CN112363081A - 半桥型mmc-hvdc的子模块故障诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种半桥型MMC‑HVDC的子模块故障诊断方法及系统，在获取半桥型MMC‑HVDC换流阀的桥臂在当前计算周期内对应的桥臂电压变化量和桥臂电流，以及所述桥臂子模块个数、子模块电容值；并根据获取的数据确定子模块的故障启动判据，通过故障启动判据判断子模块的故障类型；该计算周期包括多个控制周期，从而可以通过跨控制周期计算桥臂电压变化量和桥臂电流的关系，实现桥臂子模块故障的诊断，同时定位故障子模块；该故障诊断方法计算简单，计算量小，有效提高故障定位效率，且仅在阀控屏柜增加判别逻辑，不需要额外的硬件改造；此外，由于计算周期可以实现跨多个控制周期，降低了对电压/电流互感器的采样频率要求。

Description

半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法及系统

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法及系统。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有无需大量IGBT串联、功率器件承受电压变化率低且开关频率低、交流输出波形谐波含量低等优点。目前世界上在建的柔性直流输电工程大多采用模块化多电平换流器，即模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)。半桥型子模块结构作为构成MMC的常用基本单元，其运行过程中故障状态的及时诊断与隔离对保障整个直流输电系统的安全稳定运行意义重大。

由于MMC中的子模块个数较多，基于子模块的硬件保护电路设计复杂，需要根据单个子模块电容电压、桥臂电流以及子模块开关反馈信号在线检测子模块自身是否发生故障及相应的故障类型。此外，该故障检测方式，需在每个控制周期中实时地逐一计算各个子模块的电容电压增量等指标系数，运算量较大，工作效率低。

发明内容

本发明的目的旨在至少能解决上述的技术缺陷之一，特别是现有技术中半桥型MMC-HVDC的子模块进行故障检测时，需在每个控制周期中实时地逐一计算各个子模块的电容电压增量、故障判据等指标系数，存在运算量较大、工作效率较低的技术缺陷。

本发明提供了一种半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法，包括：

获取半桥型MMC-HVDC换流阀的桥臂在当前计算周期内对应的桥臂电压变化量和桥臂电流，以及所述桥臂子模块个数、子模块电容值；

根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据，通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型；

确定所述桥臂子模块的电容电压变化量，根据电容电压变化量和所述故障类型定位故障子模块。

可选地，根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据的步骤之前，还包括：

根据所述桥臂所有子模块在当前计算周期内的电容电压变化量确定桥臂电压变化量，并确定所述桥臂电流在当前计算周期内的桥臂电流积分值的绝对值。

可选地，根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据的步骤，包括：

根据所述子模块电容值、桥臂子模块个数、所述桥臂电压变化量、所述桥臂电流以及所述桥臂电流积分值的绝对值，计算子模块的故障启动判据，计算公式如下：

其中，λ为故障启动判据，C₀为子模块电容值，u_arm为桥臂所有子模块电容电压测量值之和，Δu_arm为一个计算周期中桥臂所有子模块的电容电压变化量之和，即桥臂电压变化量，i_arm为桥臂电流，|∫i_arm|为一个计算周期的桥臂电流积分值的绝对值，N_{on_ctrl}为有效的子模块投入个数，ε₀为桥臂电流积分值的绝对值对应的门槛值，一个计算周期包含多个控制周期。

可选地，通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型的步骤之前，还包括：

根据当前计算周期内的桥臂电流确定对应的桥臂电流绝对值的积分值，并将所述桥臂电流绝对值的积分值与电流取绝对值后积分的门槛值之间做比对；

若大于所述桥臂电流取绝对值后积分的门槛值，则排除子模块反向并联二极管回路开路故障的情况；

若小于所述桥臂电流取绝对值后积分的门槛值，则判断为子模块反向并联二极管开路故障。

可选地，通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型的步骤，包括：

所述子模块的故障类型的判断如下：

其中，λ为故障启动判据，k为可靠系数，N为桥臂子模块个数，T₁、T₂均为IGBT管。

可选地，确定所述桥臂子模块的电容电压变化量包括：确定所述桥臂在当前计算周期内所有子模块的电容电压变化量、所有投入的子模块的电容电压变化量，以及所有切除的子模块的电容电压变化量。

