CN112710950B - Mmc变流器的半桥子模块中开关管开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MMC变流器的半桥子模块中开关管开路故障诊断方法，该诊断方法由事件触发程序和IGBT开路故障诊断程序两部分组成：当某个半桥子模块电容电压超过事件触发程序设定的门限阈值区间时启动IGBT开路故障诊断程序；当该半桥子模块的电容电流状态观测值、电容电流理论值和子模块驱动函数S_i满足条件，则该半桥子模块的故障IGBT可以被准确的定位。本发明无需额外添加子模块电容电流传感器，可以广泛应用于现有MMC商业产品；通过电容电流状态观测器对电容电流实时观测并利用符号函数将电容电流的观测值符号化，使用本发明的方法对系统参数变化与采样扰动具有较强的抗干扰能力。

Description

MMC变流器的半桥子模块中开关管开路故障诊断方法

技术领域

本发明属于电力电子变流器故障诊断领域。

背景技术

由于MMC当中有数十个甚至上百个IGBT并且IGBT的故障占功率变换器总故障的21％，因此，对IGBT开路故障的快速与准确的诊断和定位技术是保证MMC稳定运行的关键。现有的故障诊断方法当中，相关文献提出了基于电容电压传感器的故障诊断技术，但是该故障诊断技术需要额外的传感器和检测电路，因此造成了硬件电路复杂和成本的升高；相关论文提出了基于卡尔曼滤波、滑模观测器等状态观测方法，但是相关的故障诊断方法只能定位至具体子模块而无法实现对具体IGBT的定位；基于人工智能的故障诊断方法也被相关文献提出，但是其算法计算量巨大，无法在DSP当中实现实时的故障诊断和定位；同时现有的故障诊断方法仅仅局限于特定的MMC子模块结构，存在算法移植性差等缺点。

发明内容

发明目的：为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了MMC变流器的半桥子模块中开关管开路故障诊断方法。

技术方案：本发明提供了一种MMC变流器的半桥子模块中开关管开路故障诊断方法，具体包括如下步骤：

步骤1：根据MMC变流器输出的电流有效值I_o，MMC变流器电压调制比m，MMC变流器输入侧电流值I_dc以及半桥子模块中电容的容值C_SM，计算电容电压波动幅值ΔU，并基于该ΔU设置触发阈值区间；

步骤2：为MMC变流器中每个半桥子模块设置事件触发标志位ET，将每个半桥子模块中的电容电压值与步骤1中的触发阈值区间进行比较，若某个半桥子模块的电容电压值不在该触发阈值区间的范围内，则将该半桥子模块对应的事件触发标志位置为1；

步骤3：针对任意一个事件触发标志位置为1的半桥子模块，根据当前时刻该半桥子模块中每个开关管的状态，建立开关状态函数S_xi(t)，并基于该开关状态函数S_xi(t)和该半桥子模块中桥臂的电流值i_x(t)计算该半桥子模块中电容电流的理论值i_{cxi_theo}(t)；同时对该半桥子模块中电容电流的观测值i_{cxi_obse}(t)进行状态观测；

步骤4：通过符号函数sgn将i_{cxi_theo}(t)和i_{cxi_obse}(t)转换为具有矢量意义的标识符F_theo和F_obse；

步骤5：通过F_theo，F_obse和当前时刻半桥子模块中每个开关管的状态，判断每个开关管是否发生开路故障。

进一步的，所述步骤1中ΔU为：

A为系数，ω₁为MMC变流器的输出电压基波角频率。

进一步的，所述步骤1中的触发阈值区间为为[U_c-ΔU,U_c+ΔU]，其中U_c为MMC变流器中半桥子模块的电容电压的平均值。

进一步的，所述步骤3中开关状态函数S_xi(t)为：

所述任意一个半桥子模块中均包括串联的两个开关管S₁和S₂，当开关管S₁开通，且开关管S₂关断时，S_xi(t)＝1；当开关管S₁关断，且开关管S₂开通时S_xi(t)＝0；

