CN103235219A - 一种模块化多电平换流器的子模块故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了输配电技术领域的一种模块化多电平换流器的子模块故障诊断方法。其技术方案是，首先，针对子模块的典型故障进行故障特性分析；其次，在子模块控制器SMC中配置子模块故障诊断单元SFDU，通过电容电压、桥臂电流及此时的触发信号，结合所提出的子模块故障诊断指标，实现子模块IGBT短路、IGBT开路、FWD短路、电容失效等故障的诊断；最后，在阀基控制器VBC中采用排除法实现子模块FWD开路、电容开路失效及连接线开路等故障的诊断。本发明的有益效果是，提出的发明基于软件实现子模块故障的诊断，且未在原控制保护系统上增加额外测点，易于实现，具有快速、高效诊断子模块故障的能力且自带了与其他保护整定的配合。

Description

一种模块化多电平换流器的子模块故障诊断方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器的子模块故障诊断方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是R.Marquardt和A.Lesnicar于2002年提出的新型电压源换流器拓扑结构，具有无需大量IGBT串联、器件承受电压变化率低、输出波形谐波含量较低等优点。因此，基于MMC的高压直流输电系统（MMC-HVDC）也是近年来直流输电领域的研究热点。

目前，工程广泛采用的子模块(Sub-module，SM)采用半桥型子模块结构，是构成MMC的基本单元，其运行过程中故障状态的及时诊断与就地保护直接影响系统的稳定运行，另外，子模块故障的保护整定与其他故障如直流故障的保护整定需协调配合，避免保护的误动。子模块控制器(SMC)上的驱动保护电路提供了一些基本的子模块故障诊断能力，如电容的欠压与过压、IGBT的过流、温度过高等，但硬件电路设计较为复杂且无法诊断某些类型的故障，诊断能力较差。目前少有文献研究基于软件实现的子模块故障诊断策略，也少有文献介绍子模块故障保护判据与其他保护的配合。

发明内容

针对背景技术中提到子模块控制器SMC上的驱动保护电路的硬件电路设计复杂且无法诊断某些类型的故障以及诊断能力较差的问题，本发明提出了一种模块化多电平换流器的子模块故障诊断方法。

一种模块化多电平换流器的子模块故障诊断方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：针对子模块的典型故障进行故障特性分析；

步骤2：在子模块控制器SMC中配置子模块故障诊断单元SFDU，通过电容电压、桥臂电流及此时的触发信号，结合所提出的子模块故障诊断指标，实现子模块IGBT短路、IGBT开路、FWD短路和电容失效故障的诊断；

步骤3：在阀基控制器VBC中采用排除法实现子模块FWD开路、电容开路失效及连接线开路故障的诊断。

步骤1中，子模块的典型故障包括元件失效故障和触发控制故障；

元件失效故障包括电力电子器件（绝缘栅双极型晶体管IGBT和续流二极管FWD）的短路故障、开路故障和电容故障；触发控制故障是由于系统误发脉冲或控制器间的通信故障导致。

步骤2中，通过子模块电容电压、桥臂电流及此时的触发信号，结合所提出的子模块故障诊断指标，实现子模块故障的诊断的具体过程为：

步骤201：根据桥臂电流得到正常运行时流过子模块电容的电流i_c；所述流过子模块电容的电流i_c的计算公式为：

i_c=S_ni_arm

其中，S_n为正常运行时的基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统MMC-HVDC系统中描述第n个子模块开通和关断状态的开关函数，i_arm为桥臂电流；

步骤202：在步骤201的基础上，结合子模块电容电压的计算公式，得到在第k个采样时刻和第k+1个采样时刻子模块电容电压之间的关系；

所述子模块电容电压u_c的计算公式为：

$u_c=u_0+\frac{1}{C}{\∫}_0^t{i}_c\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中，u₀为子模块电容电压0时刻的初始值；C为电容；i_c(t)为t时刻流过子模块电容的电流；

