CN107589335A

CN107589335A - 一种mmc子模块功率管开路故障的诊断方法

Info

Publication number: CN107589335A
Application number: CN201710860845.1A
Authority: CN
Inventors: 蔡婷婷; 肖岚; 王楚扬; 蒋慧杰
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2018-01-16

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平变换器子模块功率管开路故障的诊断方法，该故障诊断方法分为故障的检测和故障的定位两个部分，故障检测采用luenberger观测器观测桥臂电流，当实际值与观测值的差值超过阈值i_th并且持续Δt₁可以确定具体的故障桥臂。在检测到故障后屏蔽基于排序法的电容电压平衡算法进行故障定位，比较故障子模块所在桥臂的所有子模块的电容电压的检测值与基准值，若某个子模块的差值超过阈值U_th并且持续一段时间Δt₂，定位出该故障子模块。该方法算法简单，在故障定位时不会因为平衡算法的缘故发生误判断，具有快速性和鲁棒性。

Description

一种MMC子模块功率管开路故障的诊断方法

技术领域

本发明的一种模块化多电平变换器(Module Multilevel Converter,MMC)功率管开路故障的诊断方法，涉及电力电子技术、柔性直流输电故障诊断领域。

背景技术

近年来，MMC因为其模块化程度高、开关损耗小、冗余设计方便等优点，受到越来越多的关注。因为MMC由大量子模块构成，由于子模块采用串联结构，一个子模块故障势必会影响到其它的子模块。当子模块的开关管故障开路时，会造成子模块电容电压过压、桥臂电流冲击等危害。因此，需要首先检测出故障后准确定位出故障子模块将其旁路。

现有的故障检测技术有基于滑膜观测器的故障检测方法，这种方法能准确检测故障，但是需要每个子模块的开关状态，占用较多的DSP资源。还有基于神经网络的故障检测方法，但是需要大量的训练数据。在故障定位方面，在MMC系统中，需要使用均压算法均衡子模块悬浮的电容电压，移相载波交截输出的开关信号并不与开关管的驱动控制信号直接对应，而是通过基于排序法的电容电压平衡算法(the capacitor voltage balancealgorithm based on the sorting method,CVBS)分配各子模块相应的开关驱动。所以平衡控制策略是给出子模块开关驱动，决定系统工作状态最关键的一步，直接决定了系统发生子模块故障时的工作特性，并深刻影响着故障诊断与容错机制的可靠性。然而，已有的研究成果大多将这三者割裂开来，并没有考虑子模块故障下平衡控制策略对系统工作特性的影响。如果在系统故障时仍然使用基于正常工作状态下设计的平衡控制策略，不仅会导致系统工作特性的进一步恶化，也会使得相应的子模块故障诊断与容错机制失效。

发明内容

发明目的：针对MMC子模块功率管的开路故障，研制一种故障诊断方法，包括快速检测出子模块功率管的开路故障及准确定位出故障子模块。本发明适用于基于半桥子模块的MMC电路，兼具快速性和鲁棒性。

技术方案：

一种模块化多电平变换器的子模块功率管的开路故障诊断方法，模块化多电平变换器每一相有上下两个桥臂，每个桥臂包括桥臂电感和若干子模块，各子模块之间以及子模块与桥臂电感之间串联连接，所述子模块采用半桥拓扑，包括上下两个功率管S₁、S₂和电容器，所述功率管S₁的发射极作为子模块的输入端，功率管S₂的发射极作为子模块的输出端，所述电容器与两个功率管并联连接，所述模块化多电平变换器的子模块功率管的开路故障诊断方法包括如下三个步骤，