计算i_{cxi_theo}(t)具体为：

i_{cxi_theo}(t)＝S_xi(t)i_x(t)。

进一步的，所述步骤4具体为：

将i_{cxi_theo}(t)转换为具有矢量意义的标识符F_theo：

将i_{cxi_obse}(t)转换为具有矢量意义的标识符F_obse：

进一步的，所述步骤5具体为：为开关管S₁设置计数值CT，为开关管S₂设置计数值CT1；在桥臂电流小于0且S_xi(t)＝1的情况下，若F_theo＝-1，且F_obse＝0，则将计数值CT加1；在桥臂电流大于0且S_xi(t)＝0的情况下，若F_theo＝0，且F_obse＝1，则将计数值CT1加1；若在预设的时间内，CT数值超过预设的阈值，则认定开关管S₁存在开路故障，若在预设的时间内，CT1数值超过预设的阈值，则认定开关管S₂存在开路故障。

进一步的，所述步骤3中采用欧拉逼近方程对半桥子模块中电容电流的观测值i_{cxi_obse}(t)进行状态观测：

其中，u_{c_xi}(t)为当前时刻半桥子模块中电容电压值，u_{c_xi}(t-1)为上一个时刻半桥子模块中电容电压值，T_s为MMC变流器主控制程序的中断控制周期。

有益效果：发明提出了基于事件触发与电容电流状态观测器的IGBT开路故障诊断和定位方法，该方法将电流i_{cxi_theo}(t)和i_{cxi_obse}(t)符号化，从而无需准确估测电容电流值，只需观测电容电流的方向即可，因此该方法对故障诊断能够实现较好的抗干扰能力并且无需关注电容容值的变化。该方法能够在不增加额外硬件电路和传感器的前提下实现准确的IGBT开路故障诊断和定位。基于电容电流状态进行故障诊断和定位方法在实现了硬件电路不变的情况下，通过事件触发机理启动故障诊断和定位程序，在符合触发条件下才执行故障诊断程序，在MMC正常运行的条件下，故障诊断程序处于不执行状态，因此显著降低了DSP的计算量并有效节约了DSP计算空间。本发明的故障诊断方法采用电容电流状态观测器，且该状态观测器只依赖于电容电压，所以该方法在不同的子模块结构中都能够实现电容电流方向的状态观测，该方法可移植性好。本方法适用于不同结构子模块的IGBT开路故障诊断，具有节约控制器计算资源、适用范围广、鲁棒性好等优点。

附图说明

图1是单相模块化多电平变换器电路图；

图2是模块化多电平变换器的半桥子模块结构图；

图3是半桥子模块开关管故障示意图，其中(a)为开关管S1故障示意图，(b)为开关管S2故障的示意图；

图4是本发明的流程图；

图5是本发明的故障诊断流程图；

图6是多IGBT开路故障仿真图，其中(a)为多开关管开路故障计数仿真波形图，(b)为多开关管开路故障事件触发标志位与故障定位标志仿真波形图。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明所诊断的对象为模块化多电平变流器(modular multilevelconverter.MMC)，其单相的MMC主回路结构如图1所示，其半桥子模块结构如图2所示，半桥子模块中IGBT故障示意图如图3所示。

事件触发：

如图4所示，本实施例提供一种基于事件触发与电容电流状态观测的MMC子模块IGBT开路故障诊断方法，包括以下步骤：

第一步，设置事件触发的触发条件设置：根据MMC变流器输出的电流有效值I_o，MMC变流器电压调制比m，MMC变流器输入侧电流值I_dc以及半桥子模块中电容的容值C_SM，计算电容电压波动幅值ΔU，并基于该ΔU设置设定触发条件，并设定触发条件上限触发条件为U_{c_up}，下限触发条件为U_{c_down}；

第二步，事件触发标志位置位，基于步骤一设定的U_{c_up}和U_{c_down}，MMC当中的各个子模块电容电压值分别与事件触发设定值U_{c_up}和U_{c_down}相比较。如果存在相应的半桥子模块电容电压值超过事件触发设定值，事件触发标志位ET被置位为1，标志位置1作为故障诊断和定位程序的启动条件。

第三步，IGBT开路故障诊断和定位，当标志位ET＝1时，故障诊断和定位程序开始执行，程序首先根据开关状态S_xi(t)和桥臂电流值i_x(t)计算当前时刻的电容电流理论值i_{cxi_theo}(t)；然后通过欧拉逼近方程对电容电流状态的观测值i_{cxi_obse}(t)进行状态观测；

