CN110988742A - 基于四分位数的模块化多电平换流器开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于四分位数的模块化多电平换流器开路故障诊断方法，包括以下步骤：提出基于方差的电容器电压变化量化指标—VAR指数，计算由所有子模块的VAR值组成数据集Q，由数据集Q的第一四分位数和第三四分位数构成VAR值的上边界值和下边界值，将每个子模块的VAR值与上边界值和下边界值进行比较，并判别每个子模块的VAR值是否达到故障标准，可同时实现故障检测和定位。此外，四分位数分析结果还可以标记出子模块中特定的故障开关设备，从而实现故障分类并使子模块的容错控制更加灵活。本发明仅涉及子模块电容电压，不需要额外的硬件资源；还可以正确处理单个和多个故障的发生；不涉及系统参数，故不受参数不确定性的影响，且具有很高的鲁棒性。

Description

基于四分位数的模块化多电平换流器开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及基于四分位数的模块化多电平换流器开路故障诊断方法，属于多电平电力电子变换器技术领域。

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、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、中压电机驱动等领域具有广阔的前景。

通过将大容量直流电容分成较小的电容器，串联的子模块(SM)可在MMC中应用。这种独特的结构导致没有大容量的直流电容，较低的开关同步需求和较高的模块化程度。但是，大量串联子模块对MMC可靠性构成巨大的威胁，因为它们成为巨大的潜在故障点。

子模块故障主要有两种类型：子模块开路(OC)故障和子模块短路(SC)故障。短路故障破坏性较大，因而子模块驱动电路中一般配备了短路保护模块，当短路故障发生时，由本地闭锁该子模块，确保系统仍可正常运行。开路故障危害相对较小，因而不易被立即检测到，从而造成电压电流波形畸变等后果，威胁到系统的正常运行。子模块开路(OC)故障诊断通常需要故障检测和故障定位。在故障检测中，会生成错误警报以通知子模块开路(OC)故障的发生。为了在子模块开路(OC)故障时实现MMC的不间断运行，将通过故障定位来识别故障SM，以确保正确配置拓扑。

目前学界提出了多种故障检测和定位方法，如故障检测通过基于卡尔曼滤波器的观察器实现的，而故障SM则通过电容电压的比较来进行故障定位；基于滑模观测器的分析分别执行用于故障检测和故障定位；状态观察器分别执行用于故障检测和故障定位；使用单环定理评估电容电压进行故障检测，使用异常值分析进行故障定位。所有这些方法需要分别执行故障检测和故障定位这不仅使故障诊断过程复杂化，而且延长了所需的故障诊断时间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供基于四分位数的模块化多电平换流器开路故障诊断方法，可同时实现子模块开路故障检测和定位，不需要额外的硬件资源。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于四分位数的模块化多电平换流器开路故障诊断方法，包括如下步骤：

步骤1，采集一个周期内桥臂上各个子模块的电容电压；

步骤2，将各个子模块一个周期内的电容电压转换为VAR值，获取桥臂上所有子模块对应的VAR值，并将所有VAR值按升序进行排序构成数据集Q；

步骤3，根据四分位数的定义计算数据集Q的第一四分位数和第三四分位数，根据第一四分位数和第三四分位数计算子模块开路故障指标上限值和下限值；

步骤4，根据子模块开路故障指标上限值UpLimit和下限值LowLimit，判断子模块是否发生故障以及故障类别，若某子模块发生故障，则对发生故障的子模块进行更换，并返回步骤1；所述判断子模块是否发生故障以及故障类别，具体为：

将每个子模块对应的VAR值与子模块开路故障指标上限值、下限值进行比较；当某个子模块对应的VAR值连续n个周期大于上限值UpLimit，则视为该子模块发生故障，且故障类别为该子模块的下管故障；当某个子模块对应的VAR值连续n个周期小于下限值LowLimit，则视为该子模块发生故障，且故障类别为该子模块的上管故障；n为预设阈值。

作为本发明的一种优选方案，所述VAR值的计算公式为：

其中，VAR(SM_i)表示桥臂上第i个子模块对应的VAR值，u_ci(k)表示第k次采集的第i个子模块的电容电压，Mean(u_ci)表示一个周期内第i个子模块的平均电容电压，L表示一个周期内一个子模块采集电容电压的次数。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述子模块开路故障指标上限值和下限值，计算公式为：

