CN112688581A - 一种模块化多电平变换器的传感器故障综合诊断及穿越方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子设备故障诊断和故障穿越技术领域，一种模块化多电平变换器的传感器故障综合诊断及穿越方法，通过对比交流输出侧电流传感器测得值与输出电流参考值来检测和定位交流输出侧电流传感器故障；通过对比上一控制周期的开关状态、子模块电容充放电情况和桥臂电流传感器测得值来检测和定位桥臂电流传感器故障；通过对比同一桥臂上不同子模块电压传感器的差值来检测和定位子模块电压传感器故障。本发明实现了MMC传感器的故障诊断和故障穿越，在不增加原有MMC拓扑结构的基础上，实现多传感器和多类型传感器快速、准确的检测和定位，同时可以完成多传感器和多类型传感器的故障穿越，使MMC在传感器故障状态下也能长时间平稳运行。

Description

一种模块化多电平变换器的传感器故障综合诊断及穿越方法
技术领域
本发明属于电力电子设备故障诊断和故障穿越技术领域，具体涉及一种模块化多电平变换器的电压和电流传感器故障的综合诊断和穿越方法。
背景技术
模块化多电平变换器因其具有模块化设计、扩展性强、运行损耗小、输出波形高等优点，近几年在高压等级、大传输容量场合得到了越来越广泛的应用。由于其电压和电流传感器使用的数量较大，故MMC传感器故障诊断和故障穿越技术可以提高其运行的可靠性和安全性。
目前，对于电力电子变换器的传感器诊断和穿越技术还只局限于传统的桥式拓扑结构，目前还没有针对MMC这一拓扑结构的传感器故障进行诊断和故障穿越，故提出一种MMC传感器的综合诊断和穿越方法，具有一定的意义。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种模块化多电平变换器的传感器故障的综合诊断和穿越方法，本发明提供的方法可以同时实现诊断和定位多个而且不同种类的传感器故障，并在无冗余的情况下实现故障穿越，该方法提高了MMC传感器故障诊断的综合性，并且具有快速性、可靠性和实用性特点。
本发明提供以下技术方案：
本发明所描述的传感器故障为硬故障，即传感器完全失效。
一种模块化多电平变换器的传感器故障综合诊断及穿越方法，包括以下步骤：
(1)根据MMC拓扑结构建立正常运行状态下传感器反馈系统
MMC控制反馈系统主要由三个交流侧输出电流传感器、三个桥臂电流传感器和子模块电容电压传感器构成；并获得各传感器电气信息用于诊断，包括三相交流侧电流值ijo、三个下桥臂电流值iNj(或上桥臂电流值iPj)和各子模块电容电压值；上桥臂电流值通过iPj＝ijo+iNj构造获得；
(2)诊断交流侧输出电流传感器故障位置，并进行故障穿越
通过输出电流的设定参考值
Figure BDA0002823242030000021
与交流侧电流值ijo进行比较，如果偏差值
Figure BDA0002823242030000022
大于设定的阈值，则该交流侧输出电流传感器故障，阈值取决于交流侧输出电流传感器的精度和主电路各器件的参数值，其中j为a、b、c三相电，Ijo为a、b、c三相输出电流的最大值；同时根据基尔霍夫定律iao+ibo+ico＝0，用另外两相交流侧输出电流传感器构造出故障传感器的实际值；
(3)诊断子模块电容电压传感器故障位置，并进行故障穿越
在子模块电容电压传感器正常工作情况下，同一桥臂的电容电压值几乎相等，通过分别比较同一桥臂上不同子模块电容电压值，其中某个子模块电容电压值与其他子模块的电容电压偏差值表示为
Figure BDA0002823242030000023
式中，Udc为直流侧电压值，N为每个桥臂的子模块数，ucPjy为j相上、下桥臂第y个子模块的电容电压，ucNjY为同一桥臂其他子模块电容电压；如果偏差值gc大于设定的阈值，则该子模块电容电压传感器发生故障，该阈值取决于子模块电容电压传感器的精度和主电路各器件的参数值；同时该子模块电压值用同一桥臂其他子模块电压传感器值的平均值代替，并保持故障子模块的投入次数与其他子模块的相等，尽可能的保证电容电压平衡，完成故障穿越；
(4)诊断桥臂电流传感器故障位置，并进行故障穿越
桥臂电流iXj与其桥臂上子模块电容电压uc关系为
Figure BDA0002823242030000024
根据欧拉公式离散化，得到桥臂电流k时刻的离散方程为
Figure BDA0002823242030000031
式中，C为子模块电容值，Gc为该子模块投入状态，取值1为投入状态，取值0为切除状态，Ts为采样周期；k时刻桥臂电流传感器的实测值iXj(k)与计算值参考值