第四步，通过符号函数sgn，将i_{cxi_theo}(t)和i_{cxi_obse}(t)转换为具有矢量意义的标识符F_theo和F_obse，将电容电流信号大于零、等于零、小于零分别设置为1、0、-1值，通过符号转换可以实现DSP控制器当中对电容电流理论值和电容电流观测值的直观和快速的比较。

第五步，通过标识符F_theo和F_obse并结合相应的开关状态信号S_xi(t)，可以实现对故障IGBT的准确诊断和定位。

所述步骤4中，事件触发的触发条件设置，首先根据公式1、2、3分别计算得出ΔU、U_{c_up}、U_{c_down}值，并设定触发条件上限触发条件为U_{c_up}，下限触发条件为U_{c_down}。

U_{c_up}＝U_c+ΔU (2)

U_{c_down}＝U_c-ΔU (3)

A为对波动幅值ΔU进行大小调节的比例系数，ω₁为MMC变流器的输出电压基波角频率。

故障诊断和定位：

如图5所示，故障诊断和定位包括以下步骤：

第三步，IGBT开路故障诊断和定位，当标志位ET＝1时，故障诊断和定位程序开始执行。

(1)首先，通过桥臂电流i_x(t)、开关状态信号S_xi(t)计算子模块电容电流的理论值i_{cxi_theo}(t)：

i_{cxi_theo}(t)＝S_xi(t)i_x(t) (4)

其中，开关状态函数S_xi(t)为：

(2)然后，通过子模块电容电流信号状态观测器，实现子模块电容电流的状态估计值：建立子模块电容电流信号状态观测器，状态观测器通过欧拉逼近方程实现对电容电流的实时状态观测，通过t时刻的子模块电容电压值u_{c_xi}(t)减去t-1时刻的电容电压值u_{c_xi}(t-1)，并将电容电压的差值除以控制周期T_s(T_s为MMC变流器主控制程序的中断控周期)，最后乘以电容容值实现子模块电容电流的状态估计具体执行公式为：

所述步骤第四步具体为：通过符号函数sgn，将i_{cxi_theo}(t)和i_{cxi_obse}(t)转换为具有矢量意义的标识符F_theo和F_obse，将电容电流信号大于零、等于零、小于零分别设置为1、0、-1值。

(1)将i_{cxi_theo}(t)转换为具有矢量意义的标识符F_theo，具体的符号转换公式如下。

(2)将i_{cxi_obse}(t)转换为具有矢量意义的标识符F_obse，具体的符号转换公式如下。

第五步，通过标识符F_theo和F_obse并结合相应的开关状态信号S_xi(t)，可以实现对故障IGBT的准确诊断和定位，具体为：

根据上述公式6、7和驱动信号及桥臂电流信号，可以得到开关函数与电容电流信号在IGBT不同状态下的观测符号值，如表1所示：

表1

通过表一可知，当桥臂电流小于0且S_xi(t)＝1的情况下，F_theo＝-1、F_obse＝0；当桥臂电流大于0且S_xi(t)＝0的情况下，F_theo＝0、F_obse＝1；以上两种情况的特征可以分别诊断出S1开路故障和S2开路故障，因此将上述特征做为故障诊断的依据。如果同时满足S_xi(t)＝1、F_theo＝-1、F_obse＝0，则CT加1；如果同时满足条件S_xi(t)＝0、F_theo＝0、F_obse＝1，则CT1加1。然后，通过对CT和CT1的计数值进行计数，如果相应的计数值在100ms内达到所设定的计数上限值N，则可以判定相应的开关管发生了相应的开路故障，当CT值大与N时，相应子模块的S1开关管发生了开路故障，当CT1值大与N时，相应子模块的开关管S2发生开路故障，本实施例中N取值为800。如果计数值CT和CT1没有在100ms内计数达到所设定的N值，则相应的计数值被清零。

