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)用于CHB 型PET，但是冗余子模塊運行于冷備用狀態(tài)，在切換過程中可能產(chǎn)生較大的暫態(tài)沖擊。文獻［14］針對CHB 型PET，提出單子模塊和雙子模塊2 種冗余結(jié)構(gòu)，但是冗余子模塊與主電路子模塊在前級變換器拓撲結(jié)構(gòu)方面存在差異，冗余模塊切換操作較復雜，且不利于設備制造和故障更換。

針對CHB 型PET 在冗余結(jié)構(gòu)設計和容錯控制策略研究中存在的不足，本文提出一種雙子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)及相應的容錯控制策略，并從可靠性和經(jīng)濟性角度，與采用其他冗余結(jié)構(gòu)的PET 進行對比分析。本文所提冗余結(jié)構(gòu)在PET發(fā)生任意單子模塊故障和雙子模塊故障情況下均可實現(xiàn)備用功能。在控制成本的前提下，冗余子模塊利用率和PET 運行可靠性得到顯著提高。最后，通過仿真實驗驗證了該冗余結(jié)構(gòu)和容錯控制策略的正確性和有效性。

1 CHB型PET基本原理

CHB 型PET 拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。圖中，Lm為濾波電感；SMaj、SMbj和SMcj（j=1，2，…，N）分別為A 相、B相和C 相的第j個子模塊，N為各相級聯(lián)子模塊數(shù)。PET 交流側(cè)采用星形連接的CHB 結(jié)構(gòu)，直流側(cè)三相子模塊統(tǒng)一并聯(lián)形成直流端口。圖2 為PET 子模塊拓撲結(jié)構(gòu)。圖中，子模塊旁路開關(guān)可用于旁路故障子模塊；前級H橋（HB）可實現(xiàn)雙向AC／DC變換；中間級雙有源橋（DAB）采用諧振型雙向DC／DC 變換器，其雙側(cè)HB通過高頻變壓器（HFT）互聯(lián)，將直流電壓調(diào)制成高頻方波，經(jīng)諧振環(huán)節(jié)實現(xiàn)功率傳遞［15］。

圖1 CHB型PET拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of CHB typed PET

圖2 PET子模塊拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of PET’s SM

PET 一般采用雙閉環(huán)控制，根據(jù)不同應用需求，采用有功／電壓外環(huán)，工作于定功率或定電壓2 種控制模式，實現(xiàn)交直流電網(wǎng)之間的潮流控制或直流配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)［16］。在2 種控制模式下，PET 均可實現(xiàn)功率雙向流動，根據(jù)交直流配電網(wǎng)功率供求狀況進行快速靈活調(diào)節(jié)。電流內(nèi)環(huán)通過前饋控制實現(xiàn)dq解耦，給定調(diào)制電壓指令值。

2 公共冗余結(jié)構(gòu)及容錯控制策略

冗余結(jié)構(gòu)設計是應對PET子模塊故障的有效措施，但是單子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)容錯能力有限，分相冗余結(jié)構(gòu)制造成本過高。本文從兼顧設備可靠性和經(jīng)濟性的角度，提出雙子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)及相應的容錯控制策略。

2.1 拓撲結(jié)構(gòu)設計

變壓器有載調(diào)壓的無觸點連接方式對冗余結(jié)構(gòu)設計具有一定的參考作用。有載調(diào)壓利用電力電子開關(guān)實現(xiàn)調(diào)壓繞組的投切，從而靈活調(diào)節(jié)變壓器有效匝數(shù)［17］。然而，有載調(diào)壓系統(tǒng)的各相分接頭連接開關(guān)需獨立設計，調(diào)壓繞組無需在三相之間進行切換；在各相繞組內(nèi)部，不同調(diào)壓繞組的接入方式也相對固定。與采用有載調(diào)壓的分接頭連接方式相比，冗余結(jié)構(gòu)設計的難點在于冗余子模塊在三相之間公共備用功能的實現(xiàn)，以及各冗余子模塊之間連接方式的靈活變換。

