CN111796214A - 基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法 - Google Patents

基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，包括：故障判断：建立MMC模型，构建滑模观测器，求出循环电流差值，并将循环电流差值与电流阀值Ith比较，循环电流差值在T1时间段内保持大于电流阀值Ith，发生故障；故障定位：求电压差值并与电压阀值Vth比较，若电压差值大于电压阀值Vth的时间超过T2，确定子模块发生故障。通过循环电流差值与电流阀值Ith进行比较，确定故障的存在；通过电压差值与电压阀值Vth比较，电压差值在T2时段内持续大于电压阀值Vth，确定具体发生故障的子模块；通过该方法进行故障的诊断，能快速对故障进行判定及定位，便于对故障的子模块进行隔离，防止其进一步对系统造成损坏，保证了系统的稳定运行。

Description

基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体地，涉及一种基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法。
背景技术
电压源转换器(VSC)是大功率传输和分配中使用最广泛的转换器，因为它们比线路换向转换器(LCC)更有优势，其中包括独立控制有功和无功功率，以及供应无源网络并降低占地面积的能力。尽管电压源转换器(VSC)具有众多拓扑，但是在所有这些拓扑中，模块化多电平换流器(MMC)被视为高压应用领域的革命性和最佳拓扑。主要是基于它们优越的特性，例如能够直接在高电压电平上传输电功率，改善其输出功率质量和提高效率。模块化多电平换流器(MMC)的模块化主要体现在由多个子模块(SM)的串联连接形成，每一个子模块(SM)可以是半桥或全桥。子模块(SM)数量的增加意味着电压水平的数量增加，这直接转化为较低的谐波含量并增强了产生较高电压的能力。
在模块化多电平换流器(MMC)中，可靠性是一个关键问题，因为它由大量的半导体开关组成，并且每个半导体开关都被视为潜在的易碎组件。由于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开路故障，模块化多电平换流器(MMC)中的输出电流和电压会失真，此外，子模块(SM)电容器的电压也会增加，从而导致进一步的器件损坏。因此，如果不隔离故障，系统严重时将中断。故在短时间内检测、定位和隔离故障子模块(SM)非常重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法。
本发明公开的一种基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，包括：
故障判断：建立MMC模型，构建滑模观测器，求出循环电流差值，并将循环电流差值与电流阀值Ith比较，若在T1时间段内，循环电流差值保持大于电流阀值Ith，则判定发生故障；
故障定位：求出电压差值，并将电压差值与电压阀值Vth比较，若电压差值大于电压阀值Vth的时间超过T2，则确定子模块发生故障。
根据本发明的一实施方式，循环电流差值为循环电流ic与循环电流观测状态
Figure BDA0002584087540000021
的差值。
根据本发明的一实施方式，循环电流ic方程式为：
Figure BDA0002584087540000022
根据本发明的一实施方式，T1为0.4ms。
根据本发明的一实施方式，循环电流观测状态
Figure BDA0002584087540000023
方程式为：
Figure BDA0002584087540000024
s(t)＝e(t)-e(0)+k∫e(t)dt
Figure BDA0002584087540000025
根据本发明的一实施方式，k为15。
根据本发明的一实施方式，饱和度函数表达式为：
Figure BDA0002584087540000031
根据本发明的一实施方式，电压差值为所有子模块的平均电压与每个子模块的电容器电压之间的差值。
根据本发明的一实施方式，子模块的输出电压方程式为：
vsm(u,l)(i)＝S(u,l)(i)×Vc(u,l)(i)。
根据本发明的一实施方式，T2为1ms。
本发明的有益效果在于，通过循环电流差值与电流阀值Ith进行比较，循环电流在T1时段内持续大于电流阀值Ith，则确定故障的存在；通过电压差值与电压阀值Vth比较，电压差值在T2时段内持续大于电压阀值Vth，则可确定具体发生故障的子模块；通过该方法进行故障的诊断，能快速对故障进行判定及定位，便于对故障的子模块进行隔离，防止其进一步对系统造成损坏，保证了系统的稳定运行。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为实施例中仿真系统的电路拓扑示意图；
图2为实施例中单向MMC的等效电路示意图；
图3为实施例中基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法的流程图；
图4为实施例中正常状态下的MMC工作时的仿真结果示意图；