图6为多开关管开路故障的仿真波形图，其中图(a)为多开关管开路故障计数仿真波形图，图(b)为多开关管开路故障事件触发标志位与故障定位标志仿真波形图。从图6中的(a)可以知上桥臂的子模块SMp1中的S1开关管在1.06s发生开路故障；下桥臂的子模块SMn1中的S2开关管在1.05s发生开路故障；同时相应的故障计数值不断增加。从图6中的(b)可知该方法在1.055s事件触发标志位置1并触发故障诊断程序，其中故障诊断程序分别在1.072s和1.075s准确的对开关管S1和S2的开路故障实现了准确的诊断和定位。仿真验证了所提方法的可行性。本实施例能够在30ms内实现多IGBT的开路故障诊断和定位，因此该方法具有快速性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.MMC变流器的半桥子模块中开关管开路故障诊断方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：根据MMC变流器输出的电流有效值I_o，MMC变流器电压调制比m，MMC变流器输入侧电流值I_dc以及半桥子模块中电容的容值C_SM，计算电容电压波动幅值ΔU，并基于该ΔU设置触发阈值区间；

步骤2：为MMC变流器中每个半桥子模块设置事件触发标志位ET，将每个半桥子模块中的电容电压值与步骤1中的触发阈值区间进行比较，若某个半桥子模块的电容电压值不在该触发阈值区间的范围内，则将该半桥子模块对应的事件触发标志位置为1；

步骤3：针对任意一个事件触发标志位置为1的半桥子模块，根据当前时刻该半桥子模块中每个开关管的状态，建立开关状态函数S_xi(t)，并基于该开关状态函数S_xi(t)和该半桥子模块中桥臂的电流值i_x(t)计算该半桥子模块中电容电流的理论值i_{cxi_theo}(t)；同时对该半桥子模块中电容电流的观测值i_{cxi_obse}(t)进行状态观测；

步骤4：通过符号函数sgn将i_{cxi_theo}(t)和i_{cxi_obse}(t)转换为具有矢量意义的标识符F_theo和F_obse；

步骤5：通过F_theo，F_obse和当前时刻半桥子模块中每个开关管的状态，判断每个开关管是否发生开路故障；

所述步骤1中ΔU为：

A为系数，ω₁为MMC变流器的输出电压基波角频率。

2.根据权利要求1所述的MMC变流器的半桥子模块中开关管开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤1中的触发阈值区间为[U_c-ΔU,U_c+ΔU]，其中U_c为MMC变流器中半桥子模块的电容电压的平均值。

3.根据权利要求1所述的MMC变流器的半桥子模块中开关管开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤3中开关状态函数S_xi(t)为：

所述任意一个半桥子模块中均包括串联的两个开关管S₁和S₂，当开关管S₁开通，且开关管S₂关断时，S_xi(t)＝1；当开关管S₁关断，且开关管S₂开通时S_xi(t)＝0；

计算i_{cxi_theo}(t)具体为：

i_{cxi_theo}(t)＝S_xi(t)i_x(t)。

4.根据权利要求3所述的MMC变流器的半桥子模块中开关管开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

将i_{cxi_theo}(t)转换为具有矢量意义的标识符F_theo：

将i_{cxi_obse}(t)转换为具有矢量意义的标识符F_obse：

5.根据权利要求4所述的MMC变流器的半桥子模块中开关管开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤5具体为：为开关管S₁设置计数值CT，为开关管S₂设置计数值CT1；在桥臂电流小于0且S_xi(t)＝1的情况下，若F_theo＝-1，且F_obse＝0，则将计数值CT加1；在桥臂电流大于0且S_xi(t)＝0的情况下，若F_theo＝0，且F_obse＝1，则将计数值CT1加1；若在预设的时间内，CT数值超过预设的阈值，则认定开关管S₁存在开路故障，若在预设的时间内，CT1数值超过预设的阈值，则认定开关管S₂存在开路故障。

6.根据权利要求1所述的MMC变流器的半桥子模块中开关管开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤3中采用欧拉逼近方程对半桥子模块中电容电流的观测值i_{cxi_obse}(t)进行状态观测：

其中，u_{c_xi}(t)为当前时刻半桥子模块中电容电压值，u_{c_xi}(t-1)为上一个时刻半桥子模块中电容电压值，T_s为MMC变流器主控制程序的中断控制周期。

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