UpLimit＝Q₃+3(Q₃-Q₁)

LowLimit＝Q₃-3(Q₃-Q₁)

其中，UpLimit、LowLimit分别表示子模块开路故障指标上限值、下限值，Q₁表示第一四分位数，Q₃表示第三四分位数。

作为本发明的一种优选方案，所述子模块包括两个功率开关S_u、S_l，两个二极管D_u、D_l和一个直流电容，其中，功率开关S_u和二极管D_u组成上管，功率开关S_l和二极管D_l组成下管；二极管D_u的阴极连接功率开关S_u的集电极，二极管D_u的阳极连接功率开关S_u的发射极，二极管D_l的阴极连接功率开关S_l的集电极，二极管D_l的阳极连接功率开关S_l的发射极，功率开关S_u的发射极、功率开关S_l的集电极分别与子模块桥臂电流流入侧连接，功率开关S_u的栅极、功率开关S_l的栅极分别与控制功率开关开通与关断的控制电路连接，功率开关S_l的发射极与子模块桥臂电流流出侧连接，功率开关S_u的集电极经直流电容与子模块桥臂电流流出侧连接。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述n＝10。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明可同时实现故障检测和定位，实用价值高；在传统子模块开路故障诊断算法中一般是将故障的检测和故障的定位分开进行，这不仅使故障诊断过程复杂化，而且延长了所需的故障诊断时间。本发明可同时实现故障检测和定位，可以更准确、更及时地对子模块开路故障进行诊断。

2、本发明的子模块开路故障诊断算法由于不涉及系统参数，因此不受系统参数不确定性的影响，并且具有很高的鲁棒性。

3、本发明的子模块开路故障诊断算法不需要对硬件电路做任何改动，易于理解和实施。

4、本发明的子模块开路故障诊断算法无需在系统中引入环流，不会改变系统的输出特性。

附图说明

图1是三相MMC及子模块拓扑结构图。

图2是本发明所提出的方法具体实施的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明针对子模块发生开路故障的问题，提出了适用于MMC的子模块故障诊断方法，其中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，每个子模块由两个功率开关S_u、S_l，两个二极管D_u、D_l和一个直流电容组成，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，当桥臂电流大于0，投入电容电压最低的j个子模块，当桥臂电流小于0，投入电容电压最高的j个子模块。

如图2所示，一种基于四分位数的模块化多电平换流器开路故障诊断方法，包括：首先提出了基于方差的电容器电压变化量化指标。然后，用量化指标量化一个桥臂中所有子模块的电容器电压变化。通过使用四分位数分析评估所有获取的索引值，可以同时实现子模块开路(OC)故障故障检测和定位。此外，四分位数分析结果还可以标记出特定的故障开关设备，从而实现故障分类。这可以使子模块的容错控制更加灵活。具体包括以下步骤：

(1)采集所需数据，采集桥臂上N个相同的子模块(Submodule i，SM_i,i＝1,2,…,N)的电容电压u_ci。

(2)将各个子模块一个周期内的电容电压转换为VAR值，获取桥臂上所有子模块对应的VAR值，并将所有VAR值按升序进行排序构成数据集Q。

电容器电压变化通过VAR指数进行量化，即

每个子模块被分配一个储存队列以存储电容器电压的采样值，即u_ci(k)第i个子模块的储存队列。Mean(u_ci)是u_ci的平均值，L是u_ci(k)的储存队列长度。每个子模块的VAR值通过电容电压的采样值计算得出并按升序排序组成数据集合Q。

(3)通过四分位数分析和评估所有子模块电容电压的相应指标，并判别指标是否达到子模块开路故障标准。首先，根据四分位数的定义计算所有VAR值的第一四分位数(Q₁)和第三四分位数(Q₃)；其次，计算子模块开路故障指标上限值UpLimit＝Q₃+3(Q₃-Q₁)，记为UpLimit；随后，计算子模块开路故障指标下限值LowLimit＝Q₃-3(Q₃-Q₁)，记为LowLimit，最后判别指标是否达到子模块开路故障标准。

