CN104898071B - 基于状态观测的模块化多电平逆变器故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扩张状态观测的模块化多电平逆变器故障诊断方法，其分为故障检测和故障位置确定两个阶段。在故障检测阶段，输出匹配模块将经过放大、滤波、和补偿后的扩张状态变量观测值与假设正常工作情况下经滤波后的扩张状态变量计算值进行比较，根据比较结果判断模块化多电平逆变器是否发生故障；在故障位置确定阶段，输出匹配模块将假设故障位置下经滤波后的各扩张状态变量的计算值分别与观测器模块输出经放大、滤波和补偿后的扩张状态变量观测值进行比较，根据比较结果确定模块化多电平逆变器的故障位置。本发明致力于利用扩张状态观测器和修正开关状态变量判断模块化多电平逆变器发生是否故障和快速准确地确定故障位置。

Description

基于状态观测的模块化多电平逆变器故障诊断方法

技术领域

本发明属于模块化多电平逆变器故障诊断领域，具体涉及一种基于状态观测的模块化多电平逆变器故障诊断方法。

背景技术

模块化多电平逆变器(Modular Multilevel Converter，简称模块化多电平逆变器)是近年来兴起的一种多电平变换器。模块化多电平逆变器的结构是由R.Marquardt教授在2001年率先提出，相比于传统的多电平逆变器结构，模块化多电平逆变器的突出优点包括：1)高度模块化，使得这种逆变器可以通过级联模块去实现任何电压等级的应用；2)谐波特性好，由于相同模块的级联，电平数量多，交流输出侧可以不使用滤波器；3)冗余与容错能力强，每个模块的内部结构相同，当大量的模块级联时，每个模块之间可以相互替代，互为冗余。因此它在中压和高压领域有着非常好的应用前景，特别是在高压直流输电和中高压电机驱动领域。作为下一代中高压领域主流的多电平逆变器，其运行的可靠性和安全性是其能否得到大规模推广应用的关键性因素。当模块化多电平逆变器出现故障后，如果不能及时发现故障和准确地确定故障位置，那么级联的部分电容可能会出现过分充电或者放电的现象而导致电容损坏，甚至会导致整个模块化多电平逆变器无法工作。然而，由于模块化多电平逆变器采用大量相同模块级联，所以当其发生故障时，准确地确定故障位置是一个非常具有挑战性的课题。

目前已出现针对模块化多电平逆变器故障诊断的方法主要有：

1.基于滑膜观测器法。主要是利用滑膜观测器得到桥臂电流和电容电压的观测值，再与各自的实测值进行比较；当观测值与实测值之间的差值超过设定阈值时，则说明此时模块化多电平逆变器出现故障。然后将假设不同故障位置后的修正开关模型带入到滑膜观测器中得到桥臂电流和电容电压的观测值，当此时的观测值与实测值之间的差值在设定阈值范围内时，表明假设的故障位置为实际发生故障位置。

2.卡尔曼滤波器法。主要是利用卡尔曼滤波器得到循环电流的观测值，再与其实测值进行比较；当观测值与实测值之间的差值超过设定阈值时，则说明此时模块化多电平逆变器出现故障。然后通过比较各个模块的电容电压，当某个模块的电容电压明显高于其他模块的电容电压时，表明此模块为发生故障位置。

然而，以上几种故障诊断方法虽然都能够模块化多电平逆变器故障诊断的功能，但是都有着它们各自的缺陷。例如，滑膜观测器法中，需要观测和比较多个物理量，从而增加了算法的复杂性；而在卡尔曼滤波器法中，虽然需要观测和比较的物理量只有一个，相比较于滑膜观测器法，算法简单，但是由于其仅通过比较各个模块的电容电压实测值确定故障位置，导致了只能确定故障模块，而不能具体确定故障开关器件。以上几种方法的缺陷影响了它们在故障诊断中使用效果。

