CN110719044A

CN110719044A - 模块化多电平换流器子模块下管开路故障的定位方法

Info

Publication number: CN110719044A
Application number: CN201910862900.XA
Authority: CN
Inventors: 邓富金; 殷诚伟; 刘诚恺; 王青松; 陈舒
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Southeast University; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Southeast University; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: CN110719044B

Abstract

本发明公开了模块化多电平换流器子模块下管开路故障定位方法，涉及多电平电力电子变换器技术，属于计算、推算、计数的技术领域。该方法对一个桥臂上各子模块电容电压进行监测采样，利用各子模块电容电压增量与最大增量的偏差在各工频周期的总值以及平均值进行故障定位。该方法通过对子模块电容电压进行连续采样以得出两个特征值，从而能够有效地对模块化多电平换流器子模块下管的开路故障进行定位。无论当模块化多电平换流器处于整流还是逆变运行状态，此方法均适用。

Description

模块化多电平换流器子模块下管开路故障的定位方法

技术领域

本发明公开了模块化多电平换流器子模块下管开路故障的定位方法，涉及多电平电力电子变换器技术，属于计算、推算、计数的技术领域。

背景技术

相对于传统的两电平和三电平换流器，模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter，MMC)具有效率高、输出交流电压谐波小、正弦度高、高度模块化等特点，更适用于高电压、大功率的应用场合，在柔性直流输电、电机驱动等领域具有广阔的前景。

可靠运行是MMC技术研究的关键之一，MMC的故障来源主要包括：功率半导体器件故障、电容故障、布线及终端故障以及其它故障。MMC通常包含大量的子模块，其中，每个子模块均包含多个功率半导体器件，而每个功率半导体器件可以被视作一个潜在故障点。功率半导体器件故障通常可以分为短路故障和开路故障。在大多数情况下，短路故障会引起具有强大破坏力的过电流，而MMC门极驱动器通常与短路保护电路集成在一起，当检测到短路故障时立即关闭开关。开路故障破坏力不及短路故障破坏力大，也不易被察觉，但开路故障可能导致其它设备的二次损坏和系统故障。因此，当MMC发生开路故障时，必须找到故障的子模块并将它从系统中旁路掉并及时更换。

近些年来，一些提出针对功率开关下管开路故障的定位方法的文献，都基于电容电压在故障下不断升高这一故障现象。然而，只有当模块化多电平换流器工作在逆变状态时，故障子模块的电容电压才会不断升高。当模块化多电平换流器工作在整流状态时，电容电压能够保持平衡，因此，传统文献中的故障定位方法不适用于工作于整流状态下的换流器。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了模块化多电平换流器子模块下管开路故障的定位方法，该方法通过监测桥臂电流和各个子模块电容电压，经过数据处理得出两个特征量，根据特征量进行故障的定位，利用模块化多电平换流器工作在整流和逆变时的共同特性进行故障定位，因此既适用于逆变状态，也适用于整流状态，解决了现有故障定位方法不适用于工作于整流状态下换流器的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

模块化多电平换流器子模块下管开路故障定位方法，包括以下步骤：对一个桥臂上各子模块电容电压以及桥臂电流进行采样，对采样的数据进行处理得出特征值Δu_{cui_avg}和Δu_{cuji_sum}，利用两个特征值进行故障定位，具体步骤如下(以j相上桥臂为例，下桥臂的故障定位方法与上桥臂相同)，

(1)采集所需数据，采集桥臂电流i_uj，桥臂上各子模块的电容电压u_cuji(i＝1,2……N)；

(2)对子模块的电容电压数据进行处理，并对下管开路故障的子模块进行定位；

(3)若此桥臂上的子模块存在下管开路故障，则对相应的开关管进行旁路并及时更换，在等待一个时间间隔(如10分钟)后从步骤(1)重新开始监测过程；否则，在等待一个时间间隔(如10分钟)后从步骤(1)重新开始检测过程。