子模块开路故障标准，具体如下：将每个子模块的VAR值与获取的子模块开路故障指标上限值和下限值进行比较；如果VAR(SM_i)大于上限值并持续n个监测周期(如n＝10)，则第i个子模块出现子模块下功率开关S_l故障，记为S_l故障；如果VAR(SM_i)小于下限值并持续n个监测周期(如n＝10)，则第i个子模块上功率开关S_u故障，记为S_u故障；如果VAR(SM_i)保持在上限和下限之间，则该子模块是正常无故障的。

(4)若达到故障标准，则对相应的子模块进行更换，随后从步骤(1)重新开始子模块开路故障监测过程。

本发明尤其适用于子模块数目众多的MMC系统，与传统的子模块故障诊断方法相比，其能显著减小诊断算法的计算量。所提出的方法对电容电压进行分析，以进行故障诊断。在子模块开路(OC)故障时，故障子模块的电容电压变化会与正常子模块有所不同。因此，在提出的方法中监测电容的电压变化。由于仅涉及电容电压，因此所提出的方法不需要额外的硬件资源。所提出方法可以正确处理单个和多个故障的发生。由于不涉及系统参数，因此该方法不受参数不确定性的影响，并且具有很高的鲁棒性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.基于四分位数的模块化多电平换流器开路故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，采集一个周期内桥臂上各个子模块的电容电压；

步骤2，将各个子模块一个周期内的电容电压转换为VAR值，获取桥臂上所有子模块对应的VAR值，并将所有VAR值按升序进行排序构成数据集Q；

步骤3，根据四分位数的定义计算数据集Q的第一四分位数和第三四分位数，根据第一四分位数和第三四分位数计算子模块开路故障指标上限值和下限值；

步骤4，根据子模块开路故障指标上限值UpLimit和下限值LowLimit，判断子模块是否发生故障以及故障类别，若某子模块发生故障，则对发生故障的子模块进行更换，并返回步骤1；所述判断子模块是否发生故障以及故障类别，具体为：

将每个子模块对应的VAR值与子模块开路故障指标上限值、下限值进行比较；当某个子模块对应的VAR值连续n个周期大于上限值UpLimit，则视为该子模块发生故障，且故障类别为该子模块的下管故障；当某个子模块对应的VAR值连续n个周期小于下限值LowLimit，则视为该子模块发生故障，且故障类别为该子模块的上管故障；n为预设阈值。

2.根据权利要求1所述基于四分位数的模块化多电平换流器开路故障诊断方法，其特征在于，所述VAR值的计算公式为：

其中，VAR(SM_i)表示桥臂上第i个子模块对应的VAR值，u_ci(k)表示第k次采集的第i个子模块的电容电压，Mean(u_ci)表示一个周期内第i个子模块的平均电容电压，L表示一个周期内一个子模块采集电容电压的次数。

3.根据权利要求1所述基于四分位数的模块化多电平换流器开路故障诊断方法，其特征在于，步骤3所述子模块开路故障指标上限值和下限值，计算公式为：

UpLimit＝Q₃+3(Q₃-Q₁)

LowLimit＝Q₃-3(Q₃-Q₁)

其中，UpLimit、LowLimit分别表示子模块开路故障指标上限值、下限值，Q₁表示第一四分位数，Q₃表示第三四分位数。

4.根据权利要求1所述基于四分位数的模块化多电平换流器开路故障诊断方法，其特征在于，所述子模块包括两个功率开关S_u、S_l，两个二极管D_u、D_l和一个直流电容，其中，功率开关S_u和二极管D_u组成上管，功率开关S_l和二极管D_l组成下管；二极管D_u的阴极连接功率开关S_u的集电极，二极管D_u的阳极连接功率开关S_u的发射极，二极管D_l的阴极连接功率开关S_l的集电极，二极管D_l的阳极连接功率开关S_l的发射极，功率开关S_u的发射极、功率开关S_l的集电极分别与子模块桥臂电流流入侧连接，功率开关S_u的栅极、功率开关S_l的栅极分别与控制功率开关开通与关断的控制电路连接，功率开关S_l的发射极与子模块桥臂电流流出侧连接，功率开关S_u的集电极经直流电容与子模块桥臂电流流出侧连接。

5.根据权利要求1所述基于四分位数的模块化多电平换流器开路故障诊断方法，其特征在于，步骤4所述n＝10。

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