利用公共冗余結(jié)構(gòu)實現(xiàn)任意單子模塊和雙子模塊故障情況下的備用功能，需要解決以下關(guān)鍵問題：①單子模塊故障時，實現(xiàn)冗余子模塊在各相間的公共備用功能；②同相雙子模塊故障時，實現(xiàn)2 個冗余子模塊的串聯(lián)備用功能；③異相雙子模塊故障時，實現(xiàn)2 個冗余子模塊的分相備用功能；④控制靈活方便，運行穩(wěn)定可靠，易于更換維修。

為此，本文提出一種雙子模塊公共冗余拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖中，RM1和RM2為冗余子模塊，其結(jié)構(gòu)與圖2所示的PET主電路子模塊拓撲結(jié)構(gòu)相同，能夠在容錯運行期間保證PET 三相級聯(lián)結(jié)構(gòu)對稱，以簡化控制策略，且易于冗余模塊的制造和更換。

圖3 雙子模塊公共冗余拓撲結(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of dual-SM communal redundant

RM1和RM2的投退及其在三相之間的切換通過圖3中的開關(guān)組（SU）實現(xiàn)。SUa、SUb和SUc分別為A 相、B 相和C 相開關(guān)組。每個開關(guān)組包含3 個可控雙向開關(guān)（BS），即Gxo、Gx1和Gx2（x=a，b，c）。這3 個BS 采用星形連接，其公共連接點接于PET 三相級聯(lián)橋臂，其他3 個端口分別接于RM1、RM2和中性點。圖3中，Gao、Gbo和Gco為各相中性點連接控制開關(guān)，可用于調(diào)節(jié)冗余子模塊的投退；Ga1、Gb1和Gc1為RM1投入各相的控制開關(guān)，Ga2、Gb2和Gc2為RM2投入各相的控制開關(guān)，控制開關(guān)能夠靈活調(diào)節(jié)冗余子模塊投入相應級聯(lián)橋臂，實現(xiàn)冗余模塊的公共備用功能。

2 個冗余子模塊連接方式的切換通過圖3 中的SU12控制。其中，G2o為RM2中性點連接控制開關(guān)，控制RM2獨立投入級聯(lián)橋臂，實現(xiàn)雙子模塊的分相備用功能；G12為RM1和RM2的串聯(lián)控制開關(guān)，實現(xiàn)RM1和RM2的串聯(lián)備用功能。

需要指出的是，圖3 中的冗余結(jié)構(gòu)具有良好的可拓展性。以上述設計原則為指導，可以得到多子模塊冗余結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A1 所示，圖中包含q個冗余子模塊。對于雙子模塊冗余的情況，即只存在RM1和RM2，圖A1 與圖3 中的結(jié)構(gòu)相同。當冗余結(jié)構(gòu)拓展到n個冗余子模塊時，只需要增加子模塊投入開關(guān)Gaq、Gbq和Gcq，同時，在RMq和RMq-1之間增加中性點連接控制開關(guān)Gqo以及串聯(lián)控制開關(guān)Gq-1，q。

鑒于3 個及以上子模塊同時發(fā)生故障的概率較低，從兼顧設備成本和運行可靠性角度，本文重點以雙子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)為例進行研究，相關(guān)結(jié)論同樣可拓展應用于多子模塊冗余結(jié)構(gòu)。采用圖3 所示雙子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)的PET 拓撲結(jié)構(gòu)見圖4。圖中，冗余模塊交流端口X1、Y1和Z1分別接入PET三相橋臂，冗余模塊直流端口與PET直流端口并聯(lián)。

圖4 雙子模塊公共冗余PET拓撲結(jié)構(gòu)Fig.4 Topology of dual-SM communal redundant PET

冷備用子模塊在投入運行過程中存在軟啟動、暫態(tài)過流等問題。此外，冗余子模塊因其公共備用功能而不能直接投入主電路以熱備用狀態(tài)運行。為此，在PET 正常運行時，RM1和RM2的前級HB 閉鎖，DAB 正常觸發(fā)，將其電容電壓維持在額定值附近。因此，當冗余子模塊投入主回路并收到HB 觸發(fā)信號時，可迅速進入工作狀態(tài)，從而避免運行模式切換過程中的暫態(tài)沖擊。