所述第k个采样时刻和第k+1个采样时刻子模块电容电压之间的关系为：

$u_c(k+1)=u_c\left(k\right)+\frac{1}{C}{\∫}_{{\mathrm{kT}}_s}^{{(k+1)T}_s}{i}_c\left(t\right)\mathrm{dt}$

$=u_c\left(k\right)+T_s{S}_n\left(k\right)\frac{i_{\mathrm{arm}}\left(k\right)+i_{\mathrm{arm}}(k+1)}{2C}$

其中，u_c(k)为第k个采样时刻时子模块的电容电压值；u_c(k+1)为第k+1个采样时刻时子模块的电容电压值；Ts为系统采样周期；C为电容；i_c(t)为t时刻流过子模块电容的电流；S_n(k)为k时刻基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统MMC-HVDC系统中描述第n个子模块开通和关断状态的开关函数，

i_arm(k)为第k个采样时刻的桥臂电流；i_arm(k+1)为第k+1个采样时刻的桥臂电流；

步骤203：根据任一时刻比上一时刻的电容电压的增量的理论值和实际值实现故障诊断；

所述实现故障诊断的过程为：

步骤2031：定义电容电压增量的理论值为

实际值为λ₂=u_c(k+1)-u_c(k)；

步骤2032：提出子模块故障诊断指标λ，并根据计算得到的λ的值进行故障诊断：

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2}$

采用比值作为诊断指标是由于单个采样周期内正常情况下和故障情况下理论值与实际值的差值都较小，若采用差值作为诊断指标则阈值设置困难且易发生误动；另外，采用比值作为诊断指标避免了器件实际参数和额定参数的偏差对诊断造成影响；

正常运行时，任一时刻λ≈1(充放电时λ₁≈λ₂，不充放电时λ₁=0且λ₂≈0并定义该情况下λ≈1)，则正常运行、子模块回路短路、IGBT开路等状态下监测到的λ为：

另外，根据故障指标λ可诊断电容短路失效故障：当短路失效导致容值明显下降时，导致的结果是充放电时λ的值明显小于1；当短路失效导致电容击穿时，其λ₂为0，此时λ的值远远大于1。电容的开路故障的诊断采用步骤三中的线路开路诊断策略实现。

综上所述，根据λ的状态即可实现IGBT短路、IGBT开路、FWD短路、电容短路失效等故障的诊断，当满足

σ₁<λ<σ₂(σ₁可取0.2～0.3，σ₂可取5～10)

其中，σ₁为第一设定值；σ₂为第二设定值；

则SFDU诊断为子模块正常运行，否则诊断为子模块故障。

步骤3中，在阀基控制器VBC中实现子模块续流二极管开路、电容开路失效及连接线的开路的故障诊断的过程为：

采用步骤2提出的诊断方法使SMC具备了诊断大部分子模块故障状态的能力，且未增加额外测点，但由于其基本原理是根据电容电压增量与开关状态和桥臂电流之间的关系进行诊断，因此，对于续流二极管开路、电容开路或子模块回路其他位置的开路状态，电流出现断续，此时SFDU无法诊断二极管及线路开路故障。