可选地，根据电容电压变化量和所述故障类型定位故障子模块的步骤，包括：

若为子模块IGBT短路故障，则确定所有子模块中电容电压变化量最大的子模块为故障子模块；

若为子模块T₁开路故障，则确定所有投入的子模块中电容电压变化量最小的子模块为故障子模块；

若为子模块T₂开路故障，则确定所有切除的子模块中电容电压变化量最大的子模块为故障子模块。

本发明还提供了一种半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断系统，包括：

数据获取单元，用于获取半桥型MMC-HVDC换流阀的桥臂在当前计算周期内对应的桥臂电压变化量和桥臂电流，以及所述桥臂子模块个数、子模块电容值；

故障类型判断单元，用于根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据，通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型；

故障定位单元，用于确定所述桥臂子模块的电容电压变化量，根据电容电压变化量和所述故障类型定位故障子模块。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的一种半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法及系统，在获取半桥型MMC-HVDC换流阀的桥臂在当前计算周期内对应的桥臂电压变化量和桥臂电流，以及所述桥臂子模块个数、子模块电容值；根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据，通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型；确定所述子模块的电容电压变化量，根据电容电压变化量和所述故障类型定位故障子模块。

本发明提出的基于整个桥臂所有子模块的桥臂电压变化量和桥臂电流的子模块故障诊断及故障类型判别方法，该计算周期包括多个控制周期，从而可以通过跨控制周期计算桥臂电压变化量和桥臂电流的关系，实现桥臂子模块故障的诊断，同时定位故障子模块；该方法计算简单，计算量小，有效提高工作效率，且本方法仅在阀控屏柜增加判别逻辑，不需要额外的硬件改造；此外，由于计算周期可以实现跨多个控制周期，降低了对电压/电流互感器的采样频率要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的半桥型MMC-HVDC的拓扑结构示意图；

图3为本发明实施例提供的半桥型MMC-HVDC的子模块拓扑结构示意图；

图4为本发明实施例提供的半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断及故障类型判别方法流程示意图；

图5为本发明实施例提供的整流侧换流阀A相上桥臂子模块1发生T₁短路故障时的仿真波形；

图6为本发明实施例提供的整流侧换流阀A相上桥臂子模块1发生T₂短路故障时的仿真波形图；

图7为本发明实施例提供的整流侧换流阀A相上桥臂子模块1发生T₁开路故障时的仿真波形图；

图8为本发明实施例提供的整流侧换流阀A相上桥臂子模块1发生T₂开路故障时的仿真波形图；

图9为本发明实施例提供的一种半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断系统的结构示意图。

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。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像本申请实施例中一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法的流程示意图；如图1所示，本发明实施例提供了一种半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法，具体包括如下步骤：

S110：获取半桥型MMC-HVDC换流阀的桥臂在当前计算周期内对应的桥臂电压变化量和桥臂电流，以及所述桥臂子模块个数、子模块电容值。

本步骤中，由于半桥型MMC-HVDC中包含有多个子模块，各个子模块之间的拓扑图如图2所示，图2为本发明实施例提供的半桥型MMC-HVDC的拓扑结构示意图；图2中，SM₁，SM₂，…，SM_n表示MMC-HVDC某桥臂中第一个子模块，第二个子模块，…，第n个子模块。

其中，半桥型MMC-HVDC中的子模块拓扑图如图3所示，图3为本发明实施例提供的半桥型MMC-HVDC的子模块拓扑结构示意图；图3中，T₁、T₂分别表示半桥子模块中上下两个IGBT，D₁、D₂分别表示相应的IGBT对应的反并联二极管；i_arm为桥臂电流，U_c为子模块的电容电压。