2.2 冗余結(jié)構(gòu)工作模式控制

通過調(diào)節(jié)圖3 所示的雙子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)中BS 的狀態(tài)，可控制其工作于正常運行模式、單子模塊投入模式、雙子模塊同相串聯(lián)投入模式和雙子模塊分相投入模式這4種模式。

1）模式1：正常運行模式。

當PET 三相主電路子模塊正常運行時，觸發(fā)三相中性點控制開關(guān)Gao、Gbo和Gco，為三相級聯(lián)橋臂提供中性點，其余BS 斷開。BS 狀態(tài)如附錄A 表A1 中S1對應的狀態(tài)所示。表中，“1”表示開關(guān)導通，“0”表示開關(guān)斷開。當中性點控制開關(guān)發(fā)生故障時，亦可觸發(fā)Ga1、Gb1、Gc1或Ga2、Gb2、Gc2，以圖3 中o2或o3為中性點，從而提高可靠性，相應的BS 狀態(tài)如表A1 中S2和S3對應的狀態(tài)所示。

2）模式2：單子模塊投入模式。

PET 某一相單個子模塊發(fā)生故障情況下，應隔離故障子模塊并投入冗余子模塊，維持PET 整體系統(tǒng)可靠運行。單子模塊投入運行模式下，需閉合RM1投入控制開關(guān)，并斷開故障相中性點連接控制開關(guān)。以A 相為例，閉合Ga1，斷開Gao，將RM1投入A相橋臂，BS 狀態(tài)如表A1 中S4對應的狀態(tài)所示。在RM1故障情況下，亦可將RM2投入A 相，作為后備，以提高運行可靠性。S4的后備方案所對應的BS 狀態(tài)如表A1中S5—S8對應的狀態(tài)所示。

3）模式3：雙子模塊同相串聯(lián)投入模式。

當某一相發(fā)生雙子模塊故障時，需要將2 個冗余子模塊串聯(lián)投入故障相。閉合RM2投入控制開關(guān)和子模塊串聯(lián)控制開關(guān)，斷開故障相中性點連接控制開關(guān)，即可運行于雙子模塊同相串聯(lián)投入模式。以A 相為例，閉合Ga2和G12，斷開Gao，則RM1和RM2串聯(lián)投入A相橋臂，BS狀態(tài)如表A1中S9對應的狀態(tài)所示。該狀態(tài)下BS 發(fā)生故障時，可由表A1 中S10對應的狀態(tài)作為后備。

4）模式4：雙子模塊分相投入模式。

PET 不同相的子模塊發(fā)生故障時，需要將RM1和RM2分別投入故障子模塊所在相。在雙子模塊分相投入模式下，應閉合其中一相的RM1投入控制開關(guān)，并閉合另一相的RM2投入控制開關(guān)及中性點連接控制開關(guān)G2o，然后斷開2 個故障相的中性點控制開關(guān)。以A 相和B 相子模塊故障為例，閉合Ga1、Gb2和G2o，斷開Gao和Gbo，則RM1和RM2分別投入A 相和B 相橋臂，BS 狀態(tài)如表A1 中S11對應的狀態(tài)所示。S12對應的狀態(tài)為S11開關(guān)組故障下的后備狀態(tài)。

以表A1中4種工作模式的S1、S4、S9和S11對應的主工作狀態(tài)為例，其工作電路見附錄A 圖A2。由圖可見，雙子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)能夠在任意單子模塊和雙子模塊發(fā)生故障時實現(xiàn)公共備用和靈活投切。

