CN114114081B - 基于改进观测器的mmc子模块开路故障诊断与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于改进观测器的MMC子模块开路故障诊断与定位方法，提出基于构建的新型滑模观测器得到故障后桥臂电流观测值，然后根据该桥臂电流观测值和实际桥臂电流测量值之间的残差是否大于阈值，并持续一定时间来实现具体某相桥臂发生子模块开路故障的诊断，再根据残差是否大于0，判断是某一子模块的上管发生开路故障还是下管发生开路故障；本发明既可以对单相模块化多电平变换器的上下管开路故障进行准确诊断与定位，也可以对三相模块化多电平变换器的上下管开路故障进行准确诊断与定位，此外，本发明还解决了在排序均压算法下出现子模块上管开路故障情况下会造成正常子模块电容电压与故障子模块电容电压变化一致无法识别的问题。

Description

基于改进观测器的MMC子模块开路故障诊断与定位方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及基于改进观测器的MMC子模块开路故障诊断与定位方法。

背景技术

模块化多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)拓扑，自2001年德国学者Rainer Marquardt提出以来，由于每个桥臂串联多组相同的电源单元或子模块，不需要移相变压器，简化了拓扑结构，相较于传统多电平变换器，MMC拥有良好的可拓展性、简洁的子模块结构、丰富的应用场景、较高的功率密度等多种优势，其技术经济优势明显。MMC已成为高压柔性直流输电、中压变速驱动器和电能质量改善等中大功率应用中最有前景的拓扑结构。

由于MMC拓扑系统是由大量子模块级联组成，会使用大量的开关功率器件，且功率器件本身就是工业应用中最容易出现故障的部分。在MMC子模块中功率器件大都采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)。IGBT故障通常包括短路和开路故障两类，IGBT短路故障会产生强烈的短路电流，因此在实际工程中一般配备了子模块过流保护装置，一旦发生短路故障，系统会在几个微秒内迅速闭锁故障子模块以避免直通故障，所以短路故障一般都由硬件电路完成检测及实施保护。而单个或少数IGBT开路故障对MMC变换器工作的影响多数情况下并不会很快直接显现，需要采用适当的故障诊断方法发现IGBT开路，以避免任其发展将会导致子模块电容电压过高、输出电压电流波形严重畸变，最终将会导致系统崩溃停运的状况。

现有应用于MMC子模块开路故障的检测算法主要分为基于硬件检测、基于人工智能算法、基于系统模型三类方法。对采用基于硬件检测的方法，需要增加额外的硬件电路来进行故障诊断，原理比较简单，诊断速度较快，但是该种方法增加了硬件成本，并且新增硬件自身的存在也会构成潜在的故障点。对采用基于人工智能算法的检测方法，该方法虽然检测速度快，但其需要大量的训练样本，准确性有限。以机器学习法为例，使用该方法进行子模块故障诊断时，需要对正常运行与发生故障后的数据特性进行分析，仅需评估特征参数实测值的数据特性就可以判定故障是否发生，但这种方法需要大量样本来完成诊断前的数据特性确定，而模块发生故障属于非正常状态，相关样本数据较少，这对实际应用造成了诸多困难。对采用基于系统模型的方法，算法简单容易实现，鲁棒性较差，可能会存在模型失配的问题。

综上所述，如何在控制成本的情况下准确对单个和多个子模块开关器件开路故障进行故障诊断与定位，并且提高诊断速度，是亟需解决的问题。本发明将从上述问题出发，提出基于新型滑模观测器的MMC子模块开路故障诊断与定位方法，从而实现故障子模块的准确定位与快速诊断。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明采用的技术方案是：

