CN110320420A - 一种模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法。本发明对每一相上的桥臂电压进行采样；对采样得到桥臂电压进行低通滤波，滤除其中的高频成分；将低通滤波后的每一相上的桥臂电压用一个中心频率为的带通滤波器滤波，滤除中心频率附近的边带谐波；使用DFT算法来提取带通滤波后的的桥臂电压，提取出开关频率成分的幅值和相位角；通过将电压阀值和各相桥臂开关频率电压比较以进行故障检测；经DFT算法提取到的桥臂电压在开关频率成分的相位角，由该相位角即可确定故障子模块的位置。本发明能够快速地检测到故障，且计算复杂度低。

Description

一种模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法

技术领域

本发明涉及电力系统以及高压直流输电领域，具体为一种模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法。

背景技术

模块化多电平换流器(MMC)最先由德国学者R.Marquardt于2001年提出。作为一种新型电压源换流器拓扑结构，由于其具有模块化结构设计、易于扩展、输出波形质量高、运行损耗小、具有公共直流母线等优点,在中高压直流输电、新能源并网、高压电力驱动等场合得到了越来越广泛的应用。三相MMC拓扑机构如图-1所示，MMC由三相6个桥臂组成，上下桥臂合成一个相单元，每个桥臂含有一个桥臂电抗和相同数目的串联子模块。图中，u_a，u_b，u_c分别为换流器三相交流电压。i_pz和i_nz分别为上下桥臂电流，u_zp为上桥臂电压，u_zn为下桥臂电压，z＝a,b,c。

MMC型换流器由大量子模块(Sub-Modules,SMs)级联而成，每个子模块又包含有2个功率开关器件，每个功率开关器件都是潜在的故障点。子模块故障是MMC常见的故障类型之一，子模块故障会导致桥臂输出电压与期望出现偏差、相间环流增大、交直流侧谐波增大，继而影响整个系统的安全可靠运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法，通过对桥臂电压的高频开关频率成分进行分析，快速检测出故障并定位到故障子模块，迅速旁路故障子模块，投入冗余模块，使系统进入容错运行状态，从而保证系统安全稳定运行。

一种模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对每一相上的桥臂电压进行采样；

步骤2：对采样得到桥臂电压进行低通滤波，滤除其中的高频成分；

步骤3：将低通滤波后的每一相上的桥臂电压用一个中心频率为的带通滤波器滤波，滤除中心频率附近的边带谐波；

步骤4：使用DFT算法来提取带通滤波后的的桥臂电压，提取出开关频率、幅值和相位角；

步骤5：通过将电压阀值和各相桥臂开关频率电压比较以进行故障检测；

步骤6：经DFT算法提取到的桥臂电压在开关频率成分的相位角，由该相位角即可确定故障子模块的位置；

作为优选，步骤1中所述每一相单元上的桥臂电压由上桥臂电压即u_z,p以及下桥臂电压即u_z,n构成；其中，z∈{a,b,c}，p表示上桥臂，n表示下桥臂；每一个桥臂上含有N个子模块；

作为优选，步骤2中所述采用低通滤波器进行处理时，选择低通滤波器的截止频率为开关频率f_s；

作为优选，步骤3中所述使用带通滤波器滤波时，选择带通滤波器的中心频率为f_s；

作为优选，步骤4中所述使用DFT算法提取，具体如下：

式中，分别表示A相上桥臂开关频率电压、A相下桥臂开关频率电压、B相上桥臂开关频率电压、B相下桥臂开关频率电压、C相上桥臂开关频率电压、C相下桥臂开关频率电压，f_m为采样频率，为桥臂电压V_arm在开关频率处的幅值，φ_s，y y＝1,2,3,4,5,6，表示A相上桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、A相下桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、B相上桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、B相下桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、C相上桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、C相下桥臂开关频率电压在开关频率处的相位；

其中，DFT算法中参数设置为：谐波次数为基波频率为50Hz；

作为优选，步骤5中所述电压阀值为V_th，具体行故障检测方法为：

若则无故障发生，若则子模块发生了故障，并进行故障子模块定位；

为了准确区分正常瞬变状态和子模块故障状态，为故障检测设定一个阀值显得非常重要；

在稳态情况下，子模块二电平输出PWM电压的开关频率幅值系数为主要受调制比M的影响；

考虑到死区时间，以及系统纹波对开关频率成分的影响，因而阀值需加上一个小的直流偏置来克服其影响，最终的阀值是一个随调制比变化的变量，即为：

其中，为调制比变化前，子模块输出电压在开关频率幅值；为调制比变化后，子模块输出电压在开关频率幅值；k为系统克服纹波的影响而加的一个小的直流偏置；ΔM为调制比变化量；