2.3 容錯控制策略

PET 故障子模塊的檢測與定位是容錯控制的前提，目前已有研究學者開展了較全面的研究［18-19］。故障子模塊定位后，首先閉合故障子模塊旁路開關(guān)并閉鎖DAB，將故障子模塊從系統(tǒng)中隔離。然后，結(jié)合冗余結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)，進行運行模式切換及控制。

1）容錯控制流程。

雙子模塊公共冗余型PET的容錯控制流程如附錄A 圖A3 所示。PET 的工作狀態(tài)正常時，冗余結(jié)構(gòu)中性點連接開關(guān)導通，其他開關(guān)斷開，運行于正常模式；檢測到某個子模塊故障時，根據(jù)故障定位結(jié)果，導通故障相RM1投入控制開關(guān)，并斷開故障子模塊所在相的中性點連接控制開關(guān)，冗余結(jié)構(gòu)從正常運行模式切換至單子模塊投入模式運行。

模式切換開關(guān)控制不當可能會引起過電壓。以A相為例，PET的單相數(shù)學模型為：

式中：usa為系統(tǒng)電壓；uaj為PET 的A 相第j個子模塊的輸出電壓；ia為A相電流。

在模式切換過程中，如果首先斷開中性點控制開關(guān)，則電流通路將被截斷。由式（1）可知，此時電感可能產(chǎn)生過電壓。因此，BS 需要遵循一定的開關(guān)順序，即冗余子模塊投入BS 首先導通，然后將待關(guān)斷的BS 斷開。此時，已經(jīng)閉合的BS 就能夠和冗余子模塊的續(xù)流二極管一起提供續(xù)流通路，以子模塊電容構(gòu)成吸收電路，避免回路電感產(chǎn)生過電壓。切換完成后，觸發(fā)冗余子模塊，進入正常工作狀態(tài)。以上述RM1投入過程為例，其切換過程及續(xù)流通路如附錄A圖A4所示。

在單子模塊投入工作模式下，如果PET 子模塊再次發(fā)生故障，則冗余結(jié)構(gòu)切換至雙子模塊投入模式。如果故障子模塊與首次發(fā)生故障的子模塊同相，則冗余結(jié)構(gòu)切換至雙子模塊同相串聯(lián)投入模式。此時，應導通故障相RM2控制投入開關(guān)和子模塊串聯(lián)控制開關(guān)，關(guān)斷故障相RM1投入控制開關(guān)，在RM1投入運行的基礎上，將RM2串入故障橋臂。如果故障子模塊與首次發(fā)生故障的子模塊異相，則冗余結(jié)構(gòu)切換至雙子模塊分相投入模式。此時，應導通RM2中性點連接控制開關(guān)及其投入控制開關(guān)，并關(guān)斷故障相中性點連接控制開關(guān)，將RM2投入故障相運行。

在雙子模塊投入運行狀態(tài)下，如果PET 再次發(fā)生子模塊故障，則由控制及保護系統(tǒng)發(fā)出停機指令，隔離故障PET。

2）容錯運行策略。

PET 容錯運行策略如附錄A 圖A5 所示。在不同的工作模式下，將冗余子模塊測量信號通過不同通道輸入PET 的控制與保護系統(tǒng)，由PET 控制系統(tǒng)對其運行狀態(tài)進行統(tǒng)一調(diào)節(jié)。同時，根據(jù)故障定位結(jié)果和冗余結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)，結(jié)合控制系統(tǒng)給出的基本載波和調(diào)制波信號，確定冗余子模塊的載波和調(diào)制波，產(chǎn)生HB 觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)冗余子模塊與正常子模塊的協(xié)調(diào)配合運行。

CHB 型PET 一般采用載波移相調(diào)制，同一相的子模塊載波依次移相π/N，然后與調(diào)制波比較得到子模塊觸發(fā)脈沖。根據(jù)PET 故障定位結(jié)果，冗余子模塊在基本載波基礎上的移相值Δφc為：

