CN114994457A - 一种基于双重滑模观测器的mmc开关管开路故障诊断与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法，包括：(1)将MMC中三相上下桥臂的第i个子模块在概念上进行组合形成子单元；(2)MMC正常运行时，将每个子单元中子模块的电容电压相加，得到子单元电容电压和U_si；设计子单元电容电压和的滑模观测器，根据其估计值与实际值的残差判断该子单元的开关管是否发生开路故障；(3)设计桥臂电流的滑模观测器，检测此桥臂电流的估计值与实际值的残差判断该桥臂开关管是否发生上/下开路故障；(4)当两个滑模观测器都检测到开关管出现开路故障，可定位出发生故障的子模块。本发明能够有效减少故障诊断与定位过程的时间，使MMC系统在不增加额外硬件电路的情况下具有更快的检测速度。

Description

一种基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位 方法

技术领域

本发明涉及电力电子设备故障诊断与定位领域，尤其是涉及一种基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法。

背景技术

MMC被认为是最具有潜力的柔性直流输电的电力电子拓扑之一，目前在中高压柔性直流输电领域中占据了非常重要的地位。MMC高度的模块化，不需要昂贵且笨重的变压器，展现出了很好的发展前景。

MMC由大量的子模块组成，每个子模块的开关性能直接影响到系统的可靠运行，因此采取保障MMC正常运行的措施是必不可少的。当子模块发生开路故障时，若因为没有及时地定位出故障子模块而引起系统大面积损坏，从而导致更严重的安全问题。故障诊断是保障MMC不受故障的影响，子模块开路故障对MMC子模块电容电压有直接影响，目前常用的MMC故障诊断的方法有卡尔曼滤波法，神经网络，滑模观测器法。

卡尔曼滤波利用线性系统的状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计，但是必须保存之前的状态值。如公开号为CN108872790A的中国专利文献公开了一种基于卡尔曼滤波和支持向量机的MMC故障诊断方法，通过采集环流和相电压的数据对MMC的故障进行检测和定位。

神经网络主要用来构造MMC的神经网络，是由传统的观测器演变而来。神经网络有着极好的学习能力，在故障诊断方面有着独特的应用，经过训练后的神经网络可以用来观测MMC故障时出现的残差，此方法的优点在于能够实时准确地判断故障，运行速度快，在干扰的环境下也能表现出优异的性能，但是实现神经网络的结构很困难，且算法设计比较复杂。

滑模观测器是一类动态系统，是指根据系统的输入变量和输出变量的实际值得出状态变量估计值的一类动态系统。因为滑模观测器本身对系统就有着不确定性、对干扰有较好的鲁棒性。滑模观测器不但为状态反馈的技术实现提供了实际可能性，而且在控制工程的许多方面也得到了实际应用；滑模观测器通过测量实际系统的输入输出，可以估计出当前系统的状态值；滑模观测器使用非线性高增益反馈迫使估计状态逼近超平面，使估计输出等同于真实输出，但是传统子模块滑模观测器的检测速度慢，无法快速检测到故障，给系统增加了风险。

综上所述，如何在子模块发生开关管开路故障的情况下高效地实现故障诊断与定位，并且定位到多子模块开路故障成了迫切解决的问题。

发明内容

为了克服以上检测速度慢的不足，本发明提供了一种基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法，能在不增加额外的传感器和外围电路的情况下，通过子模块组合的子单元电容电压和的滑模观测器与桥臂电流的滑模观测器灵活实现MMC的故障诊断与定位。

一种基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法，包括以下步骤：

(1)将MMC中三相上下桥臂的第i个子模块在概念上进行组合，形成新的三相观测单元(这里称为子单元)；

(2)MMC正常运行时，每个子单元的所有子模块电容电压和是U_si；

设计子单元电容电压和的滑模观测器，根据其估计值与实际值的残差是否超过了正常波动的范围，由此判断该子单元的开关管是否发生开路故障；

(3)设计桥臂电流的滑模观测器，检测此桥臂电流的估计值与实际值的残差是否超过了正常波动的范围，由此判断该桥臂上/下开关管是否发生开路故障；

(4)当子单元电容电压和的滑模观测器与桥臂电流的滑模观测器都检测到开关管出现开路故障，即可定位出发生故障的子模块。

步骤(1)中，每相上下桥臂的第i个子模块的调制波相位差180°，上下桥臂电容电压波动量的相位相反，上下桥臂电容电压和的波动减小。

三相上/下桥臂的第i个子模块之间的电容电压波动量的相位互差60°，电容电压总和U_si的波动被极大抑制，基本维持在恒定值。

步骤(2)的具体过程为：

(2-1)MMC正常工作时，根据MMC拓扑，得到j(j＝u,v,w)相上、下桥臂第i个子模块电容电压微分方程为：

式中，S_jpi和S_jni分别为上、下桥臂第i个子模块的开关函数；i_jpi和i_jni分别为j相上、下桥臂的桥臂电流；i_j为j相交流侧输出电流；u_jpi和u_jni分别为j相第i个子单元上/下桥臂电压，C_u为电容；