第一步，故障检测，采用基于luenberger观测器观测桥臂电流检测子模块功率管开路故障是否发生；

第二步，故障定位，采用屏蔽基于排序法的电容电压平衡算法后比较电容电压的检测值与阈值进行故障子模块的定位；

第三步，重新加入电容电压平衡算法，排序跳过故障子模块。

进一步地，第一步的具体步骤为：

(1)检测直流侧电压、上下桥臂电压、上下桥臂电流、交流输出电压等参数，根据检测到的电路参数，对上下桥臂分别列写KVL方程，具体为：

式中，L是桥臂电感，R是桥臂等效电阻，U_dc是直流侧电压，i_p、i_n分别是上下桥臂电流，u_p、u_n分别是上下桥臂电压，u_o是交流输出电压；

(2)将上式写成状态方程的形式

其中,为x的导数，

(3)将第(2)步的表达式写成luenberger观测器的形式

其中，是桥臂电流的观测值，为桥臂电流观测值的导数,K是观测器的增益矩阵，k₁为增益变量,

(4)通过第(3)步计算出桥臂电流的观测值后，比较桥臂电流的实际值与观测值，当它们之间的差值超过阈值i_th并且持续Δt₁时间，判断发生故障，并且根据是上桥臂还是下桥臂电流的实际值与观测值出现偏差，可以判断出故障子模块所在的桥臂。

进一步地，第二步的具体步骤为：

(1)在检测出故障后屏蔽故障子模块所在桥臂的CVBS，子模块的驱动直接由载波移相PWM控制输出决定；

(2)比较故障子模块所在桥臂的所有子模块的电容电压的检测值与基准值，若某个子模块的差值超过阈值U_th并且持续一段时间Δt₂，定位出该故障子模块。

进一步地，第三步地具体步骤为：

(1)令故障子模块的电容电压为0，在执行CVBS时，电容电压从高到低排列，故障子模块的电容电压项一直排在最后一项；

(2)令其对应的子模块上下管驱动信号为0，旁路故障子模块，使其它子模块工作不受影响。

进一步地，第一步(4)中的Δt₁取值为1～5ms。

进一步地，第二步(2)中的Δt₂取值为1～5ms。

有益效果：

1)采用基于luenberger观测器直接观测桥臂电流检测子模块功率管开路故障是否发生，算法简单，速度较快。

2)因为CVBS会导致故障子模块所在桥臂的正常子模块电容电压同步上升，采用屏蔽CVBS进行故障定位防止误判断。

附图说明

图1是模块化多电平变换器的电路图，其中，SM是子模块；

图2是模块化多电平变换器的子模块的结构图；

图3是子模块的开路情况示意图；

图4是模块化多电平变换器的一相等效电路图；

图5是故障诊断流程图；

图6是故障检测流程图；

图7是故障后CVBS对子模块电容电压的影响示意图；

图8是故障定位流程图；

图9(a)是i_p的实际值与估计值，图9(b)是故障子模块所在桥臂子模块电容电压。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

由图1可知，本发明的模块化多电平变换器主电路由三相六个桥臂构成，每个桥臂由N个子模块和桥臂滤波电感组成。由图2可知，子模块采用半桥拓扑，由上下两个功率管S₁、S₂和电容器C构成，子模块的开路故障有两种情况，S₁开路和S₂开路，如图3所示，具体的故障检测方法如下：

(1)检测直流侧电压、桥臂电压电流、交流输出电压等参数，对每一相单独进行分析，单相电路图如图4所示，进行根据检测到的电路参数，对上下桥臂分别列写KVL方程，为

式中，L是桥臂电感，R是桥臂等效电阻，R_o是负载，U_dc是直流侧电压，i_p、i_n分别是上下桥臂电流，u_p、u_n分别是上下桥臂电压，u_o是交流输出电压；

(2)将上式写成状态方程的形式

其中，为x的导数，

(3)将(2)的表达式写成luenberger观测器的形式

其中，是桥臂电流的观测值，为桥臂电流观测值的导数，K是观测器的增益矩阵，其中k₁为增益变量

(4)状态估计误差为

其中，为状态估计误差，为状态估计误差的导数，

为了满足稳定性，(A-KC)的特征值需要位于S域的左半平面，k₁需要满足

图5是故障诊断流程图，包括故障检测与定位两个步骤。故障检测如图6所示，比较上桥臂电流的实际值i_p与观测值下桥臂电流的实际值i_n与观测值当上桥臂电流的实际值i_p与观测值的差值或下桥臂电流的实际值i_n与观测值的差值超过阈值i_th并且持续时间超过Δt₁时，判断发生故障，并且根据是上桥臂还是下桥臂电流的实际值与观测值出现偏差，可以判断出故障子模块所在的桥臂，Δt₁是为了防止干扰造成的误判断，取值为1～5ms。