基于改进观测器的MMC子模块开路故障诊断与定位方法，三相变换器的每一相由上下两个桥臂组成，三相共有六个桥臂，每个桥臂有N个MMC子模块SM_rji(r＝p,n；j＝a,b,c；i＝1,2,3,…N)和一个桥臂电感L_rj串联组成，其中r＝p代表上桥臂，r＝n代表下桥臂，j＝a,b,c代表a,b,c,三相，SM_rji为j相上(下)桥臂第i个子模块；每个MMC子模块SM_rji是由两个开关管T1和T2串联，同时各自反并联一个电力二极管VD1和VD2，之后再并联一个电容C组成的半桥结构。在三相变换电路中，MMC半桥子模块共有三种工作状态：投入、切除和闭锁状态；当上开关管T1处于开通状态、下开关管T2处于关断状态时，表明MMC子模块处于投入状态，此时MMC子模块的输出电压为MMC子模块电容电压，电容处于充放电状态；当上开关管T1处于关断状态、下开关管T2处于开通状态时，表明MMC子模块处于切除状态，此时MMC子模块的输出电压为0，电容处于旁路状态；当上开关管T1处于关断状态、下开关管T2也处于关断状态时，表明MMC子模块处于闭锁状态，该种状态只会出现在非正常运行情况下；

当某一MMC子模块的上开关管T1发生开路故障时，若MMC子模块处于切除状态，与上述正常工作情况相同；若MMC子模块处于投入状态，如果桥臂电流大于零，与正常工作情况相同；如果桥臂电流小于零，由于上开关管T1管开路，桥臂电流将流过下开关管T2的反并联二极管VD2，MMC子模块电容电流为0，此时子模块输出的电压降为0，而非正常时的子模块电容电压；

当某一MMC子模块的下开关管T2发生开路故障时，若MMC子模块处于投入状态，与正常工作情况相同；当MMC子模块处于切除状态时，如果桥臂电流小于零，与正常工作情况相同；如果桥臂电流大于零，由于下开关管T2开路，桥臂电流将流过下开关管T2的反并联二极管VD2给电容充电，MMC子模块输出的电压为MMC子模块电容电压而非正常时的0；

包括以下步骤：

步骤1，以a相上桥臂为例，初始化该桥臂MMC子模块标号i＝0，计数器t＝0，设定滑模观测器增益M，自适应参数a，电流阈值I_th，时间阈值T_th；

步骤2，采集a相上桥臂子模块电容电压u_ci、桥臂电流i_pa、子模块开关函数S_i、直流侧电压u_dc以及网侧输出电压u_sa；

步骤3，判断所有子模块是否都进行了电容电压和开关函数的采样，若“是”，则执行步骤4；若“否”，则返回步骤2；

步骤4，由主电路拓扑结构图，根据基尔霍夫电压定律得到式(1)、式(2)：

式中，L_pj是j相上桥臂电感，i_pj是j相上桥臂电流，u_dc是直流侧电压，u_pj是j相上桥臂电压，u_sj是j相网侧电压；

以a相上桥臂为例，设计基于桥臂电流的滑模观测器，根据式(1)设计基于开关函数的新型滑模观测器如式(3)和式(4)：

式中，i_pa、分别表示上桥臂电流的实际值和观测值，M为滑模观测器增益，y函数为新构建的函数，它代替传统的sign符号函数，用来补偿实际值与观测值之间的偏差，通过改变式(4)中自适应参数a的大小，控制y函数的斜率，可有效削弱工程实际应用中的抖振现象；

步骤5，利用桥臂电流的观测值与测量值的残差是否大于电流阈值I_th来检测故障，其中，观测值为经过滑模观测器计算得到的值，测量值为经过电流传感器直接测量得到的值；若桥臂电流的观测值与测量值的残差不大于电流阈值I_th，则系统正常，未发生故障，诊断结束；反之，则继续判断，判断t是否大于时间阈值T_th，若“是”，则诊断为该桥臂发生了开关开路故障，执行步骤6，若“否”，则返回步骤1，循环执行步骤1到步骤5；

步骤6，重新初始化i＝0，S_i为某相上或下桥臂第i个半桥MMC子模块的开关函数，当第i个半桥MMC子模块的上开关管T1开通、下开关管T2关断时，S_i＝1；当第i个半桥MMC子模块的上开关管T1关断、下开关管T2开通时，S_i＝0；MMC子模块输出电压u_sm和电容电压的关系式可表示为：

u_sm＝S_iu_ci (5)