因此，针对此类故障，本发明提出的法方是在上层VBC设置诊断子模块开路故障的功能。其基本原理是：

步骤301：检测桥臂电流是否出现断续，当检测到桥臂电流出现断续，则判断子模块出现开路故障；

步骤302：检测到某个子模块发生开路故障后，采用排除法逐一将正常线路排除，从而诊断出开路线路，确定故障子模块；具体步骤包括：

步骤3021：将单个子模块的接线分为两部分，分别为1号线和2号线。

步骤3022：将整个桥臂N个子模块的两部分接线按顺序标号为：1,2,3,4…2n-1，2n,…,2N；诊断到某个子模块发生开路故障时有：

a:i_arm>0且S_n=1时，则2n-1号线为正常状态；

b:i_arm<0且S_n=0时，则2n号线为正常状态。

c：一个开关周期内，S_n=1时，如果所有采样时刻均满足|i_arm|≤ε，则2n号线为正常状态；

d：一个开关周期内，S_n=0时，如果所有采样时刻均满足|i_arm|≤ε，则2n-1号线为正常状态。

通过这四个条件可逐一将正常线路排除，从而诊断出开路线路，确定故障子模块的标号，从而实现对续流二极管开路、电容开路或子模块回路其他位置的开路故障。

本发明的有益效果是，所提出的发明基于软件实现子模块故障的诊断，且未在原控制保护系统上增加额外测点，易于实现，具有快速、高效诊断子模块故障的能力且自带了与其他保护整定的配合，具有工程实用价值。

附图说明

图1为本发明提供的模块化多电平换流器MMC（半桥）的拓扑结构图；

图2为本发明提供的MMC-HVDC控制系统分层示意图；

图3为本发明提供的T1开路时桥臂电流通路图；

图4为本发明提供的子模块故障诊断单元示意图；

图5为本发明提供的单个子模块两段回路分线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1为本发明提供的模块化多电平换流器MMC（半桥）的拓扑结构图。图1中，SM1，SM2，…，SMn,表示MMC某桥臂中第一个子模块，第二个子模块，…，第n个子模块；L₀表示桥臂电抗器；U_dc表示MMC正负极直流母线间的电压差。T1，T2分别表示半桥子模块中上下两个IGBT，D1，D2分别表示相应IGBT的反并联二极管；i_arm为桥臂电流；C₀表示半桥子模块中电容器；U_c表示子模块电容电压；U_SM表示子模块端口输出电压。

图2为本发明提供的MMC-HVDC控制系统分层示意图。图2中，MC为主控制器，VBC为阀基控制器，SMC为子模块控制器。

图3为本发明提供的T1开路时桥臂电流通路图。图3中，T1，T2分别表示半桥子模块中上下两个IGBT，D1，D2分别表示相应IGBT的反并联二极管；i_arm为桥臂电流；U_c表示子模块电容电压；U_SM表示子模块端口输出电压。

图4为本发明提供的子模块故障诊断单元示意图。图4中，SFDU为子模块故障诊断单元，SM fault为子模块故障信号，图4中其余各变量与图1,2,3中相应变量意义相同。

图5为本发明提供的单个子模块两段回路分线的示意图。图5中，T1，T2分别表示半桥子模块中上下两个IGBT，D1，D2分别表示相应IGBT的反并联二极管。

下面针对几种典型故障进行故障特性分析：

(1)绝缘栅双极型晶体管IGBT或续流二极管FWD短路故障：绝缘栅双极型晶体管IGBT的短路故障会导致当另一正常绝缘栅双极型晶体管IGBT开通时，在电路间形成子模块桥臂直通，由于此时时间常数较小，所导致的结果是电容迅速放电并形成很大的桥臂短路电流流过上、下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT；续流二极管FWD的短路故障将导致电容通过续流二极管FWD及其互补的绝缘栅双极型晶体管IGBT间形成短路。

(2)绝缘栅双极型晶体管IGBT开路故障：IGBT开路会改变桥臂电流流过子模块时的通路、子模块的输出电压及电容的充放电情况。以绝缘栅双极型晶体管IGBT的基极T1开路为例，T1开路故障后，当触发脉冲为切除子模块时，其运行状态与未故障时相同；当触发脉冲为投入子模块时，其运行状态如图3所示。当桥臂电流i_arm>0时，形成电容充电回路，与正常运行状态相同，当iarm<0时，电容电压不会形成放电回路，桥臂电流流过D2，此时出口电压为0。可见T1开路故障会导致故障子模块的电容电压持续上升，由于控制系统的排序导通，当故障子模块电容电压上升到一定值时，iarm>0时将不再导通T1给电容充电，但iarm<0且导通T1时，子模块输出电压是0而非正常时的Uc，因此维持直流电压恒定将在桥臂产生较大环流，不能长期稳定运行，必须启动保护。