发明内容

本发明的目的是针对一些模块化多电平逆变器故障诊断方法中存在的问题，提出一种适用于模块化多电平逆变器的故障诊断方法。

本发明采用的技术方案为：一种模块化多电平逆变器故障诊断方法，包括观测器模块、计算模块、输出匹配模块和故障位置确定模块。所述观测器模块中包括扩张状态观测器和低通滤波器；所述计算模块中包括扩张状态变量计算子模块和低通滤波器。

为了便于说明此故障诊断方法的工作原理，在此，以模块化多电平逆变器单相上、下桥臂均级联n个子模块，且在故障假设中，均假设每个子模块中的上开关器件出现故障为例，结合扩张状态观测器工作原理进行说明观测器模块的工作过程。其余各相各桥臂，以及模块化多电平逆变器子模块中下开关器件的故障诊断方法与此相上桥臂相同。

先将实测的桥臂电流i_P和直流侧电压E输入到扩张状态观测器中,得到桥臂电流的跟踪值和扩张状态变量观测值

在模块化多电平逆变器工作时，根据基尔霍夫电压定律(KVL)可列方程式如下：

将(1)式进行变形可以得到如下等式：

其中，i_P表示实测桥臂电流，l表示桥臂电感,ν_ci(i＝1,…,n)表示各电容电压,S_i(i＝1,…,n)表示每个子模块的开关状态变量，v_o表示交流侧输出电压，E表示直流侧电压。

针对式(2)作如下定义式：

则式(3)描述的系统可以扩张成新的系统如下：

在扩张状态观测器中，状态x₁和x₂的观测方程如下：

其中，fal(e₁,α,δ)的表达式如下：

其中，u和y是观测器的输入信号；和是观测器的输出信号，分别是x₁和扩张状态x₂的观测值；b是观测器增益。

所述的扩张状态观测器输出的扩张状态变量观测值经过放大-1/b倍和v_o补偿后得到x₂₁，再输入到低通滤波器中，经滤波后输出作为输出匹配模块的一路输入信号。

所述的输出匹配模块的其他路输入信号来自于计算模块的输出信号。所述的计算模块中包含有计算子模块和与之相对应的低通滤波器。

在故障检测阶段，计算子模块的输入为各电容电压和正常开关状态变量，计算子模块的运算公式如下：

其中，x₂₂表示根据正常开关状态变量和电容电压得到的扩张状态变量的计算值，S_i(i＝1,…,n)表示正常状况下开关状态变量，其值是通过正常工作时根据模块化多电平逆变器子模块的输出电压与子模块中的电容电压之间的关系得到，v_cj(j＝1,…,n)表示各个子模块的电容电压；

所述的扩张状态变量的计算值x₂₂经过低通滤波器输出再输入到输出匹配模块与进行比较，如果两者的差值超过设定的阈值，则表示出现故障；否则，则没有出现故障；

当检测出故障后，每个计算子模块的输入信号为各电容电压、假设故障位置后的修正开关状态变量和正常开关状态变量。每个计算子模块中的运算公式如下：

其中，x_22if(i＝1,…,n)表示根据修正开关状态变量和电容电压得到的扩张状态变量的计算值，S_Fi(i＝1,…,n)表示假设故障位置后的修正开关状态变量，其值是通过假设出现故障位置后，根据模块化多电平逆变器故障子模块的输出电压与故障子模块中的电容电压之间的关系得到，S_j(j＝1,…,n且j≠i)表示正常的开关状态变量，v_cj(j＝1,…,n)表示各个子模块的电容电压；

所述的各计算子模块的输出x_22if(i＝1,…,n)经低通滤波器滤波后，输入到输出匹配模块。

所述的输出匹配模块将此时各扩张状态变量计算值的滤波信号分别与观测器模块输出的扩张状态变量观测值经放大、补偿和滤波后的信号进行比较，当某个假设故障位置的扩张状态变量计算值的滤波信号与观测器模块输出的扩张状态变量观测值经放大、补偿和滤波后的信号吻合时，则表示相对应的计算子模块的故障位置假设正确，输出此假设故障位置为实际故障位置。