根据式(5)可得其MMC子模块电容电压的状态空间模型方程：

根据如式(6)所示的子模块电容电压的状态空间模型方程，给该桥臂每个子模块电容电压构建观测值，如式(7)所示：

式中，C为子模块电容值，K为观测器增益，y为式(4)所示构建的新函数用于消除误差；

将所有MMC子模块电容电压的状态观测值与对应的MMC子模块电容电压的实际值u_ci成对进行比较，来判断子模块电容电压的状态观测值/>与实际值u_ci的残差是否大于电压阈值U_th；若“否”，则返回步骤6；若“是”，则继续判断桥臂电流的观测值与测量值的残差是否大于0，若“是”，则说明该MMC子模块T2管发生开路故障；若“否”，则说明该MMC子模块T1管发生开路故障，实现故障子模块具体开关管定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

目前传统滑模观测器算法应用在定位具体子模块时，需采用“假设-验证”的思想对模型进行修改，遍历桥臂中所有的子模块，才能实现对故障子模块的定位，传统滑模观测器算法执行步骤的计算量大，使得检测时间长。本发明采用新构建的y函数代替传统滑模观测器中的符号函数，从而有效削弱由于高频开关信号带来的系统抖振现象。既可以对单相模块化多电平变换器的上下管开路故障进行准确诊断与定位，也可以对三相模块化多电平变换器的上下管开路故障进行准确诊断与定位。同时可以在一个诊断周期也就是20ms内对单个子模块或者多个子模块发生开路故障时的故障子模块的诊断与定位，有效地提高了故障诊断与定位的速度。此外，本发明方法也很好地解决了在排序均压算法下出现子模块上管开路故障情况下会造成正常子模块电容电压与故障子模块电容电压变化一致无法识别的问题。该方法无需增加其他硬件，成本低，算法简单，检测时间短，诊断速度快，对于工程实际采用的含有大量子模块数的MMC系统具有一定工程实际应用价值。

附图说明

图1为本发明适用的三相模块化多电平变换器的主电路拓扑结构图；

图2为本发明所需要采样的变量示意图；

图3为本发明用于三相模块化多电平变换器系统半桥子模块开关管开路故障诊断与定位方法的流程图；

图4为三相模块化多电平变换器a相上桥臂第一个子模块发生上管开路故障的诊断结果图；

图5为三相模块化多电平变换器a相上桥臂第一个子模块发生下管开路故障的诊断结果图。

图6为三相模块化多电平变换器c相上桥臂第一个子模块和第二个子模块同时发生上管开路故障的诊断结果图。

符号说明：r＝p、n；j＝a、b、c；i＝1、2、3、…N；SM_rji为j相上(下)桥臂第i个子模块；u_ci为j相上(下)桥臂第i个子模块的电容电压；R为直流侧电阻负载，C₁、C₂为直流侧支撑电容；L_pj、L_nj分别为j相的上、下桥臂电感；i_pj、i_nj分别为j相的上、下桥臂电流；u_pj、u_nj分别为j相的上、下桥臂输出电压；R_sj为j相交流侧的线路寄生电阻；L_sj为j相交流侧的滤波电感；u_sj为j相的交流输入电压；u_dc为直流侧电压；i_sj为j相的交流输入电流；flag_i为j相上(下)桥臂第i个子模块的故障标志位。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。下述说明仅是为了示例性说明，而不是用来限制本发明及其应用。

图1是本发明适用的三相模块化多电平变换器的主电路拓扑结构图。其中，三相变换器的每一相由上下两个桥臂组成，三相共有六个桥臂，每个桥臂有N个MMC子模块SM_rji(r＝p,n；j＝a,b,c；i＝1,2,3,…N)和一个桥臂电感L_rj串联组成，其中r＝p代表上桥臂，r＝n代表下桥臂，j＝a,b,c代表a,b,c,三相，SM_rji为j相上(下)桥臂第i个子模块；每个MMC子模块SM_rji是由两个开关管T1和T2串联，同时各自反并联一个电力二极管VD1和VD2，之后再并联一个电容C组成的半桥结构。在三相变换电路中，MMC半桥子模块共有三种工作状态：投入、切除和闭锁状态；当上开关管T1处于开通状态、下开关管T2处于关断状态时，表明MMC子模块处于投入状态，此时MMC子模块的输出电压为MMC子模块电容电压，电容处于充放电状态；当上开关管T1处于关断状态、下开关管T2处于开通状态时，表明MMC子模块处于切除状态，此时MMC子模块的输出电压为0，电容处于旁路状态；当上开关管T1处于关断状态、下开关管T2也处于关断状态时，表明MMC子模块处于闭锁状态，该种状态只会出现在非正常运行情况下；