因此，为了判断子模块的故障类型以及定位具体的故障子模块，需要获取当前计算周期内的桥臂电压变化量和桥臂电流，以及桥臂子模块个数、子模块电容值，这样，便可确定对应的故障启动判据，根据该故障启动判据来诊断具体的故障类型。

需要说明的是，这里的一个计算周期指的是包含多个控制周期的计算周期。由于半桥型MMC-HVDC的控制周期一般为50μs，若选取一个控制周期来计算，则要求子模块电容电压和桥臂电流的采样频率较高。而本发明的故障诊断算法中，一个计算周期可以跨多个控制周期，降低了对电压/电流互感器的采样频率要求。

S120：根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据，通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型。

本步骤中，通过步骤S110获取到了桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及各个子模块对应的电容值后，可根据这些数据来进一步确定故障启动判据。

举例来说，当系统正常运行时，对子模块电容进行充放电的子模块个数与阀控系统开通的子模块个数相等；若出现子模块T₁短路，则当子模块切除时，即T₂导通时，子模块的电容被短路，电容瞬间放电，故障启动判据λ的数值会非常大；同理，若出现子模块T₂短路，则当子模块投入时，即T₁导通时，子模块的电容被短路，电容瞬间放电，故障启动判据λ的数值也会非常大；当桥臂电流小于0时，桥臂电流通过T₁或D₂流通，参见图3，若出现一个子模块中的T₁开路，则原先由T₁流通的电流被迫由D₂流通，实际进行放电的电容个数少了1个，所述故障启动判据满足1/2≤λ≤(N-1)/N，N为桥臂子模块个数；同理可得，当桥臂电流大于0时，桥臂电流通过T₂或D₁流通，若出现一个子模块的T₂开路，则原先由T₂流通的电流被迫由D₁流通，实际进行充电的电容个数多了1个，所述故障启动判据满足(N+1)/N≤λ≤2。

因此，当采集一个计算周期内的桥臂电压变化量、桥臂电流后，可根据桥臂子模块个数以及子模块电容值来确定对应的故障启动判据，这样，当系统非正常运行时，即可通过监测该故障启动判据，即可诊断系统是否出现故障。

另外，当检测到系统出现故障后，可进一步根据故障启动判据来判断故障类型；例如，若所述故障启动判据λ的绝对值|λ|大于2k，k为可靠系数，即桥臂电容电压变化很大，则该桥臂的子模块存在IGBT短路的故障；若所述故障启动判据满足1/2≤λ≤(N-1)/N，N为桥臂子模块个数，则该桥臂的子模块存在T₁开路故障；若所述故障启动判据满足(N+1)/N≤λ≤2，则该桥臂的子模块存在T₂开路故障。

S130：确定所述子模块的电容电压变化量，根据电容电压变化量和所述故障类型定位故障子模块。

本步骤中，通过步骤S120得到子模块的故障启动判据以及故障类型后，进一步地，可获取当前计算周期中所有子模块的电容电压变化量，进而根据所有子模块的电容电压变化量以及故障类型定位对应的故障子模块。

其中，当前计算周期中子模块的电容电压变化量包括所述桥臂在当前计算周期内所有子模块的电容电压变化量、所有投入的子模块的电容电压变化量，以及所有切除的子模块的电容电压变化量。

并且，当获取到当前计算周期中所有子模块的电容电压变化量后，可将所有子模块的电容电压变化量、所有投入的子模块的电容电压变化量，以及所有切除的子模块的电容电压变化量进行排序，并与之前测得的故障类型之间进行结合，定位故障子模块。

举例来说，如果检测到的故障类型为子模块IGBT短路故障，则选择所有子模块中电容电压变化量最大的子模块为故障子模块；如果检测到的故障类型为子模块T₁开路故障，则选择所有投入的子模块中电容电压变化量最小的子模块为故障子模块；如果检测到的故障类型为子模块T₂开路故障，则选择所有切除的子模块中电容电压变化量最大的子模块为故障子模块。