作为本发明的一种改进，所述步骤(2)对子模块的电容电压数据进行处理，具体如下，首先，根据实时电容电压监测值得出单个工频周期内桥臂电流为正时子模块电容电压的增量u_{cuji_pp}(i＝1,2……N)；其次，取各电容电压增量的最大值，记为Max[u_{cuj1_pp},u_{cuj2_pp},…,u_{cujN_pp}],用u_{cuji_pp}减去Max[u_{cuj1_pp},u_{cuj2_pp},…,u_{cujN_pp}]，结果记为Δu_{cuji_pp}，因为当桥臂电流为正时，故障子模块电容始终处于充电状态，因此故障子模块的电容电压增量u_{cuji_pp}＝Max[u_{cuj1_pp},u_{cuj2_pp},…,u_{cujN_pp}]，Δu_{cuji_pp}为0，其它正常工作的子模块的Δu_{cuji_pp}为一负数值；然后将监测时段内各个工频周期的Δu_{cuji_pp}进行累加，得出Δu_{cuji_sum}；最后，计算Δu_{cuji_sum}在各个工频周期的平均值，记为Δu_{cuji_avg}。

作为本发明的一种改进，所述步骤(2)对下管开路故障的子模块进行定位，具体如下，首先设置两个阈值u_th1和u_th2(u_th1选取为MMC子模块电容电压的-5％，u_th2选取为MMC子模块电容电压的-0.5％)；然后，根据步骤(2)计算得出的Δu_{cuji_sum}和Δu_{cuji_avg}，若该桥臂上第i个子模块下管发生开路故障，经过多个周期的电压监测，出现Δu_{cuji_avg}<u_th1并且Δu_{cuji_sum}>u_th2时，则可以确定此桥臂上第i个子模块下管发生开路故障；若u_{cuj1_pp}～u_{cujN_pp}近似相等，Δu_{cuj1_pp}～Δu_{cujN_pp}很小，则Δu_{cuji_avg}随着采样时间的推移而逐渐减小最终达到u_th1，并且Δu_{cuji_sum}<u_th2，该桥臂上所有子模块都正常工作。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)该故障定位方法模块化多电平换流器工作在整流和逆变时的共同特性监测各子模块电容电压增量与最大增量的偏差在各工频周期的总值以及平均值这两个特征量，以监测的两个特征量为故障诊断的指标，不仅适用于工作在逆变工作状态的换流器，也适用于工作在整流状态的换流器，使用价值更高；模块化多电平换流器在许多应用场合中既需要工作在逆变状态，又需要工作在整流状态，以实现能量的双向流动。国内外很多文献提出的故障定位方法利用其故障子模块的电容电压无法平衡的特点进行定位。由于换流器电容电压在整流工作状态时能够平衡，因此这些故障定位方法的适用场合有着很大的局限。而本文提出的故障定位方法适用于换流器工作在任何工况下，较前人提出的方案有很大的灵活性和实用价值。

(2)本发明的故障定位方法基于软件算法而不需要施加额外的硬件设备，易于实施且成本低廉。

(3)本发明的故障定位方法不会改变系统的输出特性，可保证模块化多电平换流器的供电质量。

附图说明

图1是三相MMC拓扑结构图。

图2为子模块拓扑结构图。

图3是本发明所提出的方法的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明针对子模块下管发生开路故障的问题，提出了适用于MMC的故障定位方法，其中，三相MMC拓扑结构由六个桥臂组成，如图1所示，每个桥臂上包含了N个相同的子模块(Submodule，SM)以及一个桥臂电感L_s，子模块采用半桥结构，如图2所示，每个子模块由两个功率开关T₁、T₂，两个二极管D₁、D₂以及一个电容组成，电容电压平衡方法为：根据桥臂参考电压与载波比较得到一个桥臂上需要投入的子模块个数为j，对所有电容电压排序，当桥臂电流大于零，投入电容电压最低的j个子模块，当桥臂电流小于零，投入电容电压最高的j个子模块。

如图3所示，一种应用于模块化多电平换流器子模块下管故障的故障定位方法，包括：对一个桥臂上各子模块电容电压以及桥臂电流进行采样，对采样的数据进行处理得出特征值Δu_{cui_avg}和Δu_{cuji_sum}，利用两个特征值进行故障定位，具体包括以下步骤(以j相上桥臂为例)：