当某一MMC子模块的上开关管T1发生开路故障时，若MMC子模块处于切除状态，与上述正常工作情况相同；若MMC子模块处于投入状态，如果桥臂电流大于零，与正常工作情况相同；如果桥臂电流小于零，由于上开关管T1管开路，桥臂电流将流过下开关管T2的反并联二极管VD2，MMC子模块电容电流为0，此时子模块输出的电压降为0，而非正常时的子模块电容电压；

当某一MMC子模块的下开关管T2发生开路故障时，若MMC子模块处于投入状态，与正常工作情况相同；当MMC子模块处于切除状态时，如果桥臂电流小于零，与正常工作情况相同；如果桥臂电流大于零，由于下开关管T2开路，桥臂电流将流过下开关管T2的反并联二极管VD2给电容充电，MMC子模块输出的电压为MMC子模块电容电压而非正常时的0；

图2为本发明所需要采样的变量示意图，需要采集三相MMC变换器的一相上桥臂或下桥臂上的桥臂电流i_rj(r＝p、n；j＝a、b、c)、子模块电容电压u_ci(i＝1、2、3、…N)、各子模块上管T1的驱动脉冲信号S_i、以及网侧电压u_sj。

图3为本发明用于三相模块化多电平变换器系统半桥子模块开关管开路故障诊断与定位方法的流程图，以a相上桥臂为例，说明本发明提供的一种模块化多电平变换器子模块开关管发生单个及多个开关管开路故障时诊断与定位方法的流程图，包括以下步骤：

步骤1，初始化i＝0，计数器t＝0，设定滑模观测器增益M，自适应参数a，电流阈值I_th，时间阈值T_th。

步骤2，采集a相上桥臂子模块电容电压u_ci、桥臂电流i_pa、子模块开关函数S_i、直流侧电压u_dc以及网侧输出电压u_sa。

步骤3，判断所有子模块是否都进行了电容电压和开关函数的采样？若“是”，则执行步骤4；若“否”，则返回步骤2。

步骤4，由图1所示的主电路拓扑结构图，根据基尔霍夫电压定律得到式(1)、式(2)。

以a相上桥臂为例，设计基于桥臂电流的滑模观测器。根据式(1)设计基于开关函数的新型滑模观测器如下：

式中，i_pa、分别表示上桥臂电流的实际值和观测值，M为滑模观测器增益，y函数为新构建的函数，它代替传统的sign符号函数，用来补偿实际值与观测值之间的偏差，通过改变式(4)中自适应参数a的大小，控制y函数的斜率，可有效削弱工程实际应用中的抖振现象。

步骤5，利用桥臂电流的观测值与测量值的残差是否大于电流阈值I_th来检测故障，其中，观测值为经过滑模观测器计算得到的值，测量值为经过电流传感器直接测量得到的值。若桥臂电流的观测值与测量值的残差不大于电流阈值I_th，则系统正常，未发生故障，诊断结束；反之，则继续判断，判断t是否大于时间阈值T_th，若“是”，则诊断为该桥臂发生了开关开路故障，执行步骤6，若“否”，则返回步骤1，循环执行步骤1到步骤5。

步骤6，重新初始化i＝0，本发明中定义S_i为某相上或下桥臂第i个半桥子模块的开关函数，当第i个半桥子模块的上开关管T1开通、下开关管T2关断时，S_i＝1；当第i个半桥子模块的上开关管T1关断、下开关管T2开通时，S_i＝0S_i＝0。子模块输出电压u_sm和电容电压的关系式可表示为：

u_sm＝S_iu_ci (5)