图5为实施例中故障状态下的MMC工作时的仿真结果示意图；
图6为实施例中故障状态下的MMC工作时的另一仿真结果示意图。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明的基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，包括：故障判断及故障定位，其中，
故障判断：建立MMC模型，构建滑模观测器，求出循环电流差值，并将循环电流差值与预先设定的电流阀值Ith比较，若在T1时间段内，循环电流差值保持大于电流阀值Ith，则判定发生故障；
故障定位：求出电压差值，并将电压差值与预先设定的电压阀值Vth比较，若电压差值大于电压阀值Vth，且时间超过T2，则确定具体发生故障的子模块。
如图1-图2所示，图1为实施例中仿真系统的电路拓扑示意图；图2为实施例中单向MMC的等效电路示意图。具体应用时，定义MMC直流电压，分为上桥臂和下桥臂输出电压，由桥臂电压、桥臂等效电感电阻以及循环电流ic得到MMC数字模型。具体的，采用MATLAB/Simulink对单相MMC进行了建模仿真，还采用了基于载波的PS-PWM，以及平衡电容器电压的控制方法；如表一所示，表一为实施例中仿真条件和电路参数。
表一
项目 符号 参数
直流电源电压 V<sub>dk</sub> 6kV
子模块电容器电容 C 4mF
桥臂电感 l<sub>a</sub> 3mH
桥臂电阻 r<sub>a</sub> 0.05Ω
桥臂子模块个数 N 4
感性负载 r/l 5Ω/4mH
额定频率 f 50Hz
开关频率 f<sub>s</sub> 600Hz
电流阈值 I<sub>th</sub> 330
电压阈值 V<sub>th</sub> 100
观测收益 L 3.5×10<sup>4</sup>
优选地，循环电流差值为循环电流ie与循环电流观测状态
Figure BDA0002584087540000053
的差值。具体应用时，电流阀值Ith的选择，应确保测量电流和观测电流之间的差值足以在低风险的“假警报”下做出选择。循环电流差值与电流阀值Ith比较的表达式为：
Figure BDA0002584087540000051
优选地，根据KVL定律，获得循环电流ie方程式为：
Figure BDA0002584087540000052
其中，Vdc为施加的直流电压，vu为上桥臂电压，vl为下桥臂电压，la和ra分别为桥臂等效电感和桥臂等效电阻。
优选地，循环电流观测状态
Figure BDA0002584087540000061
方程式为：
Figure BDA0002584087540000062
其中，L是观测状态的增益，s为一个整数滑动变量；
具体应用时，s的定义如下：
s(t)＝e(t)-e(0)+k∫e(t)dt (3)
Figure BDA0002584087540000063
其中，(3)中的-e(0)主要作用是为了使s(0)＝0成立，用以确保消除到达阶段，故，滑模从最初时刻就存在，且在整个闭环响应期间将实现系统对不确定性的鲁棒性，提高稳定性。具体的，k的取值为15。
优选地，在(2)中，为了降低观察状态的振动效果，可采用饱和度函数取代符合函数，具体的饱和度函数的方程式为：
Figure BDA0002584087540000064
优选地，T1为0.4ms。
优选地，电压差值为所有子模块的平均电压与每个子模块的电容器电压之间的差值。具体的表达式为：
Figure BDA0002584087540000065
具体应用时，在上、下整个桥臂上，桥臂总电压方程式为：
Figure BDA0002584087540000066
其中，vsm(u,l)(i)为子模块的输出电压，当中的i＝1，2，...，N，其中N为桥臂子模块的序号；进而可间接得出所有子模块的平均电压。
具体应用时，在(6)的基础上，子模块的输出电压可由子模块上下桥臂的开关状态获得，其表达式为：
vsm(u,l)(i)＝S(u,l)(i)×Vc(u,l)(i) (7)
其中，Vc(u,l)(i)为第i个子模块电容器的电压，S(u,l)(i)为子模块上下桥臂的开关状态。进而可得出单个子模块的电容器电压值。具体的，当子模块上桥臂开关为开的状态，下桥臂开关为关的状态时，S(u,l)(i)的值为1，且vsm(u,l)(i)的值等于子模块电容器的电压Vc(u,l)(i)；当子模块下桥臂为开的状态，上桥臂开关为关的状态时，S(u,l)(i)的值为0，且vsm(u,l)(i)的值也为0。
优选地，子模块选用高增益开关，用以观测输出收敛的仿真效果。
优选地，T2为1ms。
如图3所示，图3为实施例中基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法的流程图。先是输入参数进行MMC建模，然后构建滑模观测器(SMO)，首先判断循环电流ic与循环电流观测状态
Figure BDA0002584087540000071
的差值的绝对值，是否大于电流阀值Ith，如果否，则无需进行下一步操作；如果是，则进一步判断，是否在T1时段内，循环电流ic与循环电流观测状态
Figure BDA0002584087540000072