上述实施例提出的基于整个桥臂所有子模块的桥臂电压变化量和桥臂电流的子模块故障诊断及故障类型判别方法，该计算周期包括多个控制周期，从而可以通过跨控制周期计算桥臂电压变化量和桥臂电流的关系，实现桥臂子模块故障的诊断，同时定位故障子模块；该方法计算简单，计算量小，有效提高工作效率，且本方法仅在阀控屏柜增加判别逻辑，不需要额外的硬件改造；此外，由于计算周期可以实现跨多个控制周期，降低了对电压/电流互感器的采样频率要求。

在一个实施例中，步骤S120中根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据的步骤之前，还包括：根据所述桥臂所有子模块在当前计算周期内的电容电压变化量之和确定桥臂电压变化量，并确定所述桥臂电流在当前计算周期内的桥臂电流积分值的绝对值。

在一个实施例中，步骤S120中根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据的步骤，可以包括：

根据所述桥臂电压变化量、所述桥臂电流、所述桥臂子模块个数、所述子模块电容值以及所述桥臂电流积分值的绝对值，计算子模块的故障启动判据，计算公式如下：

其中，λ为故障启动判据，C₀为子模块电容值，u_arm为桥臂所有子模块电容电压测量值之和，Δu_arm为一个计算周期中桥臂所有子模块的电容电压变化量之和，即桥臂电压变化量，i_arm为桥臂电流，|∫i_arm|为一个计算周期的桥臂电流积分值的绝对值，N_{on_ctrl}为有效的子模块投入个数，ε₀为桥臂电流积分值的绝对值对应的门槛值，一个计算周期可包含多个控制周期。

本实施例中，N_{on_ctrl}为有效的子模块投入个数，即阀控系统给出的投入子模块为剔除了在计算周期中投入或切除的子模块；ε₀为电流积分的门槛值，若桥臂电流值过小，则定义λ为固定值1，以实现有效滤除电流过零点，避免电流过零点引起的电流积分过小对故障启动判据λ计算的影响，同时避免一个计算周期中既包含子模块充电过程又包含子模块放电过程。

另外，由于各个子模块的电容电压u₀和流过子模块的桥臂电流i₀满足i₀＝C₀(du₀/dt)，取其积分形式为∫i＝C₀Δu₀。因此，从整个桥臂的外特性可以得到，所有开通的子模块串联在一起，则有∫i_arm＝C_eqΔu_arm，其等效电容C_eq为C₀/N_on，N_on为实际开通的子模块个数。因此，λ＝N_on/N_{on_ctrl}，N_{on_ctrl}为阀控系统给出的投入子模块个数。

当桥臂子模块都正常运行时，实际开通子模块个数与阀控系统给出的投入子模块个数相等，因此有N_on＝N_{on_ctrl}，即λ等于1。

若出现子模块T₁短路，则当子模块切除时，即T₂导通时，子模块的电容被短路，电容瞬间放电，在一个计算周期中故障子模块的电容电压变化量很大，因此Δu_arm也很大，故障启动判据λ的数值也很大；同理，若出现子模块T₂短路，则当子模块投入时，即T₁导通时，子模块的电容被短路，电容瞬间放电，在一个计算周期中故障子模块的电容电压变化量很大，因此Δu_arm也很大，故障启动判据λ的数值也很大。

若出现一个子模块中的T1开路，则原先由T1流通的电流被迫由D2流通，实际进行放电的电容个数少了1个，所述故障启动判据满足1/2≤λ≤(N-1)/N，N为桥臂子模块个数；若出现一个子模块的T2开路，则原先由T2流通的电流被迫由D1流通，实际进行充电的电容个数多了1个，所述故障启动判据满足(N+1)/N≤λ≤2。

在一个实施例中，如图4所示，图4为发明实施例提供的半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断及故障类型判别方法流程示意图；步骤S120中通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型的步骤之前，还可以包括：