(2-2)对于第i个子单元，设计观测电压U_si的滑模观测器；其中，一个子单元由六个子模块组成，子单元观测电压U_si为一个子单元内部各子模块电容电压之和，即：

U_si＝u_wpi+u_wni+u_vpi+u_vni+u_upi+u_uni (2)

根据式(1)和式(2)得到：

将上式表示成状态方程：

式中，

表示子单元电容电压和的估计值，且：

i＝i_dc[1...1]^T，i_a＝i_u[1...1]^T，i_b＝i_v[1...1]^T，i_c＝i_w[1...1]^T

选择x为观测变量，定义

由此建立子单元电容电压和的滑模观测器方程：

其中饱和函数为：

其中，M为滑模观测器增益值，M的值越大，收敛能力越强，h为子单元滑模观测器的阈值；

(2-3)将子单元滑模观测器的阈值h设定为子单元电压正常波动量峰峰值的一半，根据子单元观测电压的估计值与实际值的残差以及设定的阈值，对子单元进行故障监测。

当检测到二者残差超过了设定的阈值且持续了一毫秒，即可判断该子单元发生了开关管开路故障。

步骤(3)的具体过程为：

(3-1)对于j相上、下桥臂的采样电流，根据基尔霍夫电压定律有：

式中，u_jp和u_jn分别是j相上/下桥臂电压，i_jp和i_jn分别是j相上/下桥臂电流，u_jo是j相输出电压，U_dc是直流侧电压，u_jpi和u_jni分别是j相上/下桥臂第i个子模块电容电压，S_jpi和S_jni分别是j相上/下桥臂第i个子模块的开关函数；

(3-2)设计每相桥臂电流的滑模观测器，将式(8)改写为如下方程：

式中，

表示桥臂电流估计值，且：

定义

由此建立桥臂电流滑模观测器：

其中，饱和函数：

其中，M为滑模观测器增益值，M的值越大，收敛能力越强，h为滑模观测器的阈值；

(3-3)将桥臂电流滑模观测器的阈值h设定为桥臂电流正常波动量峰峰值的一半，根据桥臂电流的估计值与实际值的残差以及设定的阈值，对桥臂电流进行故障检测。

当出现上开关管开路故障且电流小于零时，电流通过下开关管的反并联二极管形成回路，此时估计值偏小。如果检测到桥臂电流残差大于设定的阈值且持续了一毫秒，同时桥臂电流的估计值小于实际值，则判断出该桥臂上开关管发生开路故障；

相反，当出现下开关管故障且电流大于零时，电流通过上开关管的反并联二极管形成回路，导致多投入一个电平，估计值偏大。如果检测到残差大于设定的阈值且持续了一毫秒，同时桥臂电流的估计值大于实际值，即可判断出该桥臂下开关管发生开路故障。

步骤(4)的具体过程为：

电容电压和的滑模观测器用于判断出第i个子单元发生故障，桥臂电流的滑模观测器用于判断出该桥臂发生上/下开关管开路故障；当两个滑模观测器同时检测到故障发生，即可定位出该桥臂第i个子模块发生了上/下开关管开路故障。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明将滑模观测器这一灵敏度提高，将一种高效的双重滑模观测器引入到了MMC中，并且原理简单，易于实现。

2、本发明不需要增加额外的硬件电路，便可以快速实现MMC故障诊断与定位。

3、本发明可以适用于MMC不同数量子模块开路故障下的故障诊断与定位，方法适应性强，易于扩展，计算量低。

4、在本发明设定的阈值条件下，本发明故障检测和定位所需的最长时间不超过15ms。

附图说明

图1为三相MMC电路拓扑及正常情况下的组合实例；

图2为子单元电压故障诊断方法流程图；

图3为桥臂电流故障诊断方法流程图；

图4为故障子模块定位流程图；

图5为上开关管开路故障下，第一个子单元电压故障诊断的估计值与实际值仿真图；

图6为上开关管开路故障下，u相上桥臂电流故障诊断的估计值与实际值仿真图；

图7为下开关管开路故障下，第一个子单元电压故障诊断的估计值与实际值仿真图；

图8为下开关管开路故障下，u相上桥臂电流故障诊断的估计值与实际值仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，为每个子模块的MMC拓扑图以及最常规的一种组合方式。每相有上、下两个桥臂，整个拓扑共有6个桥臂，每个桥臂拥有N(N为大于等于1的自然数)个子模块。以每相第i个子模块组合为例，六个子模块组成一个完整的子单元，同一颜色的为一个子单元。每个子单元的所有子模块电容电压和是U_si。

