CN109541377A - 一种诊断hbsm内部igbt开路故障的新方法 - Google Patents

Abstract

一种诊断HBSM内部IGBT开路故障的新方法，该方法需要获得MMC中半桥子模块HBSM的工作状态S_n、测量得到各子模块电容电压u_cn，并对u_cn进行微分得到各子模块电容电流i_cn，再对i_cn进行积分得到任一工作状态下子模块输出电压u_SMn，之后利用S_n、u_cn和u_SMn计算参数λ_n的值，若λ_n＝0或3，说明第n个HBSM处于正常工作状态；若λ_n＝2，说明第n个HBSM中T_1n发生开路；若λ_n＝1，说明第n个HBSM中T_2n发生开路。本发明需要的MMC中的参数只有各个HBSM的工作状态S_n及电容电压u_cn，采用的计算公式形式简单，计算结果清晰明了，λ_n仅有0、1、2和3这四种数值。因此，该种方法可以在使用尽量少的参数的前提下，实现快速、有效地定位发生故障的HBSM及IGBT，该方法可为MMC本体内部故障诊断及保护配置提供参考。

Description

一种诊断HBSM内部IGBT开路故障的新方法

技术领域

本发明属于MMC本体内部保护配置领域，具体涉及一种HBSM内部IGBT开路故障诊断的新方法。

背景技术

模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)是基于电压源换流器直流输电(voltage-sourced converter based HVDC，VSC-HVDC)的新型拓扑结构，与传统的两电平或三电平VSC拓扑结构相比，MMC具有可以降低器件开关频率，减小器件的电压变化率和电流变化率，进而降低器件的损耗和均压难度等优点，其已成为HVDC领域的发展趋势和研究热点。

子模块是MMC中的“功率单元，它主要承担了两电平换流器直流侧电容支撑直流电压的作用，并且还通过子模块中全控器件的开关决定了换流器交流侧输出电压的波形质量。子模块可以分为半桥子模块(Half Bridge Sub-module，HBSM)、全桥子模块(FullBridge Sub-module，FBSM)和双箝位子模块(Clamping Double Sub-module，CDSM)。其中基于半桥子模块HBSM的MMC在工程实际中最为常用，故本发明主要研究HBSM中IGBT开路的情况。

HBSM中IGBT开路会使MMC桥臂产生较大的换流，影响系统正常运行，因此快速诊断及定位HBSM中IGBT的开路故障是非常有必要的。目前，国内外研究HBSM中IGBT开路故障诊断方法的文献很少，李探等(李探，赵成勇，李路遥，等，MMC-HVDC子模块故障诊断与就地保护策略[J].中国电机工程学报，2014，34(10)：1641-1649.)利用故障诊断指标实现HBSM中IGBT开路故障的诊断，虽然计算时间较短，但是所需参数较多；于泳等(于泳，蒋生成,杨荣峰，等.变频器IGBT开路故障的诊断方法[J].中国电机工程学报,2010,30(6):1-6.)虽然提出了变频器中IGBT开路故障的诊断策略，但其仅针对两电平变频器，不能直接应用于HBSM；Shao S等(Shao S，Wheeler P，Clare J，et al.Fault detection for multilevelconverters based on sliding mode observe[J].IEEE Trans.On Power Electronics,2013.)对MMC提出一种基于滑模观测器的HBSM中IGBT开路故障的诊断策略，该策略虽然对器件参数的不确定性和测量误差与延时均具有较好的免疫能力，但是故障诊断的过程耗时较长；

因此，有必要寻找更加快速、精确、使用参数更少的方法来对HBSM中IGBT开路故障进行诊断，研究成果可为MMC本体内部保护配置提供参考。

发明内容

为解决现有的诊断HBSM中IGBT开路故障的方法所存在的问题，本发明提出一种HBSM中IGBT开路故障诊断的新方法，该方法能够快速、精确诊断发生开路故障的HBSM及IGBT，该方法需要获得HBSM的工作状态S_n、测量得到各子模块电容电压u_cn，并对u_cn进行微分得到各子模块电容电流i_cn，再对i_cn进行积分得到任一工作状态下子模块输出电压u_SMn，之后利用S_n、u_cn和u_SMn计算参数λ_n的值，最后根据λ_n的值判断第n个HBSM是否发生IGBT开路故障。该方法的分析过程如下：