步骤5中所述故障检测具体为：

桥臂电压等于各子模块实际输出电压之和，桥臂电压中的开关频率成分即合成开关频率成分，等于该桥臂中每一个子模块输出电压中的开关频率成分的叠加，如下式：

正常情况下，由于各子模块单元的对称性，开关频率成分对应的幅值应为零，如下式：

当子模块发生故障时，故障子模块输出电压u_sm将会增加，该故障子模块输出电压在开关频率对应的幅值也会增加，桥臂上其它正常子模块输出电压则不变，将大于正常状态时该子模块输出电压开关频率对应的幅值

总桥臂电压V_arm在开关频率对应的幅值大于零，而相位为

作为优选，步骤6中所述该相位角即可确定故障子模块的位置具体为：

子模块故障后，桥臂电压的合成开关频率成分幅值将大于零，经DFT算法提取到相位相位φ_s，根据载波移相调制方法的谐波分布特征，若则判定第i个子模块发生了故障。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法，故障检测速度快，仅需2.5ms就可检测到故障的发生；无需使用过多的传感器，整个检测装置仅需6个传感器，成本低廉，没有大量复杂的计算简单易实现。

附图说明

图1：是模块化多电平换流器拓扑结构图；

图2：是模块化多电平换流器子模块结构图；

图3：是使用本发明的故障检测与定位方法时的实施方案流程图；

图4：是正常状态时桥臂格子模块输出电压在开关频率的相量图；

图5：是故障状态时桥臂格子模块输出电压在开关频率的相量图；

图6：是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

三相MMC拓扑机构如图-1所示，MMC由三相6个桥臂组成，上下桥臂合成一个相单元，每个桥臂含有一个桥臂电抗和相同数目的串联子模块。图中，u_a，u_b，u_c分别为换流器三相交流电压。i_p,z和i_n,z分别为上下桥臂电流，u_z,p为上桥臂电压，u_z,n为下桥臂电压z＝a,b,c。I_dc为直流侧电流，L为桥臂电抗值。每个桥臂有N个子模块(sub-module)串联而成。

本发明具体实施方式的系统为：MMC系统如图1所示。

子模块结构如图2所示，每个子模块有2个绝缘栅双极晶体管(T1和T2)，一个反并联的二极管以及一个悬浮电容并联组成。图3为本发明所提出的一种模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法实施流程图。

以一个桥臂含有8个子模块的模块化多电平换流器为例，即N＝8；

下面结合图1至图6介绍本发明的具体实施方式，具体包括以下步骤：

步骤1：对每一相上的桥臂电压进行采样；

步骤1中所述每一相单元上的桥臂电压由上桥臂电压即u_z,p以及下桥臂电压即u_z,n构成；其中，z∈{a,b,c}，p表示上桥臂，n表示下桥臂；每一个桥臂上含有N个子模块；

步骤2：对采样得到桥臂电压进行低通滤波，滤除其中的高频成分；

步骤2中所述采用低通滤波器进行处理时，选择低通滤波器的截止频率为开关频率f_s；

步骤3：将低通滤波后的每一相上的桥臂电压用一个中心频率为f_s的带通滤波器滤波，滤除中心频率附近的边带谐波；

步骤3中所述使用带通滤波器滤波时，选择带通滤波器的中心频率为f_s；

步骤4：使用DFT算法来提取带通滤波后的的桥臂电压，提取出开关频率、幅值和相位角；

步骤4中所述使用DFT算法提取，具体如下：

式中，分别表示A相上桥臂开关频率电压、A相下桥臂开关频率电压、B相上桥臂开关频率电压、B相下桥臂开关频率电压、C相上桥臂开关频率电压、C相下桥臂开关频率电压，f_m为采样频率，为桥臂电压V_arm在开关频率处的幅值，φ_s，y y＝1,2,3,4,5,6，表示A相上桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、A相下桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、B相上桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、B相下桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、C相上桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、C相下桥臂开关频率电压在开关频率处的相位；

其中，DFT算法中参数设置为：谐波次数为基波频率为50Hz。

步骤5：通过将电压阀值和各相桥臂开关频率电压比较以进行故障检测；

步骤5中所述电压阀值为V_th，具体行故障检测方法为：

若则无故障发生，若则子模块发生了故障，并进行故障子模块定位；

为了准确区分正常瞬变状态和子模块故障状态，为故障检测设定一个阀值显得非常重要；

在稳态情况下，子模块二电平输出PWM电压的开关频率幅值系数为主要受调制比M的影响；

考虑到死区时间，以及系统纹波对开关频率成分的影响，因而阀值需加上一个小的直流偏置来克服其影响，最终的阀值是一个随调制比变化的变量，即为：

其中，为调制比变化前，子模块输出电压在开关频率幅值；为调制比变化后，子模块输出电压在开关频率幅值；k为系统克服纹波的影响而加的一个小的直流偏置；ΔM为调制比变化量；