一种基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法，包括以下步骤：

步骤1，将MMC中三相上下桥臂的第i个子模块在概念上进行组合，形成新的三相观测单元(这里称为子单元)。

步骤2，MMC正常运行时，将每个子单元中子模块的电容电压相加，得到子单元电容电压和U_si；

设计子单元电容电压和的滑模观测器，根据其估计值与实际值的残差是否超过了正常波动的范围，当检测到残差已经大于子单元电压正常波动量峰峰值的一半，且维持一毫秒后即可检测出该子单元发生了开关管开路故障，具体流程如图2所示

步骤3，设计桥臂电流的滑模观测器，检测此桥臂电流的估计值与实际值的残差是否超过了正常波动的范围，当检测到残差已经大于桥臂电流正常波动量峰峰值的一半，且维持一毫秒后即可检测出该桥臂发生了上/下开关管开路故障，具体流程如图3所示。

步骤4，当子单元电容电压和的滑模观测器与桥臂电流的滑模观测器都检测到开关管出现开路故障，即可定位到该桥臂第i个子模块发生了上/下开关管开路故障，具体流程如图4所示。

如图5所示，为上开关管在0.805s出现开路故障下，第一个子单元电压故障诊断的估计值与实际值仿真图。当出现故障后，子单元滑模观测器的估计值与实际值残差逐渐变大，当残差大于设定的阈值时，即可说明残差已经大于正常波动量峰峰值的一半，维持一毫秒后即可判断出此子单元发生了开路故障。

如图6所示，为上开关管在0.805s出现开路故障下，u相上桥臂电流故障诊断的估计值与实际值仿真图；当残差大于设定的阈值时，即可说明残差已经大于正常波动量峰峰值的一半，维持一毫秒后即可判断出此桥臂开关管发生了开路故障。当上开关管发生故障且电流小于零的时候，故障子模块无法投入，根据桥臂电流状态方程:

u_jp是j相上桥臂电压，i_jp是j相上桥臂电流，u_jo是j相输出电压，U_dc是直流侧电压，u_jpi是j相上桥臂第i个子模块电容电压，S_jpi是j相上桥臂第i个子模块的开关函数。可以得出，当电流小于零且估计值小于实际值时，即可判断出该桥臂的子模块发生了上开关管开路故障。

经过2ms子单元与桥臂电流滑模观测器都检测到故障发生，即可定位出该桥臂第一个子模块发生了上开关管开路故障。

如图7所示，为下开关管在0.815s出现开路故障下，第一个子单元电压故障诊断的估计值与实际值仿真图。当出现故障后，子单元模观测器的估计值与实际值残差逐渐变大，当残差大于设定的阈值时，即可说明残差已经大于正常波动量峰峰值的一半，维持一毫秒后即可判断出此子单元发生了开路故障。

如图8所示，为下开关管在0.815s出现开路故障下，u相上桥臂电流故障诊断的估计值与实际值仿真图。当残差大于设定的阈值时，即可说明残差已经大于正常波动量峰峰值的一半，维持一毫秒后就判断出此桥臂发生了开路故障。当下开关管发生故障，且电流大于零的时候，子模块无法切出，根据桥臂电流状态方程:

u_jn是j相下桥臂电压，i_jn是j相下桥臂电流，u_jo是j相输出电压，U_dc是直流侧电压，u_jni是j相上桥臂第i个子模块电容电压，S_jni是j相下桥臂第i个子模块的开关函数。

可以得出，当电流大于零且估计值大于实际值时，即可判断出该桥臂的子模块发生了下开关管开路故障。

经过2ms子单元电压与桥臂电流滑模观测器都检测到故障发生，即可定位出该桥臂第一个子模块发生了下开关管开路故障。

表1为本发明实施例中三相MMC电路拓扑的具体参数。

表1

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将MMC中三相上、下桥臂的第i个子模块在概念上进行组合，形成新的三相观测单元，称为子单元；