同理可分析得，T2发生开路故障时，当触发脉冲为投入子模块时，其运行状态与未发生故障时相同；当触发脉冲为切除状态且iarm>0时，桥臂电流将通过D1对电容充电，输出电压为Uc；当触发脉冲为切除状态且iarm<0时，桥臂电流流过D2，与正常运行状态相同。此时虽然电容异常充放电，但由于排序均压作用，故障子模块电容电压仍可保持在额定值上下波动，由于触发脉冲为切除状态时输出电压为Uc而非正常时的0，因此维持直流电压恒定也会在桥臂产生较大环流，必须启动子模块保护。

(3)续流二极管FWD开路故障：当D1开路时，故障子模块没有充电通路，电容电压将持续下降，若iarm>0时导通T1，电流将瞬时降至0，导致桥臂电流断续；当D2开路时，故障子模块电容有放电通路和充电通路，由于排序均压的作用，不会导致电容电压持续下降，但若iarm<0时导通T2，电流将瞬时降至0，同样导致桥臂电流断续。

电流断续现象将严重影响系统的稳定运行。当系统一端发生某个子模块FWD开路故障时，该故障桥臂发生电流断续，但仍可通过控制和调制策略保持故障相的出口电压为调制波，此时故障相换流器出口侧电压与变压器二次侧之间桥臂电抗器不再是并联关系，系统为非对称运行状态，因此故障端将产生负序电流，进而导致有功功率和无功功率的二倍频波动，有功功率的二倍频波动又将导致直流电压的二倍频波动，对非故障端的有功传输也造成影响。

(4)储能电容故障：电容失效故障包括短路失效和开路失效两种。电容器的短路失效是由电容老化或者累积效应导致的容值下降或者电容击穿引起的，短路失效下的子模块无法输出额定电压，使系统无法稳定运行；电容器的开路失效一般是由电容内部单元或者内部连接断开所引起的，其故障特征与FWD开路故障类似，将导致电流断续，交流侧非对称运行，从而产生负序电流及有功功率和直流电压的二倍频波动。

(5)触发控制故障：触发控制故障主要体现为触发脉冲丢失和误触发，其最终导致的故障结果为T1、T2的同时开通或T1、T2的同时关断，其故障特性与(1)、(2)所示的故障特性相同。

步骤2中，通过子模块电容电压、桥臂电流及此时的触发信号，结合所提出的子模块故障诊断指标，实现子模块故障的诊断的具体过程为：

步骤201：根据桥臂电流得到正常运行时流过子模块电容的电流i_c；所述流过子模块电容的电流i_c的计算公式为：

i_c=S_ni_arm

其中，S_n为正常运行时的MMC-HVDC系统中描述第n个子模块开通和关断状态的开关函数，

i_arm为桥臂电流；

步骤202：在步骤201的基础上，结合子模块电容电压的计算公式，得到在第k个采样时刻和第k+1个采样时刻子模块电容电压之间的关系；

所述子模块电容电压u_c的计算公式为：

$u_c=u_0+\frac{1}{C}{\&Integral;}_0^t{i}_c\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中，u₀为子模块电容电压0时刻的初始值；C为电容；i_c(t)为t时刻流过子模块电容的电流；

所述第k个采样时刻和第k+1个采样时刻子模块电容电压之间的关系为：

$u_c(k+1)=u_c\left(k\right)+\frac{1}{C}{\&Integral;}_{{\mathrm{kT}}_s}^{(k+1)T_s}{i}_c\left(t\right)\mathrm{dt}$

$=u_c\left(k\right)+T_s{S}_n\left(k\right)\frac{i_{\mathrm{arm}}\left(k\right)+i_{\mathrm{arm}}(k+1)}{2C}$