Δφc=(p-1)π/N（2）

式中：p=1，2，…，N，表示故障子模塊位置。

根據(jù)故障子模塊所在相的檢測結(jié)果，冗余子模塊的調(diào)制波為：

式中：ur1和ur2分別為RM1和RM2的調(diào)制波；kr1和kr2分別為RM1和RM2的調(diào)制波系數(shù)；urφ（φ=a，b，c）為冗余結(jié)構(gòu)投入相的調(diào)制波信號。kr1，kr2∈｛1，0，-1｝，正常運行時，取值為0。對于kr1，在o1做中性點的狀態(tài)下，取值為1；在o2做后備中性點的狀態(tài)下，取值為-1，對調(diào)制波做反相處理。對于kr2，在o1或o2做中性點的狀態(tài)下，取值為1；在o3做后備中性點的狀態(tài)下，取值為-1，對調(diào)制波做反相處理。

3 可靠性及成本分析

良好的冗余結(jié)構(gòu)設計需要兼顧設備運行可靠性和經(jīng)濟性的要求。本節(jié)根據(jù)采用冗余結(jié)構(gòu)的PET的運行特點，從一般性角度，給出了其可靠性和制造成本的評估計算方法。以此為基礎，對所提出的冗余結(jié)構(gòu)設計方案的可靠性和經(jīng)濟性進行了分析，并與其他采用不同冗余結(jié)構(gòu)的PET 進行了對比，以驗證所提方案的合理性。

3.1 PET可靠性及成本分析

設備可靠性一般按式（4）進行計算。

式中：w為系統(tǒng)子模塊數(shù)；k為系統(tǒng)維持運行所允許的最多故障子模塊數(shù)；i為故障子模塊數(shù)。

在式（4）—（6）的基礎上，對本文提出的雙子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)可靠性進行評估。具備該結(jié)構(gòu)的PET 包含無子模塊故障、單子模塊故障和雙子模塊故障狀態(tài)這3種運行狀態(tài)。

無子模塊故障狀態(tài)下，PET可靠性為：

式中：Rbp和Rbs分別為旁路開關(guān)和BS的可靠性。

在可靠性計算過程中（式（7）—（9））考慮了2.2節(jié)所提的狀態(tài)切換開關(guān)組的后備功能。綜上，圖4所示的雙子模塊公共冗余型PET的可靠性為：

圖4 所示的雙子模塊公共冗余型PET 一次設備制造總成本為：

式中：Csm、Cbp和Cbs分別為子模塊、旁路開關(guān)和BS 的成本。

子模塊成本為：

式中：Cigbt、Cc和Chft分別為IGBT 單元、電容和高頻變壓器成本。

PET 主要元件的故障率及成本數(shù)據(jù)見附錄A 表A2。表中，IGBT 和電容故障率為實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)［21］；高頻變壓器故障率參考同電壓等級PET［22］；旁路開關(guān)一般選用高可靠性開關(guān)，文獻［21］按理想開關(guān)處理，本文以略低于IGBT 單元的原則對旁路開關(guān)的故障率進行合理假設。元件成本按照工程經(jīng)驗選取。

BS 故障率取決于開關(guān)類型，可以根據(jù)運行可靠性及成本方面的不同需求，選用不同結(jié)構(gòu)的BS。部分BS結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 BS拓撲結(jié)構(gòu)Fig.5 Topologies of BS

圖5（a）、（b）中BS 采用全控器件構(gòu)成，控制方便，切換速度快。圖5（c）中BS 成本較低，且具有良好的可靠性，但只能在電流過零點時自然關(guān)斷，切換速度和靈活性難以滿足應用要求。相較而言，雖然圖5（b）所示的BS的開通損耗較小，但其可靠性有所降低，且成本較高。本文綜合考慮控制靈活性、制造成本和運行可靠性，選用圖5（a）所示的BS作為冗余結(jié)構(gòu)的切換開關(guān)，并以此進行可靠性和成本分析。鑒于二極管運行可靠性遠高于IGBT，以略高于IGBT單元的原則對圖5（a）所示的BS 的故障率進行合理假設。

