CN112540261B - 一种快速mmc子模块器件开路故障的检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法及系统，属于电压变换器领域，分为故障检测与定位和故障分类两个步骤，基于故障半桥子模块的电容器电压与正常子模块的电容器电压变化不同的特性，对MMC子模块上下IGBT发生开路故障后的子模块电容器电压在工频周期内进行积分，通过基于密度的聚类算法计算积分后每个子模块电容器电压的局部异常因子，从而实现对故障的快速检测。检测到故障发生后通过判断故障后正常子模块的电容器电压变化趋势对故障进行分类。同时，该方法不需要增加额外的硬件电路，可以对不同桥臂的单一故障、同桥臂的多故障、不同桥臂的多故障有效快速检测与诊断，实现算法简单，不受拓扑和控制策略限制。

Description

一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法及系统

技术领域

本发明属于电压变换器领域，更具体地，涉及一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法及系统。

背景技术

柔性直流输电是指一种基于电压源型换流器，常用于高电压的直流输电技术，这种新型的输电变电技术，既可以应用于小容量场景，对于大容量场景同样适用，对比常规的直流输电技术，有着性能优越、辅助设备少和更加适用于电网之间异步互联等优势，逐渐在输配电领域得到广泛关注与重视，将对电力系统发展产生重大影响。模块化多电平换流器(Modular Multilever Converter，MMC)因其子模块串联结构带来的高输出电能质量、高灵活性、低开关同步、模块化程度高需求等优势而在柔性直流输电中广泛关注与应用。因为系统容量的不断增大，MMC的级联子模块结构，造成了换流器中子模块数量不断增多，大量的子模块在运行过程中，其可靠性成了一个无法忽略的问题。其中因为开关器件实际制作工艺的水平有限，运行过程中开关器件不断的开通与关断以及器件非一致性带来的电压不均衡问题，导致开关器件故障是MMC子模块故障的主要形式。

针对MMC器件故障的检测与诊断是提高MMC子模块可靠性的关键，并且为了确保检测的实时进行且MMC正常稳定运行不受影响，需要故障检测与诊断方案做到非侵入式。子模块器件故障主要分为开路故障与短路故障，由于短路故障特性较为明显，因此通常在驱动中集成了短路故障处理方案，但开路故障现象并不明显，因此不易发现且容易被忽略。目前已有的MMC器件故障检测与诊断方法大多数分为故障的检测与定位两个步骤，降低了检测速度，增加了复杂程度，同时，无法完成故障的分类以及多故障检测。因此，需要提出更加完善优越的检测与诊断方案。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法及系统，用以解决现有方法检测与定位分开，速度慢、复杂程度高，并且不能进行故障分类的问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法，包括以下步骤：

S1、所列步骤均以MMC的a相上桥臂为例，将MMC桥臂中子模块电容器电压采样后的数据值存入长度为L的数组中，电压数据每更新一次，将最新的数据存入电压值数组中，并将最先存入的数据删除，保持电压值数组长度不变。

S2、电压值数组每更新一次，计算一次电压值数组内电压数据的积分值，并将每次积分后的数值存入每个子模块对应的电压值积分数组中。

S3、通过基于密度的聚类算法，对每次存入桥臂中子模块对应电压值积分数组中的值，计算局部异常因子，并将该计算结果存入每个子模块对应的局部异常因子数组中。

S4、判断计算得到的子模块电压积分值的局部异常因子值与设置的故障检测与定位局部异常因子判断阈值LOF_th的关系，如果子模块对应的局部异常因子值小于阈值，则无故障发生，等待下一次采样时刻的到来，跳转至步骤S1；如果子模块对应的局部异常因子值大于或者等于阈值，此时，检测到故障发生并定位到具体的子模块。