作为优选，所述的低通滤波器可以采用具有滤波效果的跟踪微分器。

作为优选，所述的电容电压平衡策略可以采用电容电压排序法。

有益效果：本发明提出了基于状态观测的模块化多电平逆变器故障诊断方法，其优点在于：利用强鲁棒性的扩张状态观测器和基于开关模型的计算模块实现了模块化多电平逆变器快速故障诊断的功能；不仅能够快速判断模块化多电平逆变器是否发生故障，而且能够准确确定故障开关管的具体位置。

附图说明

图1为本发明故障诊断方法的流程图；

图2为本发明的故障定位系统结构示意图；

图3为本发明所针对的模块化多电平逆变器单相结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

为了便于说明此故障诊断方法的工作原理，在此，以模块化多电平逆变器单相上、下桥臂均级联n个子模块，且在故障假设中，均假设每个子模块中的上开关器件出现故障为例，结合扩张状态观测器工作原理进行说明观测器模块的工作过程。其余各相各桥臂，以及模块化多电平逆变器子模块中下开关器件的故障诊断方法与此相上桥臂相同。

先将实测的桥臂电流i_P和直流侧电压E输入到扩张状态观测器中,得到桥臂电流的跟踪值和扩张状态变量观测值

在模块化多电平逆变器工作时，根据基尔霍夫电压定律(KVL)可列方程式如下：

将(1)式进行变形可以得到如下等式：

其中，i_P表示实测桥臂电流，l表示桥臂电感,ν_ci(i＝1,…,n)表示各电容电压,S_i(i＝1,…,n)表示每个子模块的开关状态变量，v_o表示交流侧输出电压，E表示直流侧电压。

针对式(2)作如下定义式：

则式(3)描述的系统可以扩张成新的系统如下：

在扩张状态观测器中，状态x₁和x₂的观测方程如下：

其中，fal(e₁,α,δ)的表达式如下：

其中，u和y是观测器的输入信号；和是观测器的输出信号，分别是x₁和扩张状态x₂的观测值；b是观测器增益。

所述的扩张状态观测器输出的扩张状态变量观测值经过放大-1/b倍和v_o补偿后得到x₂₁，再输入到低通滤波器中，经滤波后输出作为输出匹配模块的一路输入信号。

所述的输出匹配模块的其他路输入信号来自于计算模块的输出信号。所述的计算模块中包含有计算子模块和与之相对应的低通滤波器。

在故障检测阶段，计算子模块的输入为各电容电压和正常开关状态变量，计算子模块的运算公式如下：

其中，x₂₂表示根据正常开关状态变量和电容电压得到的扩张状态变量的计算值，S_i(i＝1,…,n)表示正常状况下开关状态变量，其值是通过正常工作时根据模块化多电平逆变器子模块的输出电压与子模块中的电容电压之间的关系得到，v_cj(j＝1,…,n)表示各个子模块的电容电压；

所述的扩张状态变量的计算值x₂₂经过低通滤波器输出再输入到输出匹配模块与进行比较，如果两者的差值超过设定的阈值，则表示出现故障；否则，则没有出现故障；

当检测出故障后，每个计算子模块的输入信号为各电容电压、假设故障位置后的修正开关状态变量和正常开关状态变量。每个计算子模块中的运算公式如下：

其中，x_22if(i＝1,…,n)表示根据修正开关状态变量和电容电压得到的扩张状态变量的计算值，S_Fi(i＝1,…,n)表示假设故障位置后的修正开关状态变量，其值是通过假设出现故障位置后，根据模块化多电平逆变器故障子模块的输出电压与故障子模块中的电容电压之间的关系得到，S_j(j＝1,…,n且j≠i)表示正常的开关状态变量，v_cj(j＝1,…,n)表示各个子模块的电容电压；

所述的各计算子模块的输出x_22if(i＝1,…,n)经低通滤波器滤波后，输入到输出匹配模块。

所述的输出匹配模块将此时各扩张状态变量计算值的滤波信号分别与观测器模块输出的扩张状态变量观测值经放大、补偿和滤波后的信号进行比较，当某个假设故障位置的扩张状态变量计算值的滤波信号与观测器模块输出的扩张状态变量观测值经放大、补偿和滤波后的信号吻合时，则表示相对应的计算子模块的故障位置假设正确，输出此假设故障位置为实际故障位置。

