摘 要：模块化多电平换流器（MMC）拓扑是目前高压、大容量电力电子装置的主要配置方案，但因其子模块数量较多且易发生故障，从而严重影响系统的稳定性和可靠性。文章通过将therCAT 工业以太网技术引入到MMC 控制系统，提出一种基于EtherCAT 环网拓扑的MMC 子模块分布式控制系统构架，它采用分布时钟的EtherCAT 环网通信实现子模块控制单元的精确同步。针对子模块IGBT 开路故障，优化后的时序逻辑可完成子模块故障信息反馈并大幅度缩短子模块故障切除时间，通过对通信链路设置故障冗余，子模块同步驱动信号和故障反馈信息得以稳定传输。最后，搭建了MMC 仿真和实验平台，实验结果验证了EtherCAT 环网控制MMC 系统在子模块故障检测和容错控制的有效性与可行性。
关键词：模块化多电平换流器；EtherCAT 环网；分布式控制；故障冗余；容错控制
DOI:10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.08.013
中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）08-0051-05
Fault Detection and Fault-Tolerant Control of MMC Based on EtherCAT Ring Network
XU Wenjie1, ZHANG Jiangna 2, MEI Zhimin 1
(1.Information Engineering Institute, Wuchang Institute of Technology, Wuhan 430065, China; 2.Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)
Abstract: Modular Multi-Level Converter (MMC) topology is the main scheme of high voltage and large capacity power electronic devices, however, the sub-modules are many and easy to fail, which seriously affects the stability and reliability of the system. Through introducing EtherCAT industrial Ethernet technology into MMC control system, this paper proposes a MMC sub-module distributed control system architecture based on EtherCAT ring network topology. The precise synchronization of sub-module control units can be realized by using distributed clock EtherCAT ring network communication. Aiming at IGBT open-circuit fault of sub-module, the optimized sequential logic can complete the fault information feedback of sub-module and greatly shorten the fault removal time of sub-module. By setting fault redundancy for communication link, the synchronous driving signal and fault feedback information of sub-module can be transmitted stably. Finally, the simulation and experimental platform of MMC is built, and the experimental results verify the effectiveness and feasibility of EtherCAT ring network control MMC system in sub-module fault detection and fault-tolerant control.
Keywords: Modular Multi-Level Converter; EtherCAT ring network; distributed control; fault redundancy; fault-tolerant control
参考文献：
[1] 张正发，李可军，王卓迪，等. 兼具开路故障诊断能力的MMC 电容电压测量方法 [J]. 电力系统自动化，2017，41（7）：114-119+167.
[2] 李智福. 风电场风力发电机的运行维护分析 [J]. 集成电路应用，2022，39（4）：300-301.
[3] 蒋应伟，侯凯，陈永华，等.EtherCAT 总线技术在现代电力电子装置中的应用 [J]. 中国电力，2016，49（9）：66-71+77.
[4] 郑国良，张德炜，武艺泳，等. 某高超声速风洞攻角机构控制系统 [J]. 兵工自动化，2020，39（8）：44-48.
[5] 朱良合，袁志昌，盛超，等. 基于柔性直流输电的异步互联系统频率支援控制方法综述 [J]. 电力自动化设备，2019，39（2）：84-92.
[6] ABUSHAFA O S H M，DAHIDAH M S A，GADOUE S M，et al. Submodule voltage estimation scheme in modular multi-level converters with reduced voltage sensors based on Kalmanfilter approach [J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2018，65（9）：7025-7035.
[7] 李兴源，曾琦，王渝红，等. 柔性直流输电系统控制研究综述 [J]. 高电压技术，2016，42（10）：3025-3037.
[8] 黄守道，付雪婷，饶宏，等. 基于Semi-Markov 的模块化多电平换流器的可靠性分析及其冗余配置策略 [J]. 电力自动化设备，2018，38（7）：128-133.
[ 9 ] P I C A S R ， Z A R A G O Z A J ， P O U J ， e t a l . N e w measuring technique for reducing the number of voltage sensors in modularmultilevel converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31（1）：177-187.
[10] LI B B，SHI S L，WANG B，et al.Fault detection and tolerant control of single IGBT open-circuit failure in modular multilevel converters [J].IEEE Trans on Power Electronics，2016，31（4）：3165-3176.
[11] 罗德荣，贺锐智，黄守道，等. 模块化多电平变流器子模块电压分组检测中过电压防护策略 [J]. 电工技术学报，2019，34（14）：2957-2969.
作者简介：许文杰（1988.07—），女，汉族，湖北宜昌人，教师，硕士，研究方向：计算机软件工程。