Figure BDA0002823242030000032
比较，如符号不相同，则判断出该相桥臂电流传感器故障；判断此类故障，应多次判断是否连续发生故障信号，以避免桥臂电流值在零点附近发生的误诊断；同时由于桥臂电流只作用于子模块电容电压均衡控制，只需要提供方向即可，根据桥臂电流和输出电流特性，故将上桥臂电流值用交流侧电流值代替，下桥臂电流值用交流侧电流值的负值代替，完成故障穿越。
本发明的有益效果：
(1)本发明方法首次实现了MMC传感器的故障的综合诊断。
(2)本发明方法首次实现了MMC各类传感器的故障穿越。
(3)本发明方法只需要原有的电子器件，从而避免增加额外的硬件电路，节约成本。
(4)本发明方法可以实现快速诊断，诊断时间短至若干采样周期，故障穿越过后可以长时间保持MMC的稳定运行。
附图说明
图1为本发明MMC图谱结构和传感器配置图。
图2为本发明MMC传感器故障诊断信号图，其中图2(a)为三相交流侧电流传感器和三相下桥臂电流传感器诊断信号图，图2(b)为a相上、下桥臂全部六个子模块电压传感器诊断信号图。
图3为本发明MMC传感器故障诊断和故障穿越实验结果示意图，其中图3(a)为交流侧三相电流实验结果图，其中图3(b)为a相上、下桥臂电流实验结果图，其中图3(c)为a相上、下桥臂全部6个子模块电容电压实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
本实施例提供一种基于相关性分析的模块化多电平变换器的子模块故障定位方法，包括以下步骤：
(1)根据MMC拓扑结构建立正常运行状态下传感器反馈系统；
(2)诊断出交流侧电流传感器故障位置，并进行故障穿越；
(3)诊断出子模块电容电压传感器故障位置，并进行故障穿越；
(4)诊断出桥臂电流传感器故障位置，并进行故障穿越。
在本实施例中，所述步骤(1)具体包括以下内容：如图1，MMC控制反馈系统由三个交流侧输出电流传感器，三个桥臂电流传感器和子模块电容电压传感器构成。并获得各传感器电气信息用于诊断，包括三相交流侧电流值ijo，三个下桥臂电流值iNj，和各子模块电容电压值；上桥臂电流值通过iPj＝ijo+iNj构造获得。
在本实施例中，所述步骤(2)具体包括以下内容：以a相交流侧电流传感器故障为例，通过输出电流的设定参考值
Figure BDA0002823242030000041
与交流侧电流传感器实测值iao进行比较，如果偏差值
Figure BDA0002823242030000042
大于10％，则该传感器故障。同时根据基尔霍夫定律iao+ibo+ico＝0，用b、c两相电流传感器构造出a相传感器的实际值。
在本实施例中，所述步骤(3)具体包括以下内容：以a相下桥臂第1个子模块电容电压传感器ucNa1故障为例，在子模块电压传感器正常工作情况下，a相下桥臂3个子模块电容电压值几乎相等，a相下桥臂第1个子模块电容电压传感器ucNa1与其他子模块电容电压传感器ucNay的偏差值为
Figure BDA0002823242030000051
如偏差值gcNa1大于10％，则a相下桥臂第1个电压传感器出现故障。同时ucNa1的值用a相下桥臂其他子模块电压传感器值的平均值
Figure BDA0002823242030000052
代替，并保持故障子模块的投入次数与其他子模块的相等，尽可能的保证电容电压平衡，完成故障穿越。
在本实施例中，所述步骤(4)具体包括以下内容：以a相下桥臂电流传感器故障为例，a相下桥臂电流值iNa与a相下桥臂第1个子模块电容电压ucPa1关系为
Figure BDA0002823242030000053
其中，C为子模块电容值，根据欧拉公式离散化，得到桥臂电流k时刻的离散方程为
Figure BDA0002823242030000054
GcNa1为该子模块投入状态，取值1为投入状态，取值0为切除状态，Ts为采样周期。k时刻桥臂电流传感器的实测值iNj(k)与计算值参考值
Figure BDA0002823242030000055
比较，如符号不相同，则判断出该相桥臂电流传感器故障。同时由于桥臂电流只作用于子模块电容电压均衡控制，只需要提供方向即可，根据桥臂电流和输出电流特性，故将a相上桥臂电流值iPa用交流侧电流值iao代替，下桥臂电流值iNa用交流侧电流值的负值-iao代替，完成故障穿越。
为了更加清楚地描述该实施例，图2和图3给出了该实施例下的仿真实验结果。该实验用到的参数如表1所示。
图2为传感器故障的诊断结果。在0.3s时a相上桥臂第2个子模块电压传感器发生故障，在0.4s时a相交流侧电流传感器和下桥臂第1个子模块电压传感器发生故障，在0.5s时a相下桥臂电流传感器发生故障，其他传感器都没有故障信号，没有发生误诊断。