(2)对子模块的电容电压数据进行处理，并对下管开路故障的子模块进行定位。根据实时电容电压监测值得出单个工频周期内桥臂电流为正时子模块电容电压的增量u_{cuji_pp}(i＝1,2……N)；其次，取各电容电压增量的最大值，记为Max[u_{cuj1_pp},u_{cuj2_pp},…,u_{cujN_pp}],用u_{cuji_pp}减去Max[u_{cuj1_pp},u_{cuj2_pp},…,u_{cujN_pp}]，结果记为Δu_{cuji_pp}；然后将监测时段内各个工频周期的Δu_{cuji_pp}进行累加，得出Δu_{cuji_sum}；最后，取Δu_{cuji_sum}在u各工频周期的平均值，记为Δu_{cuji_avg}，设置两个阈值u_th1和u_th2(u_th1选取为MMC子模块电容电压的-5％，u_th2选取为MMC子模块电容电压的-0.5％)；然后，根据权利要求2计算得出的Δu_{cuji_sum}和Δu_{cuji_avg}，若Δu_{cuji_avg}<u_th1并且Δu_{cuji_sum}>u_th2，则可以确定此桥臂上第i个子模块下管发生开路故障。若Δu_{cuji_avg}随着采样时间的推移而逐渐减小最终达到u_th1，并且Δu_{cuji_sum}<u_th2，则此桥臂上未发生下管开路故障。

(3)若此桥臂上的子模块存在下管开路故障，则对相应的开关管进行旁路并及时更换，在等待一个时间间隔(如10分钟)后从步骤(1)重新开始监测过程；否则，在等待一个时间间隔(如10分钟)后从步骤(1)重新开始检测过程换流器j相下桥臂的故障定位方法与上桥臂类似，这里不再赘述。

本发明适用于MMC工作在各种工况下，较传统的故障定位方法，灵活性更大，适用场合更广。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims

1.模块化多电平换流器子模块下管开路故障的定位方法，其特征在于，采集桥臂电流及桥臂上各子模块电容电压，监测各子模块电容电压增量与最大增量的偏差在各工频周期的总值以及平均值，根据各子模块电容电压增量与最大增量的偏差在各工频周期的总值以及平均值与子模块电容电压增量阈值的比较结果定位下管开路故障的子模块。

2.根据权利要求1所述模块化多电平换流器子模块下管开路故障的定位方法，其特征在于，所述根据各子模块电容电压增量与最大增量的偏差在各工频周期的总值以及平均值与子模块电容电压增量阈值的比较结果定位下管开路故障的子模块的方法为：

在子模块电容电压增量与最大增量的偏差在各工频周期的平均值未超过最小阈值且子模块电容电压增量与最大增量的偏差在各工频周期的总值超过最大阈值时，该子模块下管发生开路故障；

在子模块电容电压增量与最大增量的偏差在各工频周期的平均值达到最小阈值且子模块电容电压增量与最大增量的偏差在各工频周期的总值未超过最大阈值时，该子模块正常工作。

3.根据权利要求1所述模块化多电平换流器子模块下管开路故障的定位方法，其特征在于，各子模块电容电压增量与最大增量的偏差在各工频周期的总值通过累加监测时段内各个工频周期的子模块电容电压增量与最大增量的偏差获得，Δu_{cuji_pp}＝u_{cuji_pp}-Max[u_{cuj1_pp},u_{cuj2_pp},…,u_{cujN_pp}]，Δu_{cuji_pp}为第i个子模块电容电压增量u_{cuji_pp}与最大增量的偏差，u_{cuj1_pp}、u_{cuj2_pp}、u_{cujN_pp}为第1个、第2个、第N个子模块电容电压增量。

4.根据权利要求1所述模块化多电平换流器子模块下管开路故障的定位方法，其特征在于，各子模块电容电压增量与最大增量的偏差在各工频周期的平均值通过对各子模块电容电压增量与最大增量的偏差在各工频周期的总值进行平均值求解获得。

5.根据权利要求2所述模块化多电平换流器子模块下管开路故障的定位方法，其特征在于，最大阈值为子模块电容电压的-0.5％，最小阈值为子模块电容电压的-5％。