S5、检测到故障发生后，计算桥臂中所有子模块电容器电压积分值的中位数，通过中位数判断其他无故障发生子模块电容器电压的变化趋势，若电容器电压变化趋势为增大，则故障发生在子模块上的上开关管IGBT S_u；若电容器电压变化趋势为减小，则故障发生在子模块上的下开关管IGBT S_l，完成对故障的分类。

进一步优选地，通过对MMC子模块电容器电压积分，分析开路故障发生后子模块电容器电压的异常变化。

进一步优选地，当子模块上IGBT S_u开路故障发生后，在桥臂电流i_SM>0的情况下不会产生影响，但是当i_SM<0时，由于S_u开路，负的i_SM无法流过S_u，而是通过S_l反并联二极管D_l，此时子模块并没有被插入电路中，而是被旁路，S_u故障将使电容器少一个放电周期。当子模块下IGBT S_l开路故障发生后，在i_SM<0的情况下不会产生影响，但是当i_SM>0时，由于S_l开路，正的i_SM无法流过S_l，而是通过S_u反并联二极管D_u流过子模块电容器C_SM，此时子模块并没有被旁路，而是插入电路中，i_SM将给电容器充电，S_l故障将使电容器比正常情况下多一个充电周期。

开路故障将引起的子模块电容器电压异常变化，子模块电容器电压积分值

通过基于密度的聚类算法对桥臂中cap_{i_int}进行局部异常因子计算，通过计算得出的局部异常因子LOF_api与阈值LOF_th比较，检测并定位故障。其中，cap_i表示a相上桥臂第i个子模块电容器电压，t₁表示子模块电容器电压数组中最新数据存入的时刻，t₂表示子模块电容器电压数组中最早数据存入的时刻，其中，N表示a相上桥臂子模块数量，LOF_api表示为：

其中，

表示距离数据cap_{i_int}最近的k个数据的集合，cap_{k_int}(k≠i)表示存储桥臂中所有子模块电容器电压每次积分值数据的数组X中除了cap_{i_int}外任意一个数据值，

lrd_api表示为：

其中，reach-dist(cap_{i_int},cap_{k_int})表示数据cap_{i_int}到数据cap_{k_int}的可达距离，表示为：

reach-dist_k(cap_{i_int},cap_{k_int})＝max{d(cap_{i_int},cap_{k_int})，k-distance(cap_{i_int})}

其中，d(cap_{i_int},cap_{k_int})表示数据cap_{i_int}到数据cap_{k_int}的绝对距离，k-distance(cap_{i_int})表示与数据cap_{i_int}最近的第k个距离。

进一步优选地，若检测到故障并定位故障子模块，则对该桥臂中所有子模块电容器电压积分值求中位数，通过中位数分析在检测到故障时刻之后正常子模块电容器电压的总体变化趋势，若变化趋势为增加，则判定故障类型为S_u开路故障；若变化趋势为减少，则判定故障类型为S_l开路故障。

进一步优选地，本发明所提供的MMC子模块器件开路故障的检测方法可以同时对故障进行检测与定位，可以对故障进行分类，对单桥臂多故障及不同桥臂多故障情况同样适用。

本发明另一方面提供了快速MMC子模块器件开路故障的检测系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；计算机可读存储介质用于存储可执行指令；处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的快速MMC子模块器件开路故障的检测方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提出的一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法，通过对故障情况下子模块电容器电压的异常变化为基础，对子模块的电容器电压进行工频积分，通过基于密度的聚类算法计算电压积分值的局部异常因子，设置故障检测与定位的阈值LOF_th，通过比较两种值的大小快速检测并同时定位故障。在检测并定位故障之后通过比较两种故障情况下正常子模块电容器电压的变化趋势，对故障进行分类，可以将故障确定到具体的IGBT；

2、本发明提出的一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法，不需要增加额外的硬件电路，可以对不同桥臂的单一故障、同桥臂的多故障、不同桥臂的多故障有效快速检测与诊断，实现算法简单，适用于最基础的半桥子模块拓扑，不受拓扑和控制策略限制。