步骤5中所述故障检测具体为：

桥臂电压等于各子模块实际输出电压之和，桥臂电压中的开关频率成分即合成开关频率成分，等于该桥臂中每一个子模块输出电压中的开关频率成分的叠加，如下式：

正常情况下，如图4所示，由于各子模块单元的对称性，开关频率成分对应的幅值应为零，如下式：

当子模块发生故障时，故障子模块输出电压u_sm将会增加，该故障子模块输出电压在开关频率对应的幅值也会增加，桥臂上其它正常子模块输出电压则不变，如图5所示，将大于正常状态时该子模块输出电压开关频率对应的幅值

总桥臂电压V_arm在开关频率对应的幅值大于零，而相位为

步骤6：经DFT算法提取到的桥臂电压在开关频率成分的相位角，由该相位角即可确定故障子模块的位置；

步骤6中所述该相位角即可确定故障子模块的位置具体为：

子模块故障后，桥臂电压的合成开关频率成分幅值将大于零，经DFT算法提取到相位相位φ_s，根据载波移相调制方法的谐波分布特征，若则判定第i个子模块发生了故障。

因此通过监测桥臂电压开关频率成分的幅值和相位可以检测和定位到桥臂上任何一个发生故障的子模块。

本发明模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法，不仅能够快速地检测到故障，而且能够准确地定位到故障位置，因为它以高频谐波为检测对象，在短时间内(2.5ms)即可监测到幅值的变化。对于整个MMC换流器，仅需要6个电压传感器，节省了成本，减少了检测复杂性，简单易实现。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对每一相上的桥臂电压进行采样；

步骤2：对采样得到桥臂电压进行低通滤波，滤除其中的高频成分；

步骤3：将低通滤波后的每一相上的桥臂电压用一个中心频率为的带通滤波器滤波，滤除中心频率附近的边带谐波；

步骤4：使用DFT算法来提取带通滤波后的的桥臂电压，提取出开关频率、幅值和相位角；

步骤5：通过将电压阀值和各相桥臂开关频率电压比较以进行故障检测；

步骤6：经DFT算法提取到的桥臂电压在开关频率成分的相位角，由该相位角即可确定故障子模块的位置。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法，其特征在于：步骤1中所述每一相单元上的桥臂电压由上桥臂电压即u_z,p以及下桥臂电压即u_z,n构成；其中，z∈{a,b,c}，p表示上桥臂，n表示下桥臂；每一个桥臂上含有N个子模块。

3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法，其特征在于：步骤2中所述采用低通滤波器进行处理时，选择低通滤波器的截止频率为开关频率f_s。

4.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法，其特征在于：步骤3中所述使用带通滤波器滤波时，选择带通滤波器的中心频率为f_s。

5.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法，其特征在于：步骤4中所述使用DFT算法提取，具体如下：

式中，分别表示A相上桥臂开关频率电压、A相下桥臂开关频率电压、B相上桥臂开关频率电压、B相下桥臂开关频率电压、C相上桥臂开关频率电压、C相下桥臂开关频率电压，f_m为采样频率，为桥臂电压V_arm在开关频率处的幅值，φ_s，y y＝1,2,3,4,5,6，表示A相上桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、A相下桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、B相上桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、B相下桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、C相上桥臂开关频率电压在开关频率处的相位、C相下桥臂开关频率电压在开关频率处的相位；

其中，DFT算法中参数设置为：谐波次数为基波频率为50Hz。

6.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法，其特征在于：步骤5中所述电压阀值为V_th，具体行故障检测方法为：

若则无故障发生，若则子模块发生了故障，并进行故障子模块定位；

为了准确区分正常瞬变状态和子模块故障状态，为故障检测设定一个阀值显得非常重要；在稳态情况下，子模块二电平输出PWM电压的开关频率幅值系数为主要受调制比M的影响；

考虑到死区时间，以及系统纹波对开关频率成分的影响，因而阀值需加上一个小的直流偏置来克服其影响，最终的阀值是一个随调制比变化的变量，即为：

其中，为调制比变化前，子模块输出电压在开关频率幅值；为调制比变化后，子模块输出电压在开关频率幅值；k为系统克服纹波的影响而加的一个小的直流偏置；ΔM为调制比变化量；

步骤5中所述故障检测具体为：

桥臂电压等于各子模块实际输出电压之和，桥臂电压中的开关频率成分即合成开关频率成分，等于该桥臂中每一个子模块输出电压中的开关频率成分的叠加，如下式：

正常情况下，由于各子模块单元的对称性，开关频率成分对应的幅值应为零，如下式：

当子模块发生故障时，故障子模块输出电压u_sm将会增加，该故障子模块输出电压在开关频率对应的幅值也会增加，桥臂上其它正常子模块输出电压则不变，将大于正常状态时该子模块输出电压开关频率对应的幅值

总桥臂电压V_arm在开关频率对应的幅值大于零，而相位为

7.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块故障检测与定位方法，其特征在于：步骤6中所述该相位角即可确定故障子模块的位置具体为：

子模块故障后，桥臂电压的合成开关频率成分幅值将大于零，经DFT算法提取到相位相位φ_s，根据载波移相调制方法的谐波分布特征，若则判定第i个子模块发生了故障。