其中，u_c(k)为第k个采样时刻时子模块的电容电压值；u_c(k+1)为第k+1个采样时刻时子模块的电容电压值；Ts为系统采样周期；C为电容；i_c(t)为t时刻流过子模块电容的电流；S_n(k)为正常运行时的MMC-HVDC系统中描述第n个子模块开通和关断状态的开关函数，

i_arm(k)为第k个采样时刻的桥臂电流；i_arm(k+1)为第k+1个采样时刻的桥臂电流；

步骤203：根据任一时刻比上一时刻的电容电压的增量的理论值和实际值实现故障诊断；

所述实现故障诊断的过程为：

步骤2031：定义电容电压增量的理论值为

实际值为λ₂=u_c(k+1)-u_c(k)。

步骤2032：提出子模块故障诊断指标λ，并根据计算得到的λ的值进行故障诊断：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}$

采用比值作为诊断指标是由于单个采样周期内正常情况下和故障情况下理论值与实际值的差值都较小，若采用差值作为诊断指标则阈值设置困难且易发生误动；

正常运行时，任一时刻λ≈1(充放电时λ₁≈λ₂，不充放电时λ₁=0且λ₂≈0并定义该情况下λ≈1)，则正常运行、子模块回路短路、IGBT开路等状态下监测到的λ为：

另外，根据故障指标λ可诊断电容短路失效故障：当短路失效导致容值明显下降时，导致的结果是充放电时λ的值明显小于1；当短路失效导致电容击穿时，其λ₂为0，此时λ的值远远大于1。电容的开路故障的诊断采用步骤3中的线路开路诊断策略实现。

综上所述，根据λ的状态即可实现IGBT短路、IGBT开路、FWD短路、电容短路失效等故障的诊断，当满足

σ₁<λ<σ₂(σ₁可取0.2～0.3，σ₂可取5～10)

则SFDU诊断为子模块正常运行，否则诊断为子模块故障。

步骤3中，在VBC中实现子模块续流二极管开路、电容开路失效及连接线的开路的故障诊断的过程为：

采用步骤2提出的诊断方法使SMC具备了诊断大部分子模块故障状态的能力，且未增加额外测点，但由于其基本原理是根据电容电压增量与开关状态和桥臂电流之间的关系进行诊断，因此，对于续流二极管开路、电容开路或子模块回路其他位置的开路状态，电流出现断续，此时SFDU无法诊断二极管及线路开路故障。

因此，针对此类故障，本发明提出的法方是在上层VBC设置诊断子模块开路故障的功能。其基本原理是：

步骤301：检测桥臂电流是否出现断续，当检测到桥臂电流出现断续，则判断子模块出现开路故障；

步骤302：检测到某个子模块发生开路故障后，采用排除法逐一将正常线路排除，从而诊断出开路线路，确定故障子模块；具体步骤包括：

步骤3021：将单个子模块的接线分为两部分，分别为1号线和2号线。

步骤3022：将整个桥臂N个子模块的两部分接线按顺序标号为：1,2,3,4…2n-1，2n,…,2N；诊断到某个子模块发生开路故障时有：

a:i_arm>0且S_n=1时，则2n-1号线为正常状态；

b:i_arm<0且S_n=0时，则2n号线为正常状态。

c：一个开关周期内，Sn=1时，如果所有采样时刻均满足|i_arm|≤ε，则2n号线为正常状态；

d：一个开关周期内，Sn=0时，如果所有采样时刻均满足|i_arm|≤ε，则2n-1号线为正常状态。

通过这四个条件可逐一将正常线路排除，从而诊断出开路线路，确定故障子模块的标号，从而实现对续流二极管开路、电容开路或子模块回路其他位置的开路故障。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种模块化多电平换流器的子模块故障诊断方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：针对子模块的典型故障进行故障特性分析；

步骤2：在子模块控制器SMC中配置子模块故障诊断单元SFDU，通过电容电压、桥臂电流及此时的触发信号，结合所提出的子模块故障诊断判据，实现IGBT短路、IGBT开路、FWD短路和电容失效故障的诊断；