根据式(5)可得其子模块电容电压的状态空间模型方程：

根据如式(6)所示的子模块电容电压的状态空间模型方程，给该桥臂每个子模块电容电压构建观测值，如式(7)所示：

式中，C为子模块电容值，K为观测器增益，y为式(4)所示构建的新函数用于消除误差。

将所有子模块电容电压的状态观测值与对应的子模块电容电压的实际值u_ci成对进行比较，来判断子模块电容电压的状态观测值/>与实际值u_ci的残差是否大于电压阈值U_th。若“否”，则返回步骤6。若“是”，则继续判断桥臂电流的观测值与测量值的残差是否大于0，若“是”，则说明该子模块T2管发生开路故障；若“否”，则说明该子模块T1管发生开路故障。于是可实现故障子模块具体开关管定位。

图4为三相模块化多电平变换器a相上桥臂第一个子模块发生上管T1开路故障的诊断结果图。a相上桥臂第一个子模块于0.2s时发生上管开路故障，0.21s时其桥臂电流的观测值与测量值的残差大于电流阈值I_th，该桥臂的故障标志位flag由0变为1，诊断出故障子模块所在桥臂位置，并且可观察到其残差小于0，则说明该子模块T1管发生开路故障。0.23s时第一个子模块电容电压的状态观测值与对应的子模块电容电压的实际值u_ci的残差大于电压阈值U_th。该子模块的故障标志位flag₁₁由0变为1，诊断并定位出故障子模块。

图5为三相模块化多电平变换器a相上桥臂第一个子模块发生下管T2开路故障的诊断结果图。a相上桥臂第一个子模块于0.2s时发生下管开路故障，0.21s时其桥臂电流的观测值与测量值的残差大于电流阈值I_th，该桥臂的故障标志位flag由0变为1，诊断出故障子模块所在桥臂位置，并且可观察到其残差大于0，则说明该子模块T2管发生开路故障。0.22s时第一个子模块电容电压的状态观测值与对应的子模块电容电压的实际值u_ci的残差大于电压阈值U_th。该子模块的故障标志位flag₁₂由0变为1，诊断并定位出故障子模块。

图6三相模块化多电平变换器c相上桥臂第一个子模块和第二个子模块同时发生上管T1开路故障的诊断结果图。0.21s时其桥臂电流的观测值与测量值的残差大于电流阈值I_th，该桥臂的故障标志位flag由0变为1，诊断出故障子模块所在桥臂位置，并且可观察到其残差小于0，则说明该子模块T1管发生开路故障。0.23s时第一个和第二个子模块电容电压的状态观测值与对应的子模块电容电压的实际值u_ci的残差大于电压阈值U_th。该子模块的故障标志位flag₁₁，flag₂₁都由0变为1，从而诊断并定位出故障子模块。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于改进观测器的MMC子模块开路故障诊断与定位方法，三相变换器的每一相由上下两个桥臂组成，三相共有六个桥臂，每个桥臂有N个MMC子模块SM_rji和一个桥臂电感L_rj串联组成，r＝p,n；j＝a,b,c；i＝1,2,3,…N，其中r＝p代表上桥臂，r＝n代表下桥臂，j＝a,b,c代表a,b,c三相，SM_rji为j相上、下桥臂第i个子模块；每个MMC子模块SM_rji是由两个开关管T1和T2串联，同时各自反并联一个电力二极管VD1和VD2，之后再并联一个电容C组成的半桥结构，在三相变换电路中，MMC半桥子模块共有三种工作状态：投入、切除和闭锁状态；当上开关管T1处于开通状态、下开关管T2处于关断状态时，表明MMC子模块处于投入状态，此时MMC子模块的输出电压为MMC子模块电容电压，电容处于充放电状态；当上开关管T1处于关断状态、下开关管T2处于开通状态时，表明MMC子模块处于切除状态，此时MMC子模块的输出电压为0，电容处于旁路状态；当上开关管T1处于关断状态、下开关管T2也处于关断状态时，表明MMC子模块处于闭锁状态，该种状态只会出现在非正常运行情况下；