作为优选，所述的低通滤波器可以采用具有滤波效果的跟踪微分器。

作为优选，所述的电容电压平衡策略可以采用电容电压排序法。

如图1所示为基于这种故障诊断方法的整个使用流程。此流程主要分为两个阶段：故障检测阶段1和故障位置确定阶段2。在故障检测阶段1，当观测器模块输出的扩张状态变量观测值经放大、补偿和滤波后的信号与计算模块根据正常情况下的开关状态变量和电容电压得到的扩张状态变量计算值的滤波信号之间的差值超过设定的阈值，而且持续的时间超过了设定的阈值时间，则表明模块化多电平逆变器出现了故障情况；否则，则没有出现故障，此时继续循环故障检测阶段1中的过程；当在故障检测阶段1中判断出现故障，则程序进入故障定位阶段2。当已经表明模块化多电平逆变器出现故障后，计算模块根据假设不同故障位置的修正开关状态变量、电容电压和正常开关状态变量得到的滤波后的扩张状态变量计算值与观测器模块输出的经放大、补偿和滤波后的扩张状态量观测值之间的差值没有超过设定的阈值，且持续的时间超过了设定的阈值时间，则表明此假设故障位置正确，此假设故障位置即为实际故障位置。否则，则持续观测比较，直到确定故障位置或者故障消除。

如图2所示，一种模块化多电平逆变器故障诊断方法，包括观测器模块1、计算模块2、输出匹配模块3、和故障位置确定模块4，所述观测器模块1中包括扩张状态观测器5和低通滤波器6，所述计算模块2中包括计算子模块7和低通滤波器8。基于这种模块化多电平逆变器故障诊断方法，扩张状态观测器5接受桥臂电流传感器的信息和直流侧电源电压信息，输出电流跟踪值和扩张状态变量观测值，扩张状态变量观测值经放大和交流侧输出电压补偿后经过低通滤波器6接到输出匹配模块3；在故障检测阶段，计算子模块7根据输入的各电容电压和正常开关状态变量计算得到扩张状态变量的计算值，经滤波后输入到输出匹配模块3中，在输出匹配模块3中，将此时计算模块2输出的信号与观测器1输出的信号进行比较，根据比较结果确定是否发生故障。当两者的信号吻合时，则表示没有发生故障；否则，则表示发生故障。在故障定位阶段时，计算模块2中的各计算子模块7根据假设不同故障位置后的修正开关状态变量、各电容电压和正常开关状态变量计算得到扩张状态变量的计算值，各个计算子模块7的输出均通过相对应的低通滤波器8连接到输出匹配模块3；输出匹配模块3将此时由计算模块2输出的各扩张状态变量计算值的滤波信号分别与观测器模块1输出的扩张状态变量观测值经放大、补偿和滤波后的信号进行比较，当在计算模块2的各路输出信号中寻找出一路与观测器模块1输出的信号相匹配时，则表示计算模块2的此路输出相对应的计算子模块7的故障位置假设正确，将此假设故障位置作为实际故障位置输出给故障位置确定模块4。

本发明中的模块化多电平逆变器单相模块结构如图3所示，(a)图为单相模块化多电平逆变器接阻感负载示意图，由多个子模块级联而成；(b)图为级联的子模块结构图，由一个电容和两个带反并联二极管的开关器件组成。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.基于状态观测的模块化多电平逆变器故障诊断方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)构建故障诊断装置，所述装置包括观测器模块(1)、计算模块(2)、输出匹配模块(3)和故障位置确定模块(4)，所述观测器模块(1)中包括依次相连的扩张状态观测器(5)和第一低通滤波器(6)；所述计算模块(2)中包括若干个计算子模块(7)和与之一一对应的第二低通滤波器(8)，所述第一低通滤波器(6)的输出端连接输出匹配模块(3)的一个输入端，输出匹配模块(3)其他的输入端连接计算模块(2)的输出端；