3.2 不同冗余結(jié)構(gòu)下的PET性能對比

在3.1 節(jié)的基礎上，將附錄A 表A2 中的參數(shù)代入式（7）—（12），對雙子模塊公共冗余型PET的可靠性及成本進行評估。同時，對已有不同冗余結(jié)構(gòu)以相同的計算原則和參數(shù)進行可靠性和成本分析，用于性能對比。所分析的結(jié)構(gòu)如下：結(jié)構(gòu)Ⅰ為雙子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)，即本文所提出的結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)Ⅱ為無冗余結(jié)構(gòu)［15］；結(jié)構(gòu)Ⅲ為單子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)［12］；結(jié)構(gòu)Ⅳ為單子模塊分相冗余結(jié)構(gòu)［10］；結(jié)構(gòu)Ⅴ為雙子模塊冗余結(jié)構(gòu)［14］；結(jié)構(gòu)Ⅵ為雙子模塊分相冗余結(jié)構(gòu)。以上6種結(jié)構(gòu)的可靠性分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 采用不同結(jié)構(gòu)的PET可靠性對比Fig.6 Reliability comparison of PET among different structures

采用不同結(jié)構(gòu)的PET的成本計算結(jié)果與投入運行第1年的可靠性如表1所示，表中還展示了PET的容量、級聯(lián)子模塊數(shù)N以及各冗余結(jié)構(gòu)下的冗余子模塊數(shù)Nr。需要說明的是，各冗余結(jié)構(gòu)下的可靠性及成本分析結(jié)果是針對不同的冗余設計方法，基于相同的PET 主電路和容量，通過統(tǒng)一的計算原則和數(shù)據(jù)得到的。因此，能夠反映不同冗余結(jié)構(gòu)的性能相對關(guān)系，基本不受具體數(shù)據(jù)的影響。

表1 采用不同結(jié)構(gòu)的PET可靠性及成本評估Table 1 Reliability and cost estimation of PET with different structures

由圖6 可見，采用結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ的PET 可靠性遠低于其他結(jié)構(gòu)，不能滿足工程應用需求。本文提出的雙子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)Ⅰ）在設備投運初期可靠性最高，長期運行過程中，其可靠性僅次于結(jié)構(gòu)Ⅵ，但差別不大。由表1 可見，結(jié)構(gòu)Ⅵ成本遠高于其他結(jié)構(gòu)，因此其性價比遠低于結(jié)構(gòu)Ⅱ之外的其他結(jié)構(gòu)，工程實用性較差。結(jié)構(gòu)Ⅰ成本略高于結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ，但是能夠大幅提升PET 運行可靠性。結(jié)構(gòu)Ⅴ性能指標略遜于結(jié)構(gòu)Ⅰ。但需要指出的是，與結(jié)構(gòu)Ⅴ相比，結(jié)構(gòu)Ⅰ中冗余子模塊結(jié)構(gòu)與PET 主電路的子模塊結(jié)構(gòu)相同，其觸發(fā)控制系統(tǒng)、散熱裝置、機械結(jié)構(gòu)等均可直接沿用主電路子模塊的設計方案。結(jié)構(gòu)Ⅴ中的冗余子模塊與主電路子模塊結(jié)構(gòu)不同，其觸發(fā)控制系統(tǒng)、散熱裝置、機械結(jié)構(gòu)等均需要在主電路子模塊基礎上進行相應的改動，且不利于檢修和故障更換。此外，結(jié)構(gòu)Ⅰ因采用與主電路子模塊相同的結(jié)構(gòu)，可拓展性強，模式切換控制簡單。結(jié)構(gòu)Ⅴ的切換邏輯以及冗余子模塊的控制復雜度會隨著冗余子模塊數(shù)量的增加而增加。綜上，本文提出的雙子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)能夠在控制成本的前提下，有效提升PET的可靠性，較好滿足工程應用要求。