附图说明

图1为本发明提供的一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法流程图；

图2为本发明提供的MMC子模块上IGBT S_u和下IGBT S_l发生开路故障两类情况示意图；

图3为本发明提供的MMC的a相上桥臂子模块上IGBT S_u发生故障子模块电容器电压波形示意图；

图4为本发明提供的MMC的a相上桥臂子模块上IGBT S_u发生故障子模块电容器电压积分波形示意图；

图5为本发明提供的MMC的a相上桥臂子模块下IGBT S_l发生故障子模块电容器电压波形示意图；

图6为本发明提供的MMC的a相上桥臂子模块下IGBT S_l发生故障子模块电容器电压积分波形示意图；

图7为本发明提供的基于密度的聚类算法中对数据可达距离计算的示意图；

图8为本发明提供的MMC的a相上桥臂子模块上IGBT S_u发生故障，桥臂中子模块对应的电容器电压积分值局部离群因子示意图；

图9为本发明提供的MMC的a相上桥臂子模块上IGBT S_u和下IGBT S_l发生故障，a相上桥臂子模块对应的电容器电压积分值局部离群因子示意图；

图10为本发明提供的MMC的a相上桥臂子模块上IGBT S_u发生故障，检测并定位故障后桥臂中正常子模块电容器电压积分值变化趋势；

图11为本发明提供的MMC的a相上桥臂子模块上IGBT S_u和下IGBT S_l发生故障，故障发生及检测并定位故障后桥臂中正常子模块电容器电压积分值变化趋势。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了实现上述目的，本发明提出的一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、所列步骤均以MMC的a相上桥臂为例，将MMC桥臂中子模块电容器电压采样后的数据值存入长度为L的数组中，电压数据每更新一次，将最新的数据存入数组中，并将最先存入的数据删除，保持数组长度不变。

具体的，桥臂中每个子模块有一个对应的长度为L的电容器电压数组cap_i(i＝1,2，...，N)，本例中MMC输出电压频率f为50Hz，电容器电压采样频率f_s为5kHz，因此

S2、电压值数组每更新一次，计算一次数组内电压数据的积分值，并将每次积分后的数值存入每个子模块对应的电压值积分数组中。

具体的，如图2所示子模块上IGBT S_u开路故障发生后，在桥臂电流i_SM>0的情况下不会产生影响，但是当i_SM<0时，由于S_u开路，负的i_SM无法流过S_u，而是通过S_l反并联二极管D_l，此时子模块并没有被插入电路中，而是被旁路，S_u故障将使电容器少一个放电周期，此时电容器电压如图3所示，电容器电压积分值如图4所示。当子模块下IGBT S_l开路故障发生后，在i_SM<0的情况下不会产生影响，但是当i_SM>0时，由于S_l开路，正的i_SM无法流过S_l，而是通过S_u反并联二极管D_u流过子模块电容器C_SM，此时子模块并没有被旁路，而是插入电路中，i_SM将给电容器充电，S_l故障将使电容器比正常情况下多一个充电周期，此时电容器电压如图5所示，电容器电压积分值如图6所示。电容器电压数组cap_i(i＝1,2，...，N)每更新一次，计算一次该数组的积分值

并将计算得到的积分值存入每个子模块对应数组Cap_{i_int}(i＝1,2,...,N)中。其中，t₁表示子模块电容器电压数组中最新数据存入的时刻，t₂表示子模块电容器电压数组中最早数据存入的时刻。

S3、通过基于密度的聚类算法，对每次存入桥臂中子模块对应电压值积分数组中的值，计算局部异常因子，并将该计算结果存入每个子模块对应的局部异常因子数组中。

具体的，将每个子模块对应的电压值积分数组Cap_{i_int}(i＝1,2,...,N)中的数据存入一个长度为N的数组X，通过基于密度的聚类算法对X中的N数据进行局部异常因子计算，电容器电压数组cap_i(i＝1,2，...，N)每更新一次，每个子模块对应数组Cap_{i_int}(i＝1,2,...,N)和数组X同样更新一次，通过计算得出的局部异常因子LOF_api与阈值LOF_th比较，检测并定位故障。其中，LOF_api表示为：