S121：根据当前计算周期内的桥臂电流确定对应的桥臂电流绝对值的积分值，并将所述桥臂电流绝对值的积分值与桥臂电流取绝对值后积分对应的门槛值之间做比对；

S122：若大于所述桥臂电流取绝对值后积分的门槛值，则排除子模块反向并联二极管回路开路故障的情况；

S123：若小于所述桥臂电流取绝对值后积分的门槛值，则判断为子模块反向并联二极管开路故障。

本实施例中，子模块中反并联二极管D₁和D₂开路的判据为：

∫|i_arm|＜ε₁

其中，ε₁为电流取绝对值后积分的门槛值，该判据用于判别控制周期内出现电流断流现象，以判定反向二极管开路故障。

具体参见图4，当桥臂电流绝对值的积分值大于桥臂电流取绝对值后积分的门槛值，则排除子模块反向并联二极管回路开路故障的情况；当小于桥臂电流取绝对值后积分的门槛值，则判断为子模块反向并联二极管开路故障。出现电流断流之后，需要继续综合多个控制周期中子模块轮换投入和切除的过程断流现象是否存在或消失，采取排除法进行故障定位。

在一个实施例中，步骤S120中通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型的步骤，可以包括：

所述子模块的故障类型的判断如下：

其中，λ为故障启动判据，k为可靠系数，N为桥臂子模块个数，T₁、T₂均为IGBT管。

本实施例中，如图4所示，当检测到系统出现故障后，可进一步根据故障启动判据来判断故障类型；例如，若所述故障启动判据λ的绝对值|λ|大于2k，k为可靠系数，N为桥臂子模块个数，即桥臂电容电压变化很大，则该桥臂的子模块存在IGBT短路的故障；若所述故障启动判据满足1/2≤λ≤(N-1)/N，则该桥臂的子模块存在T₁开路故障；若所述故障启动判据满足(N+1)/N≤λ≤2，则该桥臂的子模块存在T₂开路故障。

下面以一个示例来进行说明，假设双端柔性直流输电系统的交流系统电压为220kV，系统阻抗整流侧为(5.0+j7.5)Ω，逆变侧为(6.0+j8.0)Ω，额定直流电压为±200kV，系统额定容量为400MW，运行功率为320MW，每个桥臂的子模块个数为8，桥臂电抗为0.02H，子模块电容值为3000μF，二极管开通等效电阻0.01Ω，子模块短路或开路故障的时间为0.5s。

通过上述数据进行仿真实验，其仿真波形如图5-图9所示，其中，图5为本发明实施例提供的整流侧换流阀A相上桥臂子模块1发生T₁短路故障时的仿真波形；图6为本发明实施例提供的整流侧换流阀A相上桥臂子模块1发生T₂短路故障时的仿真波形图；图7为本发明实施例提供的整流侧换流阀A相上桥臂子模块1发生T₁开路故障时的仿真波形图；图8为本发明实施例提供的整流侧换流阀A相上桥臂子模块1发生T₂开路故障时的仿真波形图。

由于子模块个数为8，当N_on<N_{on_ctrl}时，0.5≤λ≤0.875；当N_on>N_{on_ctrl}时，1.143≤λ≤2。因此，本实施例的判据为：

(1)仿真实例1：整流侧换流阀A相上桥臂子模块1发生T₁短路故障，所有子模块的电容电压总和、A相上桥臂电流、子模块1的T₁开通信号以及判据λ的仿真波形如图5所示。

由图5可知，当子模块1的T₁发生短路故障时，若此时T₁关断，T₂开通，则此时子模块电容短路，该子模块电容电压快速跌落，保护判据λ远大于1。由于加了-10到10的限幅环节，因此最大值为10。

(2)仿真实例2：整流侧换流阀A相上桥臂子模块1发生T₂短路故障，所有子模块的电容电压总和、A相上桥臂电流、子模块1的T₁开通信号以及判据λ的仿真波形如图6所示。

