CN111693898A - 一种模块化多电平变流器中igbt开路故障的加速定位方法 - Google Patents

一种模块化多电平变流器中igbt开路故障的加速定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平变流器中IGBT开路故障的加速定位方法，在检测到开路故障后，使能故障定位，进入故障定位环节后，首先计算故障桥臂所有子模块电容电压的预测值Ucpre，以及预测值与测量值Ucmea的差值ΔUc，在获得子模块电容电压的实测值及预测值后，需进一步计算得到各子模块的虚拟电容电压值，最后在排序环节采用虚拟电容电压作为排序电压值，本发明可以保证故障子模块的电容在桥臂电流大于0时被充电，而在桥臂电流小于0时保持不变，可以加快故障子模块电容电压的上升，明显减小故障定位时间，无需增加额外的硬件电路，算法简单、易于实现，既能实现单故障子模块定位，也能实现多故障子模块定位。

Description

一种模块化多电平变流器中IGBT开路故障的加速定位方法
技术领域
本发明属于电力电子功率变流器技术领域，涉及一种模块化多电平变流器中IGBT开路故障的加速定位方法。
背景技术
为将传统低电平电力电子功率变流器应用于高压大功率场合，通常需要串并联多个开关器件。由于各个器件的开关特性有所差别，多个功率器件串并联会带来均压、均流、驱动信号同步及电磁干扰等技术问题。另外传统低电平变流器输出电压波形质量较差，需要在输出端安装大容量交流滤波器以满足输出波形质量要求。
相比传统的两电平、多电平变流器，模块化多电平变流器(Modular multilevelConverter,MMC)采用桥臂级联子模块的方法取代开关器件串并联，以此拓展电压及功率等级。MMC在高压大功率应用场合具有明显优势，主要包括：MMC采用低压器件实现高压输出，降低了器件的电压功率等级要求；能够轻易拓展输出电平，提高输出电压波形质量，无需安装大容量交流滤波器，同时可以降低系统的dv/dt，从而减小电磁干扰，提高系统可靠性；模块化结构，便于生产、便于实现拓展及冗余。由于以上优势，MMC在近年来，已广泛应用于高压直流输电、中压电机驱动、无功补偿、储能等领域。
功率开关器件是电力电子变流器系统中最为薄弱的部件之一。功率开关器件的开路故障无法由驱动电路直接检测隔离，如果无法清除开路故障，将影响变流器的正常工作，恶化变流器输出波形质量，甚至会引起其他器件损坏，最终导致系统崩溃停机。虽然，桥臂级联子模块的结构给MMC带来了诸多优势，但是任意一个子模块中的全控绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)发生开路故障都将影响系统的正常运行。因此，需要在MMC子模块出现IGBT开路故障的情况下，尽快定位故障子模块，实现故障清除，保证系统安全可靠运行。
发明内容
本发明针对MMC子模块IGBT开路故障，提供了一种加速的故障定位方法，本发明无需附加额外的硬件装置，能够明显加速定位过程。本发明既能实现单故障定位，也能实现多故障定位。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
第一步：在检测到开路故障后，使能故障定位。对于MMC半桥子模块而言，上IGBT开路故障只在故障子模块处于投入状态且桥臂电流小于0时显现，而下IGBT开路故障只在故障子模块处于切除状态且桥臂电流大于0时显现。
第二步：进入故障定位环节后，首先计算故障桥臂所有子模块电容电压的预测值Ucpre，以及预测值与测量值Ucmea的差值ΔUc。各子模块电容电压的测量值采用电压传感器采样得到，t时刻的差值ΔUc可由以下公式计算得到：
ΔUc(t)＝Ucmea(t)-Ucpre(t)
预测值可由以下公式计算得到：
Figure BDA0002496791460000021
式中Ts为控制周期；C为电容值；S为MMC子模块的开关函数，上开关管开通时S＝1，下开关管开通时S＝0；iarm为故障桥臂的桥臂电流。
第三步：在获得子模块电容电压的实测值及预测值后，需进一步计算得到各子模块的虚拟电容电压值。不同工作条件下的虚拟电容电压值计算公式有所不同。当出现上IGBT故障且桥臂电流小于0，或下IGBT故障且桥臂电流大于0的情况，虚拟电容电压值为：
Ucvir(t)＝Ucmea(t)+kΔUc
其中k设定为一个较大的常数，如1000。当出现上IGBT故障且桥臂电流大于0，或下IGBT故障且桥臂电流小于的情况，虚拟电容电压值为：
Ucvir(t)＝Ucmea(t)-kΔUc
第四步：最后在排序环节采用虚拟电容电压作为排序电压值。MMC故障子模块的定位依据是：若故障桥臂内，最大的实测子模块电容电压超过预设阈值，则电容电压实测值最大的子模块被定位为故障模块。
与现有技术相比，本发明能够达到如下的有益效果：
本发明提供的MMC子模块IGBT故障定位方法，可以保证故障子模块的电容在桥臂电流大于0时被充电，而在桥臂电流小于0时保持不变。相比传统的基于电容电压值判断的故障定位方法，本发明提供的定位方法，可以加快故障子模块电容电压的上升，明显减小故障定位时间。