4 仿真驗證

在PSCAD／EMTDC 軟件中搭建PET 及冗余結(jié)構(gòu)的詳細模型，對冗余結(jié)構(gòu)功能及容錯控制策略的有效性進行測試。仿真系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如附錄A 表A3 所示。在仿真測試中，分別考慮定功率和定電壓控制模式，以及不同負載水平和外部故障等條件，針對單子模塊故障、同相和異相雙子模塊故障等故障類型進行了測試，以全面分析本文所提出的冗余結(jié)構(gòu)和容錯控制策略。

4.1 單子模塊故障

PET 運行于定功率整流工況，傳輸功率為額定功率。SMa2在0.2 s 時發(fā)生開路故障。故障前后的子模塊電壓如圖7 所示，圖中usma2、urm1和urm2分別為故障子模塊SMa2電壓、RM1和RM2電壓，且均為標幺值。由圖7 可見，單子模塊故障下，采用冗余結(jié)構(gòu)的PET能夠迅速切換至單子模塊投入模式，以RM1替換故障子模塊，從而保證整體系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。

圖7 額定負載單子模塊故障下的子模塊電壓Fig.7 Voltage of SM under single-SM fault in rated load condition

故障子模塊及冗余子模塊的端口電壓及電流如圖8所示，圖中ua2、ia2和urmo1、irm1分別為故障子模塊和RM1的端口電壓、電流，且均為標幺值。故障發(fā)生前，故障子模塊投入主電路運行，端口電壓為正弦脈寬調(diào)制波，電流為橋臂電流，RM1運行于旁路狀態(tài)，端口電壓及電流均為0。故障發(fā)生后，故障子模塊運行于旁路狀態(tài)，RM1投入主回路替代故障子模塊。冗余結(jié)構(gòu)下的模式切換過程平滑迅速，不會產(chǎn)生劇烈的暫態(tài)沖擊。

圖8 單子模塊故障下的子模塊端口電壓及電流Fig.8 Voltage and current of SM port under single-SM fault

設初始工況與上文一致，在0.15 s時，BC兩相電壓跌落至額定值的40%，PET進入低電壓穿越狀態(tài)。在0.2 s時，SMa2發(fā)生短路故障。附錄A 圖A6 給出了冗余結(jié)構(gòu)下PET 在低電壓穿越運行期間的工作情況。由圖可見，子模塊發(fā)生短路故障后電壓跌落，冗余結(jié)構(gòu)迅速投入子模塊RM1。RM2仍處于備用狀態(tài)。容錯控制系統(tǒng)在PET低電壓穿越期間能夠可靠工作，冗余結(jié)構(gòu)模式切換對整體運行性能基本不會造成影響。

4.2 同相雙子模塊故障

PET 運行于定電壓整流額定負載工況。在0.2 s和0.3 s 時，SMa2和SMa4內(nèi)部分別發(fā)生開路故障（故障1）和短路故障（故障2）。圖9 為無冗余條件下的直流電壓udc和交流電流iabc波形，圖中電壓和電流均為標幺值。由圖可見，子模塊內(nèi)部發(fā)生故障時，將嚴重影響PET 運行性能，雙子模塊故障情況下運行性能進一步劣化，定電壓控制模式下直流母線電壓產(chǎn)生波動，影響電能質(zhì)量。交流側(cè)電流發(fā)生嚴重畸變和過流，威脅PET安全，對電力系統(tǒng)造成諧波污染。

圖9 無冗余條件下同相雙子模塊故障波形Fig.9 Waveforms of dual-SM fault in same phase without redundancy

采用本文所提出的新型雙子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)，在容錯控制策略調(diào)節(jié)下，同相雙子模塊故障情況下的直流電壓、交流電流和子模塊電壓波形如圖10所示，圖中usma4為SMa4電壓，且圖中電壓和電流均為標幺值。故障子模塊及冗余子模塊的端口電壓和電流波形如附錄A圖A7所示。

圖10 冗余結(jié)構(gòu)下同相雙子模塊故障波形Fig.10 Waveforms of dual-SM fault in same phase with redundant structure