(1)定义HBSM的工作状态

现用S_n表示第n个HBSM的工作状态，并做如下规定：

其中，n＝1,2…2N，N为上、下桥臂的级联HBSM的总数。

(2)计算第n个HBSM的电容电流的计算公式为：

其中，i_cn为第n个HBSM的电容电流，u_cn为第n个HBSM的电容电压，C_n为第n个HBSM的电容值。

(3)计算第n个HBSM的输出电压u_SMn：

其中，T₁为第n个HBSM处于S_n＝1状态时所经历的时间；T₂为第n个HBSM处于S_n＝0状态时所经历的时间。正常工作时有，当S_n＝1时，表示第n个HBSM处于投入状态，桥臂电流i_arm>0时，i_arm给子模块电容充电，此时i_arm＝i_cn，u_SMn＝u_c；i_arm<0时，i_arm使子模块电容放电，此时有i_arm＝i_cn，u_SMn＝u_c。当S_n＝0时，表示第n个HBSM处于切除状态，输出电压为0，电容电流i_cn＝0，u_SMn＝0。

(4)对T_1n开路情况进行故障特性分析：

T_1n开路以后，有两种情况，一种情况是S_n＝0，此时与正常工作情况相同；另一种情况是S_n＝1：①若i_arm>0，此时仍与正常工作情况相同，桥臂电流i_arm流经T_1n的反并联二极管D_1n，子模块电容被充电，有i_cn＝i_arm，u_SMn＝u_c；②若i_arm<0，因为T_1n处于开路状态，桥臂电流i_arm将沿T_2n的反并联二极管D_2n流通，子模块的电容无电流流通路径，此时电流为零，即i_cn＝＝0，u_SMn＝0，不再是正常时的u_c。

(5)对T_2n开路情况进行故障特性分析：

T_2n开路以后，同样有两种情况，一种情况是S_n＝1时，此时与正常工作情况相同；另一种情况是S_n＝0时：①若i_arm<0，与正常工作情况相同，桥臂电流流经T_2n的反并联二极管D₂，i_cn＝i_arm＝0，u_SMn＝0；②若i_arm>0，因为T_2n处于开路状态，桥臂电流将沿T_1n的反并联二极管D_1n给电容充电，i_cn＝i_arm，子模块输出电压u_SMn变为u_c，不再是正常时的0。

根据上述分析，本发明提出了一种基于“异或”逻辑函数的诊断HBSM-MMC中IGBT开路故障的新方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：监测第n个HBSM的状态S_n；

步骤2：监测第n个HBSM的电容电压u_cn，计算其电容电流i_cn；

步骤3：利用i_cn计算得到任一工作状态下第n个HBSM的输出电压u_SMn；

步骤4：计算得到第n个HBSM的参数λ_n，若λ_n＝0或3，说明第n个HBSM处于正常工作状态；若λ_n＝2，说明第n个HBSM中T_1n发生开路；若λ_n＝1，说明第n个HBSM中T_2n发生开路。

附图说明

图1为系统仿真图；

图2为本发明实施方式中一种诊断HBSM中IGBT开路故障的新方法的流程示意图；

图3为第5个HBSM中T₁₅发生开路后其参数λ₅的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

用于HBSM中IGBT开路故障诊断方法的仿真模型如图1所示，图2为利用该方法进行HBSM中IGBT开路故障诊断的流程图。本发明提出一种HBSM中IGBT开路故障诊断的新方法，该方法能够快速、精确诊断发生开路故障的HBSM及IGBT，其特征在于，该方案的具体过程为：