本发明提供的MMC子模块IGBT故障定位方法，无需增加额外的硬件电路，算法简单、易于实现，既能实现单故障子模块定位，也能实现多故障子模块定位。
附图说明
图1为单相模块化多电平变流器的拓扑整体结构图；
图2为子模块内部IGBT开路故障类型图；
图3为单开关管故障定位过程，采用的定位方法为传统的电容电压值判断法；
图4为单开关管故障定位过程，采用的定位方法为本发明提供的方法；
图5为双开关管故障定位过程，采用的定位方法为传统的电容电压值判断法；
图6为双开关管故障定位过程，采用的定位方法为本发明提供的方法；
具体实施方式
下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明涉及的是一种模块化多电平变流器中IGBT开路故障的加速定位方法。采用的模块化多电平变流器的主电路拓扑如图1所示。单相MMC有上下两个桥臂，每个桥臂由N+M个级联半桥子模块和桥臂电感L组成。其中N个子模块为正常子模块，M个子模块为热备用冗余子模块。每个半桥子模块包含两个IGBT(S1和S2)及一个储能电容。C为子模块电容值，Uc为子模块电容电压，iarm为桥臂电流。S为子模块的开关函数，上开关管开通时S＝1，下开关管开通时S＝0。
如图2所示，子模块内IGBT开路故障主要分为上IGBT开路故障及下IGBT开路故障。根据子模块的结构分析可知：上IGBT开路故障只能在子模块处于投入状态(即子模块开关函数为1)且桥臂电流小于0的情况显现；下IGBT开路故障只能在子模块处于切除状态(即子模块开关函数为0)的情况显现。当检测到IGBT开路故障后，使能故障定位。故障定位环节，首先要计算故障桥臂所有子模块的电容电压预测值Ucpre，以及预测值与测量值Ucmea的差值ΔUc。电容电压的测量值可通过电压传感器采样得到，t时刻电容电压的预测值Ucpre及差值ΔUc的计算公式如下：
Figure BDA0002496791460000031
ΔUc(t)＝Ucmea(t)-Ucpre(t)
式中Ts为控制周期。
对于正常子模块而言，上述差值ΔUc近乎为0；对于故障子模块而言，ΔUc在故障显现情况下会不断增加。基于故障子模块和正常子模块ΔUc值的不同，本发明为了加速故障子模块与正常子模块电容电压的偏差速度，特采用虚拟电容电压Ucvir作为MMC子模块电容电压排序环节的电压值。不同工作状况下的虚拟电容电压计算方法如下：
(1)当S1故障且桥臂电流小于0时，故障桥臂所有子模块的虚拟电容电压计算如下：
Ucvir(t)＝Ucmea(t)+kΔUc
其中k是一个很大的常数，可设定为1000。由于故障子模块的ΔUc值大于正常子模块的ΔUc值，因此故障子模块的虚拟电容电压远大于正常子模块的虚拟电容电压值。在桥臂电流小于0的情况下，根据排序平衡算法原理，故障子模块具有最高的投入优先级，只要桥臂投入子模块个数大于0，故障子模块就会保持投入状态。故障子模块的ΔUc会继续上升，其电容电压值几乎保持不变。
(2)当S1故障且桥臂电流大于0时，故障桥臂所有子模块的虚拟电容电压计算如下：
Ucvir＝Ucmea(t)-kΔUc
ΔUc值大于正常子模块的ΔUc值，因此故障子模块的虚拟电容电压远小于正常子模块的虚拟电容电压值。经过上述计算，故障子模块的虚拟电容电压将成为桥臂子模块虚拟电容电压的最小值。在桥臂电流大于0的情况下，根据排序平衡算法原理，故障子模块仍然具有最高的投入优先级。此时电流经上开关管的并联二极管给故障子模块的电容充电，故障子模块的实际电容电压不断增大。
(3)当S2故障且桥臂电流大于0时，故障桥臂所有子模块的虚拟电容电压计算如下：
Ucvir＝Ucmea(t)+kΔUc
同理分析可知，在桥臂电流大于0时，故障子模块具有最高的被切除优先级。由于下管故障，此时的桥臂电流只能流过上二极管给故障子模块的电容充电，其实际电容电压不断增大；
(4)当S2故障且桥臂电流小于0时，故障桥臂所有子模块的虚拟电容电压计算如下：
Ucvir＝Ucmea(t)-kΔUc
同理分析可知，在桥臂电流小于0时，故障子模块仍具有最高的被切除优先级。此时桥臂电流流过下二极管，故障子模块的电容电压基本保持不变。
经过上述处理，使得故障子模块的电容在桥臂电流大于0时总是被充电，在桥臂电流小于0时不通过桥臂电路放电。由此，可以最大限度地加快故障子模块电容电压的上升，加速故障子模块和正常子模块电容电压的偏差，当二者的差异达到预设阈值时，电容电压实测值最大的模块被定位为故障子模块。与传统基于电容电压的故障定位方法相比，本发明所提供的方法可以显著加速定位过程；与其他定位方法相比，本发明所提供的方法既可以实现单模块故障定位，也可以实现多模块故障定位。
为验证本发明，图3-图6以S2开关管故障为例，显示了采用两种定位方法的定位过程。两种定位方法分别为传统的基于电容电压值判定位方法以及本发明提供的定位方法。当开路故障发生后，故障子模块的电容电压不断上升，直到上升至预设阈值，故障子模块被定位。由图3及图4、图5及图6可知，传统的基于电容电压值判定位方法，采用本发明提供的定位方法可以明显缩短定位时间。随着故障子模块数的增多以及MMC运行功率的降低，采用本发明提供的方法将更大程度地缩短定位时间。