由图6可知，当T₂在0.5s发生短路故障时，由于此时子模块1的T₁没有开通，因此，一开始电容没有放电。直至T₁开通之后，电容放电，电压跌落很大，λ远远小于1，由于限幅环节的存在，λ跌落至-10。

(3)仿真实例3：整流侧换流阀A相上桥臂子模块1发生T₁开路故障，所有子模块的电容电压总和、A相上桥臂电流、子模块1的T₁开通信号以及判据λ的仿真波形如图7所示。

由图7可知，当T₁在0.5s发生开路故障时，一开始由于T₁没有开通，因此λ仍为1。直至大约0.54s时，阀控触发T₁开通但其开路。此时λ的计算值为0.51，判断为T₁开路故障。

(4)仿真实例4：整流侧换流阀A相上桥臂子模块1发生T₂开路故障，所有子模块的电容电压总和、A相上桥臂电流、子模块1的T₁和T₂开通信号以及判据λ的仿真波形如图8所示。

由图8可知，当T₂在0.5s发生开路故障时，一开始由于T₂没有开通，因此λ仍为1。直至大约0.56s时，阀控触发T₂开通但其开路。此时λ的计算值为1.14，判断为T₂开路故障。

在一个实施例中，确定所述子模块的电容电压变化量可以包括：确定所述桥臂在当前计算周期内所有子模块的电容电压变化量、所有投入的子模块的电容电压变化量，以及所有切除的子模块的电容电压变化量。

在一个实施例中，步骤S130中根据电容电压变化量和所述故障类型定位故障子模块的步骤，可以包括：

S131：若为子模块IGBT短路故障，则确定所有子模块中电容电压变化量最大的子模块为故障子模块；

S132：若为子模块T₁开路故障，则确定所有投入的子模块中电容电压变化量最小的子模块为故障子模块；

S133：若为子模块T₂开路故障，则确定所有切除的子模块中电容电压变化量最大的子模块为故障子模块。

本实施例中，子模块故障启动判据满足后，定位故障子模块的判据包括以下三种情况：

若为子模块IGBT短路故障，则确定所有子模块中电容电压变化量最大的子模块为故障子模块，第i个子模块为故障子模块的判据为：Δu_c(i)＝max(Φ(Δu_c))；

若为子模块T₁开路故障，则所有投入的子模块中电容电压变化量最小的子模块为故障子模块，第i个子模块为故障子模块的判据为：Δu_c(i)＝min(Φ_in(Δu_c))；

若为子模块T₂开路故障，则所有切除的子模块中电容电压变化量最大的子模块为故障子模块，第i个子模块为故障子模块的判据为：Δu_c(i)＝max(Φ_out(Δu_c))。

其中，u_c为子模块电容电压，u_c(i)为第i个子模块的电容电压，Φ(Δu_c)为桥臂所有子模块的电容电压集合，Φ_in(Δu_c)为所有投入的子模块的电容电压集合，Φ_out(u_c)为所有切除的子模块的电容电压集合。

在一个实施例中，如图9所示，图9为本发明实施例提供的一种半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断系统的结构示意图；本发明还提供一种半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断系统，包括数据获取单元110、故障类型判断单元120、故障定位单元130，具体包括如下：

数据获取单元110，用于获取半桥型MMC-HVDC换流阀的桥臂在当前计算周期内对应的桥臂电压变化量和桥臂电流，以及所述桥臂子模块个数、子模块电容值；

故障类型判断单元120，用于根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据，通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型；

故障定位单元130，用于确定所述子模块的电容电压变化量，根据电容电压变化量和所述故障类型定位故障子模块。

上述实施例中提出的基于整个桥臂所有子模块的桥臂电压变化量和桥臂电流对应的子模块故障诊断及故障类型判别方法，该计算周期包括多个控制周期，从而可以通过跨控制周期计算桥臂电压变化量和桥臂电流的关系，实现桥臂子模块故障的诊断，同时定位故障子模块；该方法计算简单，计算量小，有效提高工作效率，且本方法仅在阀控屏柜增加判别逻辑，不需要额外的硬件改造；此外，由于计算周期可以实现跨多个控制周期，降低了对电压/电流互感器的采样频率要求。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法，其特征在于，包括：