步骤3：在阀基控制器VBC中采用排除法实现子模块FWD开路、电容开路失效及连接线开路故障的诊断。

2.根据权利要求1所述的子模块故障诊断方法，其特征在于，所述通过子模块电容电压、桥臂电流及此时的触发信号，结合所提出的子模块故障诊断指标，实现子模块故障的诊断的具体过程为：

步骤201：根据桥臂电流得到正常运行时流过子模块电容的电流i_c；所述流过子模块电容的电流i_c的计算公式为：

i_c=S_ni_arm

其中，S_n为正常运行时的基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统MMC-HVDC系统中描述第n个子模块开通和关断状态的开关函数，

i_arm为桥臂电流；

步骤202：在步骤201的基础上，结合子模块电容电压的计算公式，得到在第k个采样时刻和第k+1个采样时刻子模块电容电压之间的关系；

所述子模块电容电压u_c的计算公式为：

$u_c=u_0+\frac{1}{C}{\&Integral;}_0^t{i}_c\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中，u₀为子模块电容电压0时刻的初始值；C为电容；i_c(t)为t时刻流过子模块电容的电流；

所述第k个采样时刻和第k+1个采样时刻子模块电容电压之间的关系为：

$u_c(k+1)=u_c\left(k\right)+\frac{1}{C}{\&Integral;}_{{\mathrm{kT}}_s}^{(k+1)T_s}{i}_c\left(t\right)\mathrm{dt}$

$=u_c\left(k\right)+T_s{S}_n\left(k\right)\frac{i_{\mathrm{arm}}\left(k\right)+i_{\mathrm{arm}}(k+1)}{2C}$

其中，u_c(k)为第k个采样时刻时子模块的电容电压值；u_c(k+1)为第k+1个采样时刻时子模块的电容电压值；Ts为系统采样周期；C为电容；i_c(t)为t时刻流过子模块电容的电流；S_n（k）为k时刻基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统MMC-HVDC系统中描述第n个子模块开通和关断状态的开关函数，i_arm(k)为第k个采样时刻的桥臂电流；i_arm(k+1)为第k+1个采样时刻的桥臂电流；

步骤203：根据任一时刻比上一时刻的电容电压的增量的理论值和实际值实现故障诊断；

所述实现故障诊断的过程为：

步骤2031：定义电容电压增量的理论值为

实际值为λ₂=u_c(k+1)-u_c(k)；

步骤2032：提出子模块故障诊断指标λ，并根据计算得到的λ的值进行故障诊断：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}$

当满足

σ₁<λ<σ₂

其中，σ₁为第一设定值；σ₂为第二设定值；

则子模块故障诊断单元SFDU诊断为子模块正常运行，否则诊断为子模块故障。

3.根据权利要求1所述的子模块故障诊断方法，其特征在于，所述在阀基控制器VBC中实现子模块开路的故障诊断的过程为：

步骤301：检测桥臂电流是否出现断续，当检测到桥臂电流出现断续，则判断子模块出现开路故障；

步骤302：检测到某个子模块发生开路故障后，采用排除法逐一将正常线路排除，从而诊断出开路线路，确定故障子模块；具体步骤包括：

步骤3021：将单个子模块的接线分为两部分，分别为1号线和2号线；

步骤3022：将整个桥臂N个子模块的两部分接线按顺序标号为：1,2,3,4…2n-1，2n,…,2N；诊断到某个子模块发生开路故障时有：

a:i_arm>0且S_n=1时，则2n-1号线为正常状态；

b:i_arm<0且S_n=0时，则2n号线为正常状态；

c：一个开关周期内，S_n=1时，如果所有采样时刻均满足i_arm≤ε，则2n号线为正常状态；

d：一个开关周期内，Sn=0时，如果所有采样时刻均满足|i_arm|≤ε，则2n-1号线为正常状态。

4.根据权利要求2所述的子模块故障诊断方法，其特征在于，所述第一设定值σ₁的取值范围为0.2≤σ₁≤0.3；所述第二设定值σ₂的取值范围为5≤σ₂≤10。

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