当某一MMC子模块的上开关管T1发生开路故障时，若MMC子模块处于切除状态，与上述正常工作情况相同；若MMC子模块处于投入状态，如果桥臂电流大于零，与正常工作情况相同；如果桥臂电流小于零，由于上开关管T1管开路，桥臂电流将流过下开关管T2的反并联二极管VD2，MMC子模块电容电流为0，此时子模块输出的电压降为0，而非正常时的子模块电容电压；

当某一MMC子模块的下开关管T2发生开路故障时，若MMC子模块处于投入状态，与正常工作情况相同；当MMC子模块处于切除状态时，如果桥臂电流小于零，与正常工作情况相同；如果桥臂电流大于零，由于下开关管T2开路，桥臂电流将流过下开关管T2的反并联二极管VD2给电容充电，MMC子模块输出的电压为MMC子模块电容电压而非正常时的0；

其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，以a相上桥臂为例，初始化该桥臂MMC子模块标号i＝0，计数器t＝0，设定滑模观测器增益M，自适应参数a，电流阈值I_th，时间阈值T_th；

步骤2，采集a相上桥臂子模块电容电压u_ci、桥臂电流i_pa、子模块开关函数S_i、直流侧电压u_dc以及网侧输出电压u_sa；

步骤3，判断所有子模块是否都进行了电容电压和开关函数的采样，若“是”，则执行步骤4；若“否”，则返回步骤2；

步骤4，由主电路拓扑结构图，根据基尔霍夫电压定律得到式(1)、式(2)：

式中，L_pj是j相上桥臂电感，i_pj是j相上桥臂电流，u_dc是直流侧电压，u_pj是j相上桥臂电压，u_sj是j相网侧电压；

以a相上桥臂为例，设计基于桥臂电流的滑模观测器，根据式(1)设计基于开关函数的新型滑模观测器如式(3)和式(4)：

式中，i_pa、分别表示上桥臂电流的实际值和观测值，M为滑模观测器增益，y函数为新构建的函数，它代替传统的sign符号函数，用来补偿实际值与观测值之间的偏差，通过改变式(4)中自适应参数a的大小，控制y函数的斜率，可有效削弱工程实际应用中的抖振现象；

步骤5，利用桥臂电流的观测值与测量值的残差是否大于电流阈值I_th来检测故障，其中，观测值为经过滑模观测器计算得到的值，测量值为经过电流传感器直接测量得到的值；若桥臂电流的观测值与测量值的残差不大于电流阈值I_th，则系统正常，未发生故障，诊断结束；反之，则继续判断，判断t是否大于时间阈值T_th，若“是”，则诊断为该桥臂发生了开关开路故障，执行步骤6，若“否”，则返回步骤1，循环执行步骤1到步骤5；

步骤6，重新初始化i＝0，S_i为某相上或下桥臂第i个半桥MMC子模块的开关函数，当第i个半桥MMC子模块的上开关管T1开通、下开关管T2关断时，S_i＝1；当第i个半桥MMC子模块的上开关管T1关断、下开关管T2开通时，S_i＝0；MMC子模块输出电压u_sm和电容电压的关系式可表示为：

u_sm＝S_iu_ci (5)

根据式(5)可得其MMC子模块电容电压的状态空间模型方程：

根据如式(6)所示的子模块电容电压的状态空间模型方程，给该桥臂每个子模块电容电压构建观测值，如式(7)所示：

式中，C为子模块电容值，K为观测器增益，y为式(4)所示构建的新函数用于消除误差；

将所有MMC子模块电容电压的状态观测值与对应的MMC子模块电容电压的实际值u_ci成对进行比较，来判断子模块电容电压的状态观测值/>与实际值u_ci的残差是否大于电压阈值U_th；若“否”，则返回步骤6；若“是”，则继续判断桥臂电流的观测值与测量值的残差是否大于0，若“是”，则说明该MMC子模块T2管发生开路故障；若“否”，则说明该MMC子模块T1管发生开路故障，实现故障子模块具体开关管定位。