(1)监测第n个HBSM的状态S_n；

其中，n＝1,2…2N，N为上、下桥臂的级联HBSM数。

(2)监测第n个HBSM的电容电压u_cn，计算其电容电流i_cn；

第n个HBSM的电容电流表达式为：

其中，i_cn为第n个HBSM的电容电流，u_cn为第n个HBSM的电容电压，C_n为第n个HBSM的电容值。

(3)第n个HBSM的输出电压u_SMn的计算公式为：

其中，T₁为第n个HBSM处于S_n＝1状态时所经历的时间；T₂为第n个HBSM处于S_n＝0状态时所经历的时间。

(4)第n个HBSM中参数λ_n的计算公式为：

其中u_c为子模块电容电压的平均值。

若λ_n＝0或3，说明第n个HBSM处于正常工作状态；若λ_n＝2，说明第n个HBSM中T_1n发生开路；若λ_n＝1，说明第n个HBSM中T_2n发生开路。

下面进一步通过一具体实施例介绍本发明公开技术方案。

假设图1中A相上桥臂第5个HBSM中的T₁₅在t＝1s时刻发生开路故障，计算出第5个HBSM的参数λ₅。故障后λ₅＝0，又由图3中可以看出，故障时刻S₅＝1，由于计算需要一定时间，所以k₅在故障后2ms由3跳变成2，将完成故障诊断(注：为了更清晰的看到k₅的变化，本发明中将跳变后的k₅恒久置2)。

由仿真结果可知，本发明提出的一种诊断HBSM中IGBT开路故障的新方法可以实现快速、精确、且在使用很少参数的情况下来定位故障HBSM及IGBT。因此，该方案满足系统对MMC内部保护配置快速性、可靠性、实用性的要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方案，但本发明的适用范围不仅局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的适用范围之内。因此，本发明的适用范围应该以权利要求的适用范围为准。

Claims (6)

1.一种诊断HBSM内部IGBT开路故障的新方法，其特征在于：本发明需要的MMC中的参数只有各个HBSM的工作状态及电容电压，采用的计算公式形式简单，计算结果清晰明了，仅有0、1、2和3这四种数值，因此，该种方法可以在使用尽量少的参数的前提下，实现快速、有效地定位发生故障的HBSM及IGBT。

2.一种诊断HBSM内部IGBT开路故障的新方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)监测第n个HBSM的状态S_n；

(2)监测第n个HBSM的电容电压u_cn，计算其电容电流i_cn；

(3)利用i_cn计算得到任一工作状态下第n个HBSM的输出电压u_SMn；

(4)计算得到第n个HBSM的参数λ_n；

(5)若λ_n＝0或3，说明第n个HBSM处于正常工作状态；若λ_n＝2，说明第n个HBSM中T_1n发生开路；若λ_n＝1，说明第n个HBSM中T_2n发生开路。

3.根据权利要求2中所述的一种诊断HBSM内部IGBT开路故障的新方法，其特征在于：

步骤(1)中第n个HBSM的状态S_n的定义如下：

其中，n＝1,2…2N，N为上、下桥臂的级联HBSM总数之和。

4.根据权利要求2中所述的一种诊断HBSM内部IGBT开路故障的新方法，其特征在于：

步骤(2)中第n个HBSM的电容电流的计算公式为：

其中，i_cn为第n个HBSM的电容电流，u_cn为第n个HBSM的电容电压，C_n为第n个HBSM的电容值。

5.根据权利要求2中所述的一种诊断HBSM内部IGBT开路故障的新方法，其特征在于：

步骤(3)中第n个HBSM的输出电压u_SMn的计算公式为：

或

其中，T₁为第n个HBSM处于S_n＝1状态时所经历的时间；T₂为第n个HBSM处于S_n＝0状态时所经历的时间。

6.根据权利要求2中所述的一种诊断HBSM内部IGBT开路故障的新方法，其特征在于：

步骤(4)中第n个HBSM的参数λ_n的计算公式为：

其中u_c为子模块电容电压的平均值；

若λ_n＝0或3，说明第n个HBSM处于正常工作状态；若λ_n＝2，说明第n个HBSM中T_1n发生开路；若λ_n＝1，说明第n个HBSM中T_2n发生开路。