图7是故障后含有CVBS的电容电压波形图，U_f故障子模块的电容电压，U_h是故障桥臂正常的子模块电容电压，可以看出，CVBS导致故障桥臂正常的子模块电容电压随着故障子模块的电容电压同步上升。如果直接进行故障定位可能导致误判断，所以在检测出故障后屏蔽故障子模块所在桥臂的电容电压平衡算法，子模块的驱动不进行分配，而是直接由载波移相PWM输出决定。比较故障子模块所在桥臂的所有子模块的电容电压的检测值与基准值，当检测到子模块这两个数值之间的差值超过阈值U_th并且持续一段时间Δt₂，定位出该故障子模块，如图8所示，比较故障子模块所在桥臂的所有子模块的电容电压的检测值U_ci与基准值U_c，若某个子模块的差值超过阈值U_th并且计时t持续一段时间Δt₂，定位出该故障子模块SM_i，Δt₂是为了防止干扰造成的误判断，取值为1～5ms。

图9是本发明的额定负载下的一个子模块功率管开路的故障波形图。在0.3s时上桥臂有一个子模块的功率管发生开路故障，在0.315s时检测到故障，屏蔽了CVBS后故障子模块的电容电压快速上升，在0.3475s时定位到故障。

重新加入电容电压平衡算法，排序需跳过故障子模块。具体操作是令故障子模块的电容电压为0，在执行CVBS时，电容电压从高到低排列，故障子模块的电容电压项一直排在最后一项。令其对应的子模块上下管驱动信号为0，旁路故障子模块，使其它子模块工作不受影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。

Claims

1.一种模块化多电平变换器的子模块功率管的开路故障诊断方法，其特征在于，模块化多电平变换器每一相有上下两个桥臂，每个桥臂包括桥臂电感和若干子模块，各子模块之间以及子模块与桥臂电感之间串联连接，所述子模块采用半桥拓扑，包括上下两个功率管S₁、S₂和电容器，所述功率管S₁的发射极作为子模块的输入端，功率管S₂的发射极作为子模块的输出端，所述电容器与两个功率管并联连接，所述模块化多电平变换器的子模块功率管的开路故障诊断方法包括如下三个步骤，

2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平变换器的开路故障诊断方法，其特征在于，第一步的具体步骤为：

(1)检测直流侧电压、上下桥臂电压、上下桥臂电流、交流输出电压等参数，根据检测到的电路参数，对上下桥臂分别列写KVL方程，具体为

(2)将上式写成状态方程的形式

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mover> <mi>x</mi> <mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mi>A</mi> <mi>x</mi> <mo>+</mo> <mi>B</mi> <mi>u</mi> <mo>+</mo> <mi>D</mi> <mi>v</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <mi>C</mi> <mi>x</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中,为x的导数，

(3)将第(2)步的表达式写成luenberger观测器的形式

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mover> <mover> <mi>x</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mi>A</mi> <mover> <mi>x</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>+</mo> <mi>B</mi> <mi>u</mi> <mo>+</mo> <mi>D</mi> <mi>v</mi> <mo>+</mo> <mi>K</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <mover> <mi>y</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mover> <mi>y</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <mi>C</mi> <mover> <mi>x</mi> <mo>^</mo> </mover> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中，是桥臂电流的观测值，为桥臂电流观测值的导数，K是观测器的增益矩阵，k₁为增益变量,

3.根据权利要求1的一种模块化多电平变换器的子模块功率管开路故障定位方法，其特征在于，第二步的具体步骤为：

4.根据权利要求1的一种模块化多电平变换器的子模块功率管开路故障定位方法，其特征在于，第三步地具体步骤为：

5.根据权利要求2的一种模块化多电平变换器的子模块功率管开路故障定位方法，其特征在于，第一步(4)中的Δt₁取值为1～5ms。

6.根据权利要求3的一种模块化多电平变换器的子模块功率管开路故障定位方法，其特征在于，第二步(2)中的Δt₂取值为1～5ms。