的差值是否持续大于电流阀值Ith，若不是，则为无故障发生；若是，则可判定存在故障；而后，进行故障定位的判断，即判断所有子模块的平均电压与每个子模块的电容器电压之间的差值是否大于电压阀值Vth，如果否，则对下一个子模块进行判断；如果是，则更进一步判断，判断在T2时段内，所有子模块的平均电压与每个子模块的电容器电压之间的差值是否持续大于电压阀值Vth，若不是，则该子模块无故障发生；若是，则可确定该子模块发生故障，进而准确挑选出已故障的子模块。
如图4所示，图4为实施例中正常状态下的MMC工作时的仿真结果示意图。根据图示，循环电流ic与循环电流观测状态
Figure BDA0002584087540000073
基本相同，并且均小于电流阀值Ith，上桥臂子模块
Figure BDA0002584087540000074
和下桥臂子模块
Figure BDA0002584087540000075
的平均电压与电容器电压基本一致，表明实际工作和故障检测结果基本一致。
如图5所示，图5为实施例中故障状态下的MMC工作时的仿真结果示意图。预先对下桥臂中的子模块1制造故障，根据图示，在0.395s处故障发生，根据上述故障诊断方法进行检测，检测发现符合
Figure BDA0002584087540000081
即判定故障发生；再进一步判断，因为子模块1的电容电压高于在0.44s的平均值，根据上述算法可得出子模块1发生故障。
如图6所示，图6为实施例中故障状态下的MMC工作时的另一仿真结果示意图。预先对上桥臂和下桥臂两个子模块制造故障，根据图示，结合上述故障诊断方法可准确确定发生故障的子模块。
根据上述实验验证，子模块在不同的情况下发生故障，均能通过该诊断方法快速判断和定位到已发生故障的单个或多个子模块。
综上，通过循环电流差值与电流阀值Ith进行比较，循环电流在T1时段内持续大于电流阀值Ith，则确定故障的存在；通过电压差值与电压阀值Vth比较，电压差值在T2时段内持续大于电压阀值Vth，则可确定具体发生故障的子模块；通过该方法进行故障的诊断，能快速对故障进行判定及定位，便于对故障的子模块进行隔离，防止其进一步对系统造成损坏，保证了系统的稳定运行。
上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，其特征在于，包括：
故障判断：建立MMC模型，构建滑模观测器，求出循环电流差值，并将所述循环电流差值与电流阀值Ith比较，若在T1时间段内，所述循环电流差值保持大于所述电流阀值Ith，则判定发生故障；
故障定位：求出电压差值，并将所述电压差值与电压阀值Vth比较，若所述电压差值大于所述电压阀值Vth的时间超过T2，则确定所述子模块发生故障。
2.根据权利要求1所述的基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，其特征在于，所述循环电流差值为所述循环电流ic与循环电流观测状态
Figure FDA0002584087530000015
的差值。
3.根据权利要求2所述的基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，其特征在于，所述循环电流ic方程式为：
Figure FDA0002584087530000011
4.根据权利要求1所述的基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，其特征在于，所述T1为0.4ms。
5.根据权利要求2所述的基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，其特征在于，所述循环电流观测状态
Figure FDA0002584087530000012
方程式为：
Figure FDA0002584087530000013
s(t)＝e(t)-e(0)+k∫e(t)dt
Figure FDA0002584087530000014
6.根据权利要求5所述的基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，其特征在于，所述k为15。
7.根据权利要求5所述的基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，其特征在于，所述饱和度函数表达式为：
Figure FDA0002584087530000021
8.根据权利要求1-7任一所述的基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，其特征在于，所述电压差值为所有所述子模块的平均电压与每个所述子模块的电容器电压之间的差值。
9.根据权利要求8所述的基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，其特征在于，所述子模块的输出电压方程式为：
vsm(u,l)(i)＝S(u,l)(i)×Vc(u,l)(i)。
10.根据权利要求8所述的基于滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，其特征在于，所述T2为1ms。
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