获取半桥型MMC-HVDC换流阀的桥臂在当前计算周期内对应的桥臂电压变化量和桥臂电流，以及所述桥臂子模块个数、子模块电容值；

根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据，通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型；

确定所述子模块的电容电压变化量，根据电容电压变化量和所述故障类型定位故障子模块。

2.根据权利要求1所述的半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法，其特征在于，根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据的步骤之前，还包括：

根据所述桥臂所有子模块在当前计算周期内的电容电压变化量之和确定桥臂电压变化量，并确定所述桥臂电流在当前计算周期内的桥臂电流积分值的绝对值。

3.根据权利要求2所述的半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法，其特征在于，根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据的步骤，包括：

根据所述子模块电容值、桥臂子模块个数、所述桥臂电压变化量、所述桥臂电流以及所述桥臂电流积分值的绝对值，计算子模块的故障启动判据，计算公式如下：

其中，λ为故障启动判据，C₀为子模块电容值，u_arm为桥臂所有子模块电容电压测量值之和，Δu_arm为一个计算周期中桥臂所有子模块的电容电压变化量之和，即桥臂电压变化量，i_arm为桥臂电流，|∫i_arm|为一个计算周期的桥臂电流积分值的绝对值，N_{on_ctrl}为有效的子模块投入个数，ε₀为桥臂电流积分值的绝对值对应的门槛值，一个计算周期包含多个控制周期。

4.根据权利要求1所述的半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法，其特征在于，通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型的步骤之前，还包括：

根据当前计算周期内的桥臂电流确定对应的桥臂电流绝对值的积分值，并将所述桥臂电流绝对值的积分值与桥臂电流取绝对值后积分的门槛值之间做比对；

若大于所述桥臂电流取绝对值后积分的门槛值，则排除子模块反向并联二极管回路开路故障的情况；

若小于所述桥臂电流取绝对值后积分的门槛值，则判断为子模块反向并联二极管开路故障。

5.根据权利要求4所述的半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法，其特征在于，通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型的步骤，包括：

所述子模块的故障类型的判断如下：

其中，λ为故障启动判据，k为可靠系数，N为桥臂子模块个数，T₁、T₂均为IGBT管。

6.根据权利要求5所述的半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法，其特征在于，确定所述子模块的电容电压变化量包括：确定所述桥臂在当前计算周期内所有子模块的电容电压变化量、所有投入的子模块的电容电压变化量，以及所有切除的子模块的电容电压变化量。

7.根据权利要求6所述的半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断方法，其特征在于，根据电容电压变化量和所述故障类型定位故障子模块的步骤，包括：

若为子模块IGBT短路故障，则确定所有子模块中电容电压变化量最大的子模块为故障子模块；

若为子模块T₁开路故障，则确定所有投入的子模块中电容电压变化量最小的子模块为故障子模块；

若为子模块T₂开路故障，则确定所有切除的子模块中电容电压变化量最大的子模块为故障子模块。

8.一种半桥型MMC-HVDC的子模块故障诊断系统，其特征在于，包括：

数据获取单元，用于获取半桥型MMC-HVDC换流阀的桥臂在当前计算周期内对应的桥臂电压变化量和桥臂电流，以及所述桥臂子模块个数、子模块电容值；

故障类型判断单元，用于根据所述桥臂电压变化量、桥臂电流、桥臂子模块个数以及子模块电容值确定子模块的故障启动判据，通过所述故障启动判据判断所述子模块的故障类型；

故障定位单元，用于确定所述子模块的电容电压变化量，根据电容电压变化量和所述故障类型定位故障子模块。

Images