Claims (1)

1.一种模块化多电平变流器中IGBT开路故障的加速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：在检测到开路故障后，使能故障定位，对于MMC半桥子模块而言，上IGBT开路故障只在故障子模块处于投入状态且桥臂电流小于0时显现，而下IGBT开路故障只在故障子模块处于切除状态且桥臂电流大于0时显现；
第二步：进入故障定位环节后，首先计算故障桥臂所有子模块电容电压的预测值Ucpre，以及预测值与测量值Ucmea的差值ΔUc，各子模块电容电压的测量值采用电压传感器采样得到，t时刻的差值ΔUc可由以下公式计算得到：
ΔUc(t)＝Ucmea(t)-Ucpre(t)
预测值可由以下公式计算得到：
Figure FDA0002496791450000011
式中Ts为控制周期；C为电容值；S为MMC子模块的开关函数，上开关管开通时S＝1，下开关管开通时S＝0；iarm为故障桥臂的桥臂电流；
第三步：在获得子模块电容电压的实测值及预测值后，需进一步计算得到各子模块的虚拟电容电压值，不同工作条件下的虚拟电容电压值计算公式有所不同，当出现上IGBT故障且桥臂电流小于0，或下IGBT故障且桥臂电流大于0的情况，虚拟电容电压值为：
Ucvir(t)＝Ucmea(t)+kΔUc
其中k设定为一个较大的常数，如1000，当出现上IGBT故障且桥臂电流大于0，或下IGBT故障且桥臂电流小于的情况，虚拟电容电压值为：
Ucvir(t)＝Ucmea(t)-kΔUc
第四步：最后在排序环节采用虚拟电容电压作为排序电压值，MMC故障子模块的定位依据是：若故障桥臂内，最大的实测子模块电容电压超过预设阈值，则电容电压实测值最大的子模块被定位为故障模块。
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