其中，

表示距离X数组中数据cap_{i_int}最近的k个数据的集合，cap_{k_int}(k≠i)表示数组X中除了cap_{i_int}外任意一个数据值，

lrd_api表示为：

其中，reach-dist(cap_{i_int},cap_{k_int})表示数据cap_{i_int}到数据cap_{k_int}的可达距离，表示为：

reach-dist_k(cap_{i_int},cap_{k_int})＝max{d(cap_{i_int},cap_{k_int})，k-distance(cap_{i_int})}

其中，d(cap_{i_int},cap_{k_int})表示数据cap_{i_int}到数据cap_{k_int}的绝对距离，k-distance(cap_{i_int})表示与数据cap_{i_int}最近的第k个距离，如图7所示。k取值为经验取值，本例取值k＝5。

如果数组X中某个数据cap_{i_int}的局部离群因子LOF_api越接近1，说明该数据的邻域点密度差不多，该数据可能和邻域同属一簇，为正常数据；如果这个比值小于1，说明cap_{i_int}的密度高于其邻域点密度，cap_{i_int}为密集点，为正常数据；如果这个比值远大于1，说明cap_{i_int}的密度小于其邻域点密度，cap_{i_int}是离群数据。本例中为了保证方法的快速性和有效性，故障检测与定位局部异常因子判断阈值LOF_th设置为10。

S4、判断计算得到的子模块电压积分值的局部异常因子值是否大于或者等于设置的故障检测与定位局部异常因子判断阈值LOF_th，如果子模块对应的局部异常因子值小于阈值，则无故障发生，等待下一次采样时刻的到来，跳转至步骤S1；如果子模块对应的局部异常因子值大于或者等于阈值，此时，检测到故障发生并定位到具体的子模块。

具体的，每次上述数组中的数据更新，会进行一次离群值检测，若某个数据的局部离群因子大于或者等于阈值LOF_th，则检测到该数据所对应的子模块发生开路故障，故障检测及定位信号发出；若某个数据的局部离群因子小于阈值LOF_th，则无故障发生，跳转至步骤S1。

进一步地，如图8所示，在MATLAB/SIMULINK软件中对三相MMC进行仿真，在a相上桥臂子模块SM₁中设置上IGBT S_u故障，故障发生在0.224s，经过1.40ms故障子模块局部离群因子LOF_ap1达到15.895大于阈值LOF_th，检测到SM₁故障并定位。如图9所示，在a相上桥臂子模块SM₁中设置上IGBT S_u故障，故障发生在0.224s，同时在a相上桥臂子模块SM₂中设置下IGBTS_l故障，故障发生在0.332s。经过1.40ms故障子模块局部离群因子LOF_ap1达到15.895大于阈值LOF_th，检测到SM₁故障并定位；经过0.80ms故障子模块局部离群因子LOF_ap2达到11.186大于阈值LOF_th，检测到SM₂故障并定位。

S5、检测到故障发生后，计算桥臂中所有子模块电容器电压积分值的中位数，通过中位数判断其他无故障发生子模块电容器电压的变化趋势，若电容器电压变化趋势为增大，则故障发生在子模块上IGBT S_u；若电容器电压变化趋势为减小，则故障发生在子模块上IGBT S_l，完成对故障的分类。

具体的，当故障检测定位信号发出之后，则开始计算桥臂中电容器电压积分值数组X的中位数，中位数不会受到数组中离群值的影响，因此可以通过中位数反应正常子模块电容器电压值的变化趋势，若变化趋势为增加，则判定故障类型为S_u开路故障；若变化趋势为减少，则判定故障类型为S_l开路故障。