2)将桥臂电流i_P和直流侧电压E输入给扩张状态观测器(5)，经过扩张状态观测器(5)得到桥臂电流的跟踪值和扩张状态变量观测值扩张状态变量观测值经放大-1/b倍和交流侧输出电压v_o补偿后，通过低通滤波器(6)输出接入到输出匹配模块(3)的输入端；

所述扩张状态观测器(5)经过下面公式(3)、(5)输出桥臂电流的跟踪值和扩张状态变量观测值

其中，i_P表示实测桥臂电流，l表示桥臂电感，v_ci表示第i个子模块的电容电压，S_i表示每个正常子模块的开关状态量，v_ci、S_i下标i＝1，…，n，v_o表示交流侧输出电压，E表示直流侧电压；

其中，u和y是观测器的输入信号；和是观测器的输出信号，分别是扩张状态变量x₁和x₂的观测值；b是观测器增益；

3)计算模块(2)中的计算子模块(7)的输入为各电容电压和正常开关状态变量，计算子模块的运算公式如下：

其中，x₂₂表示根据正常开关状态变量得到的扩张状态变量的计算值，S_i表示每个正常子模块的开关状态变量，其中下标i＝1，...，n，v_ci表示第i个子模块的电容电压；

所述的根据正常开关状态变量得到的扩张状态变量的计算值x₂₂经过低通滤波器输出再输入到输出匹配模块与进行比较，如果两者的差值超过设定的阈值，则表示出现故障，否则表明没有出现故障；

4)将第i个子模块的电容电压v_ci、针对假设不同故障位置下的修正开关状态变量S_Fi和正常开关状态变量S_j，下标j≠i，i，j＝1，…，n，输入到计算模块(2)中的各个计算子模块(7)，通过计算子模块(7)得到不同假设故障位置下的扩张状态变量的计算值x_22if，下标i＝1，…，n；扩张状态变量的计算值x_22if，经各自相对应的低通滤波器(8)接到输出匹配模块(3)的输入端；

所述计算子模块(7)在故障定位阶段经过下面公式(8)得到扩张状态变量的计算值x_22if；

其中，x_22if，其下标i＝1，…，n，表示根据假设不同故障位置后的扩张状态变量的计算值，S_Fi，i＝1，...，n，表示假设故障位置后的修正开关状态变量，S_j，j＝1，…，n且j≠i，表示正常的开关状态变量，v_cj，下标j＝1，…，n，表示第j个子模块的电容电压；

所述的输出匹配模块(3)将从计算模块(2)得到的信号分别与由观测器模块(1)得到的信号进行比较，当计算模块(2)中的某个计算子模块(7)的输出经滤波后的信号与由观测器模块(1)得到的信号吻合时，则表示此计算子模块(7)的假设故障位置正确，输出此假设故障位置为实际故障位置。

2.根据权利要求1所述的基于状态观测的模块化多电平逆变器故障诊断方法，其特征在于：所述的观测器模块(1)利用扩张状态观测器(5)实时准确跟踪桥臂电流，并输出扩张状态变量的观测值；并将此观测值经放大和交流侧输出电压补偿滤波后作为输出匹配模块(3)的一路输入。

3.根据权利要求1所述的基于状态观测的模块化多电平逆变器故障诊断方法，其特征在于：在故障检测阶段，计算子模块(7)的输入为第i个子模块的电容的电压信号v_ci和正常子模块的开关状态变量S_i；其中，正常的开关状态量变S_i，下标i＝1，...，n，是通过正常情况下，模块化多电平逆变器子模块的输出电压与子模块中的电容电压之间的关系得到；而在故障定位阶段，计算子模块(7)的输入为子模块电容的电压信号v_ci、假设不同故障位置后的修正开关状态量S_Fi，和正常开关状态变量S_j，其中，修正开关状态变量S_Fi是通过假设出现故障位置后，模块化多电平逆变器中故障子模块的输出电压与故障子模块中的电容电压之间的关系得到。