(2)MMC正常运行时，每个子单元的所有子模块电容电压和是U_si；

设计子单元电容电压和的滑模观测器，根据其估计值与实际值的残差是否超过了正常波动的范围，由此判断该子单元的开关管是否发生开路故障；

(3)设计桥臂电流的滑模观测器，检测此桥臂电流的估计值与实际值的残差是否超过了正常波动的范围，由此判断该桥臂开关管是否发生上/下开路故障；

(4)当子单元电容电压和的滑模观测器与桥臂电流的滑模观测器都检测到开关管出现开路故障，即可定位出发生故障的子模块。

2.根据权利要求1所述的基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法，其特征在于，步骤(1)中，每相上下桥臂的第i个子模块的调制波相位差180°。

3.根据权利要求1所述的基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法，其特征在于，步骤(1)中，三相上/下桥臂的第i个子模块之间的电容电压波动量的相位各差60°。

4.根据权利要求1所述的基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程为：

(2-1)MMC正常工作时，根据MMC拓扑，得到j(j＝u,v,w)相上、下桥臂第i个子模块电容电压微分方程为：

式中，S_jpi和S_jni分别为上、下桥臂第i个子模块的开关函数；i_jpi和i_jni分别为j相上、下桥臂的桥臂电流；i_j为j相交流侧输出电流；u_jpi和u_jni分别为j相第i个子单元上/下桥臂电压，C_u为电容；

(2-2)对于第i个子单元，设计观测电压U_si的滑模观测器；其中，一个子单元由六个子模块组成，子单元观测电压U_si为一个子单元内部各子模块电容电压之和，即：

U_si＝u_wpi+u_wni+u_vpi+u_vni+u_upi+u_uni (2)

根据式(1)和式(2)得到：

将上式表示成状态方程：

式中，

表示子单元电容电压和的估计值，且：

i＝i_dc[1 ... 1]^T，i_a＝i_u[1 ... 1]^T，i_b＝i_v[1 ... 1]^T，i_c＝i_w[1... 1]^T

选择x为观测变量，定义

由此建立子单元电容电压和的滑模观测器方程：

其中饱和函数为：

其中，M为滑模观测器增益值，M的值越大，收敛能力越强，h为子单元滑模观测器的阈值；

(2-3)将子单元滑模观测器的阈值h设定为子单元电压波动量峰峰值的一半，根据子单元观测电压的估计值与实际值的残差以及设定的阈值，对子单元进行故障监测。

5.根据权利要求4所述的基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法，其特征在于，步骤(2-3)中，当检测到残差超过了设定的阈值且持续了一毫秒，即判断该子单元发生了开关管开路故障。

6.根据权利要求1所述的基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法，其特征在于，步骤(3)的具体过程为：

(3-1)对于j相桥臂的采样电流，根据基尔霍夫电压定律有：

式中，u_jp和u_jn分别是j相上/下桥臂电压，i_jp和i_jn分别是j相上/下桥臂电流，u_jo是j相输出电压，U_dc是直流侧电压，u_jpi和u_jni分别是j相上/下桥臂第i个子模块电容电压，S_jpi和S_jni分别是j相上/下桥臂第i个子模块的开关函数；

(3-2)设计每相桥臂电流的滑模观测器，将式(8)改写为如下方程：

式中，

表示桥臂电流估计值，且：

定义

由此建立桥臂电流滑模观测器方程：

其中，饱和函数：

其中，M为滑模观测器增益值，M的值越大，收敛能力越强，h为滑模观测器的阈值；

(3-3)将桥臂电流滑模观测器的阈值h设定为桥臂电流正常波动量峰峰值的一半，根据桥臂电流的估计值与实际值的残差以及设定的阈值，对桥臂电流进行故障检测。

7.根据权利要求1所述的基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法，其特征在于，步骤(3-3)中，如果检测到桥臂电流残差大于设定的阈值且持续了一毫秒，同时桥臂电流的估计值小于实际值，则判断出该桥臂上开关管发生开路故障；

如果检测到桥臂电流残差大于设定的阈值且持续了一毫秒，同时桥臂电流的估计值大于实际值，即可判断出该桥臂下开关管发生开路故障。

8.根据权利要求1所述的基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位方法，其特征在于，步骤(4)的具体过程为：

电容电压和的滑模观测器用于判断出第i个子单元发生故障，桥臂电流的滑模观测器用于判断出该桥臂发生上/下开关管开路故障；当两个滑模观测器同时检测到故障发生，即可定位出该桥臂第i个子模块发生了上/下开关管开路故障。

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