进一步地，当步骤S4中检测并定位故障后，如图10和图11所示，子模块中上IGBTS_u发生故障后正常子模块的电容器电压积分值变化趋势为增大；子模块中下IGBT S_l发生故障后正常子模块的电容器电压积分值变化趋势为减小。并且从图9和图11可以看出，本发明所提出的一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法对于同桥臂多故障情况同样适用。采用本发明提出的MMC子模块器件开路故障的检测方法，可以不增加额外的硬件电路，不影响MMC的正常运行，算法简单，有很好的快速性、准确性和适用性，可以对不同桥臂的单一故障、同桥臂的多故障、不同桥臂的多故障检测与诊断，可以同时对故障进行检测与定位，并可以对故障进行分类。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将MMC桥臂中子模块电容器电压采样后的数据值存入长度为L的数组中，电压数据每更新一次，将最新的数据存入电压值数组中，并将最先存入的数据删除，保持电压值数组长度不变；

S2、电压值数组每更新一次，计算一次电压值数组内电压数据的积分值，并将每次积分后的数值存入每个子模块对应的电压值积分数组中；子模块电容器电压积分值表示为：

其中，cap_i表示桥臂第i个子模块电容器电压，t₁表示子模块电容器电压数组中最新数据存入的时刻，t₂表示子模块电容器电压数组中最早数据存入的时刻，N表示桥臂子模块数量；

局部异常因子值LOF_api表示为：

其中，

表示距离数据cap_{i_int}最近的k个数据的集合，k≠i，cap_{k_int}表示桥臂中子模块电压积分数据组中除了cap_{i_int}外任意一个数据值，

lrd_api表示为：

其中，reach-dist(cap_{i_int},cap_{k_int})表示数据cap_{i_int}到数据cap_{k_int}的可达距离，表示为：

reach-dist_k(cap_{i_int},cap_{k_int})＝max{d(cap_{i_int},cap_{k_int})，k-distance(cap_{i_int})}

其中，d(cap_{i_int},cap_{k_int})表示数据cap_{i_int}到数据cap_{k_int}的绝对距离，k-distance(cap_{i_int})表示与数据cap_{i_int}最近的第k个距离；

S3、通过基于密度的聚类算法，对每次存入桥臂中子模块对应电压值积分数组中的值，计算局部异常因子，并将该计算结果存入每个子模块对应的局部异常因子数组中；

S4、判断计算得到的子模块电压积分值的局部异常因子值与设置的故障检测与定位局部异常因子判断阈值LOF_th的关系，如果子模块对应的局部异常因子值小于阈值，则无故障发生，等待下一次采样时刻的到来，跳转至步骤S1；如果子模块对应的局部异常因子值大于或者等于阈值，此时，检测到故障发生并定位到具体的子模块；

S5、检测到故障发生后，计算桥臂中所有子模块电容器电压积分值的中位数，通过中位数判断其他无故障发生子模块电容器电压的变化趋势，若电容器电压变化趋势为增大，则故障发生在子模块上的上开关管；若电容器电压变化趋势为减小，则故障发生在子模块上的下开关管，完成对故障的分类。

2.根据权利要求1所述的一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法，其特征在于，通过对MMC子模块电容器电压积分，分析开路故障发生后子模块电容器电压的异常变化。

3.根据权利要求1所述的一种快速MMC子模块器件开路故障的检测方法，其特征在于，步骤S5中，若检测到故障并定位故障子模块，则对该桥臂中所有子模块电容器电压积分值求中位数，通过中位数分析在检测到故障时刻之后正常子模块电容器电压的总体变化趋势，若变化趋势为增加，则判定故障类型为上开关管开路故障；若变化趋势为减少，则判定故障类型为下开关管开路故障。

4.一种快速MMC子模块器件开路故障的检测系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至3任一项所述的快速MMC子模块器件开路故障的检测方法。

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