图3为示波器测得各物理量和传感器测得物理量的波形。图3(a)中三相交流侧实际输出电流在故障前后无明显变化，a相电流传感器在0.4s处发生故障，其值
Figure BDA0002823242030000061
变为0；图3(b)中实际a相上、下桥臂电流在故障前后无明显变化，a相下桥臂电流传感器在0.5s处发生故障，其值
Figure BDA0002823242030000062
变为0；图3(c)中a相上、下桥臂全部6个子模块的电压波形，皆与故障前后无明显变化，a相上桥臂第2个子模块电压传感器0.3s处发生故障，其值
Figure BDA0002823242030000063
变为0，a下桥臂第1个子模块电压传感器在0.4s处发生故障，其值
Figure BDA0002823242030000064
变为0。
以上仿真实验结果表明所实施的方案可以快速、准确的实现故障诊断，并且可以很好的实现故障穿越保证系统稳定运行。
表1
Figure BDA0002823242030000065

Claims (2)

1.一种模块化多电平变换器的传感器故障综合诊断及穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据MMC拓扑结构建立正常运行状态下传感器反馈系统
MMC控制反馈系统主要由三个交流侧输出电流传感器、三个桥臂电流传感器和子模块电容电压传感器构成；并获得各传感器电气信息用于诊断，包括三相交流侧电流值ijo、三个下桥臂电流值iNj或上桥臂电流值iPj和各子模块电容电压值；上桥臂电流值通过iPj＝ijo+iNj构造获得；
(2)诊断交流侧输出电流传感器故障位置，并进行故障穿越
通过输出电流的设定参考值
Figure FDA0002823242020000011
与交流侧电流值ijo进行比较，如果偏差值
Figure FDA0002823242020000012
大于设定的阈值，则该交流侧输出电流传感器故障，阈值取决于交流侧输出电流传感器的精度和主电路各器件的参数值，其中j为a、b、c三相电，Ijo为a、b、c三相输出电流的最大值；同时根据基尔霍夫定律iao+ibo+ico＝0，用另外两相交流侧输出电流传感器构造出故障传感器的实际值；
(3)诊断子模块电容电压传感器故障位置，并进行故障穿越
在子模块电容电压传感器正常工作情况下，同一桥臂的电容电压值几乎相等，通过分别比较同一桥臂上不同子模块电容电压值，其中某个子模块电容电压值与其他子模块的电容电压偏差值表示为
Figure FDA0002823242020000013
式中，Udc为直流侧电压值，N为每个桥臂的子模块数，ucPjy为j相上、下桥臂第y个子模块的电容电压，ucNjY为同一桥臂其他子模块电容电压；如果偏差值gc大于设定的阈值，则该子模块电容电压传感器发生故障，该阈值取决于子模块电容电压传感器的精度和主电路各器件的参数值；同时该子模块电容电压值用同一桥臂其他子模块电压传感器值的平均值代替，并保持故障子模块的投入次数与其他子模块的相等，尽可能的保证电容电压平衡，完成故障穿越；
(4)诊断桥臂电流传感器故障位置，并进行故障穿越
桥臂电流iXj与其桥臂上子模块电容电压uc关系为
Figure FDA0002823242020000021
根据欧拉公式离散化，得到桥臂电流k时刻的离散方程为
Figure FDA0002823242020000022
式中，C为子模块电容值，Gc为该子模块投入状态，取值1为投入状态，取值0为切除状态，Ts为采样周期；k时刻桥臂电流传感器的实测值iXj(k)与计算值参考值
Figure FDA0002823242020000023
比较，如符号不相同，则判断出该相桥臂电流传感器故障；判断此类故障，应多次判断是否连续发生故障信号，以避免桥臂电流值在零点附近发生的误诊断；同时由于桥臂电流只作用于子模块电容电压均衡控制，只需要提供方向即可，根据桥臂电流和输出电流特性，故将上桥臂电流值用交流侧电流值代替，下桥臂电流值用交流侧电流值的负值代替，完成故障穿越。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器的传感器故障综合诊断及穿越方法，其特征在于，步骤(4)，进行n次判断是否连续发生故障信号，以避免桥臂电流值在零点附近发生的误诊断，n值大小取决于采样频率和输出电流频率。
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