由圖10 和圖A7 可見，SMa2發(fā)生開路故障時，控制系統(tǒng)旁路故障子模塊并投入RM1，由正常模式切換至單子模塊投入模式。該情況下，SMa4發(fā)生短路故障時，RM2快速投入，由單子模塊投入模式切換至同相雙子模塊串聯(lián)投入模式。在冗余結(jié)構(gòu)運行模式切換過程中，冗余子模塊能夠迅速替代故障子模塊運行，不會產(chǎn)生嚴重的暫態(tài)沖擊，對PET整體運行性能基本不會造成影響。切換完成后，PET 能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠運行。

4.3 異相雙子模塊故障

PET 運行于定功率逆變狀態(tài)，傳遞功率為額定功率，在0.2 s 和0.3 s 時，SMa2和SMb5分別發(fā)生短路和開路故障。附錄A 圖A8 為無冗余條件下的功率和交流電流波形。由圖可見，發(fā)生異相雙子模塊故障時，也會對PET的運行性能造成較大影響。此時，故障相的級聯(lián)子模塊數(shù)減小，由于子模塊電壓被公共直流母線電壓箝位在額定電壓附近，PET 輸出的多電平電壓無法達到預定值。因此，交流側(cè)電流將發(fā)生畸變和過流，進而導致有功功率及無功功率產(chǎn)生大幅波動。

異相雙子模塊故障下，具備冗余結(jié)構(gòu)的PET 功率、交流電流和子模塊電壓如附錄A 圖A9所示。故障子模塊及冗余子模塊的端口電壓和電流波形如附錄A 圖A10 所示。由圖A9 和圖A10 可見，SMa2發(fā)生短路故障時，電壓發(fā)生嚴重跌落，控制系統(tǒng)將RM1投入A 相運行，冗余結(jié)構(gòu)由正常模式切換至單子模塊投入模式。該情況下，SMb5發(fā)生開路故障時，在逆變狀態(tài)下其子模塊電壓逐漸跌落，由控制系統(tǒng)將RM2投入B 相運行，冗余結(jié)構(gòu)由單子模塊投入模式切換至雙子模塊分相投入模式。這與圖10 所示效果相同，可見采用冗余結(jié)構(gòu)及相應容錯控制策略能夠提高PET 在子模塊故障期間的可靠性，維持其整體運行性能。

5 結(jié)論

本文針對CHB 型PET 提出一種雙子模塊公共冗余結(jié)構(gòu)和容錯控制策略，并與其他冗余結(jié)構(gòu)的可靠性和制造成本進行對比分析，得到如下主要結(jié)論。

1）與分相冗余結(jié)構(gòu)相比，公共冗余結(jié)構(gòu)能夠降低成本，減小設備體積和重量，并提高冗余模塊利用率。與單子模塊冗余結(jié)構(gòu)相比，雙子模塊冗余結(jié)構(gòu)功能豐富，可以實現(xiàn)任意單子模塊和雙子模塊故障備用，增強PET容錯能力。

2）容錯控制策略實現(xiàn)方便，可以根據(jù)故障情況進行冗余結(jié)構(gòu)運行模式的靈活切換，在PET 定電壓和定功率等不同控制模式以及正常運行和電網(wǎng)故障等多種工況下均能有效實現(xiàn)備用功能。仿真結(jié)果驗證了其具有良好的性能。

3）可靠性和成本分析結(jié)果表明相較于采用其他冗余結(jié)構(gòu)的PET，本文所提出的設計方案可較好兼顧可靠性和經(jīng)濟性要求，更好滿足工程應用要求。

本文所提出的冗余結(jié)構(gòu)設計原則具有較強的可拓展性，適用于任意數(shù)目冗余子模塊的應用場合。此外，該冗余方案和控制策略除能用于PET外，也能為采用CHB 結(jié)構(gòu)的有源濾波器、靜止同步補償器等電力電子設備在冗余結(jié)構(gòu)設計和容錯控制方面提供參考。

附錄見本刊網(wǎng)絡版（http：//www.epae.cn）。