CN118151056A - 一种模块化多电平换流器半桥子模块开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器半桥子模块开路故障诊断方法，包括：S1、建立三相模块化多电平换流器数学模型，构建无源滑模观测器；S2、验证观测器的无源性；S3、在换流器中实施观测器并监测数据，若所观测的桥臂电流数据异常，则直接判定该桥臂为出现故障子模块所在的桥臂，进入故障定位模式，若数据正常，则重复S3；S4、按照一定顺序依次假定故障桥臂上的故障子模块及其开关状态，计及假定的故障情况重新计算观测数据，与阈值比较，若相符则判定实际的故障子模块情况与假定情况一致，若不相符，则改变假定的故障子模块和开关状态，重复S4。与现有技术相比，本发明具有提高模块化多电平换流器中子模块的故障检测效率等优点。

Description

一种模块化多电平换流器半桥子模块开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其是涉及一种模块化多电平换流器半桥子模块开路故障诊断方法。

背景技术

电压源型换流器(VSC)是电能大功率传输中最广泛的转换器，因为其相较电流型换流器(LCC)具有能向孤岛送电，不会发生换相失败，占地面积小等优势广泛应用于柔性直流输电、新能源并网、电机驱动等领域。模块化多电平换流器(MMC)凭借其低开关频率、低谐波、易于扩展性等优势被认为是电压源型换流器(VSC)中最有前景的拓扑。扩展增加MMC子模块的数量可以提高电压级别，还可以进一步降低谐波和电力电子器件的开关频率。

在MMC的子模块可以分为半桥型、和全桥型。半桥型子模块需要两个开关器件，全桥型是半桥型的两倍。每个开关元件都是潜在的故障点，更多的子模块意味着更多的潜在故障点。当开关元件发生开路故障会导致子模块电容电压的增大，进而导致输出电流和电压的失真，如若不能及时隔离故障将进一步扩大故障范围，危害整个系统稳定性。因此，在发生子模块开路故障时快速、准确的定位故障子模块对于MMC安全稳定运行具有重要意义。

目前已有多种故障检测和定位方法被提出，基于硬件的方法，对每个子模块上的开关元件安装传感器，检测其运行状态。然而硬件的方法需要额外增加大量传感器以及检测回路，当子模块数量较多时，这不仅意味着极高的建设成本，而每个新增硬件监测装置可能引发更多的新故障。

发明内容

本发明的目的就是为了提高模块化多电平换流器中子模块的故障检测效率而提供的一种模块化多电平换流器子模块故障诊断方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模块化多电平换流器半桥子模块开路故障诊断方法，其特征在于，方法包括：

S1、建立三相模块化多电平换流器数学模型，构建无源滑模观测器；

S2、验证观测器的无源性；

S3、基于观测器获取三相半桥型模块化多电平换流器的每个相的每个桥臂的桥臂电流估计值，每个桥臂电流估计值与对应的桥臂电流测量值进行比较，若一个桥臂电流估计值与对应的桥臂电流测量值之差的绝对值大于等于电容电压误差阈值并至少持续一段时间，则判定数据异常，故障发生，该相该桥臂中的子模块发生故障，该桥臂为出现故障子模块的故障桥臂，进入故障定位模式，执行S4，反之，则判定为数据正常，视为工作在正常状态，重复S3；

S4、假定子模块故障情况，所述假定子模块故障情况具体为：假定故障桥臂上的故障子模块的编号及其开关状态；

基于观测器计算子模块故障情况下每个子模块的电容电压估计值，每个子模块的电容电压估计值分别与子模块故障情况下每个子模块的电容电压测量值进行比较，若各个子模块都满足：

电容电压估计值和对应的电容电压测量值之差的绝对值小于等于故障阈值并至少持续一段时间，则判定假定的子模块故障情况与实际相符，假定的故障子模块的编号为实际故障子模块的编号；反之则判定所假定的子模块正常运行，并非故障子模块，重新修改假定的子模块故障情况，然后重复S4，所述修改假定的子模块故障情况具体为按一定顺序依次改变故障子模块编号及其开关状态。

进一步地，所述三相半桥型模块化多电平换流器包括三个相单元，每个相单元由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由N个子模块串联构成，每个半桥型子模块由两个开关元件和一个电容组成。

进一步地，S1的具体步骤为：

S11、获取桥臂电流及各个子模块的电容电压和开关函数；

S12、根据桥臂电流及各个子模块的电容电压和开关函数得到桥臂电流和子模块的电容电压之间的数学关系，然后相应构建无源滑模观测器。

进一步地，无源滑模观测器为：

其中，表示换流器x相上桥臂电流估计值，i_px表示换流器x相上桥臂电流测量值，L表示换流器单相中单个桥臂上的等效电感值，R表示换流器单相中单个桥臂上的等效电阻，S_pxi表示换流器x相上桥臂i子模块的开关状态，u_cpxi表示换流器x相上桥臂i子模块的电容电压测量值，U_dc表示直流电压，u_sx表示换流器x相交流电压，k₁表示桥臂电流误差增益，L₁表示桥臂电流滑模增益，/>表示换流器x相下桥臂电流估计值，i_nx表示换流器x相下桥臂电流测量值，S_nxi表示换流器x相下桥臂i子模块的开关状态，u_cnxi表示换流器x相下桥臂i子模块的电容电压，/>表示换流器x相上桥臂i子模块的电容电压估计值，k₁表示电容电压误差增益，L₂表示电容电压滑模增益，/>表示换流器x相下桥臂i子模块的电容电压估计值，C表示换流器子模块电容值。

进一步地，桥臂电流和子模块的电容电压之间的数学关系为：

进一步地，S2的具体步骤为：

S21、证明观测器中桥臂电流估计部分的无源性；

S22、证明观测器中子模块电容电压估计部分的无源性。

进一步地，S21的具体步骤为：

获取桥臂电流观测误差，进行拉普拉斯变换，得到第一传递函数，分析输入能量与存储能量的关系，证明桥臂电流估计部分的无源性。

进一步地，S22的具体步骤为：

获取电容电压观测误差，进行拉普拉斯变换，得到第二传递函数，分析输入能量与存储能量的关系，证明子模块电容电压估计部分的无源性。

进一步地，传递函数满足正实性和KYP引理。

进一步地，输入能量大于存储能量，证明无源性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用无源滑模观测器，可同时实现故障检测和定位，可以以更快的速度实现子模块开路故障和短路故障，具有更好的鲁棒性，不需要额外增加传感器，在工程中易于实现，且不需要引入MMC系统环流，不会改变系统的输出特性。

附图说明

图1为本发明的故障诊断流程图；

图2为本发明的三相基于半桥子模块的模块化多电平换流器结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提出一种模块化多电平换流器子模块故障诊断方法，目的在于提供一种基于无源滑模观测器的模块化多电平换流器故障诊断方法，使得当换流器子模块发生故障时能够快速、准确地定位故障子模块，进而隔离故障子模块避免故障进一步扩大。方法的流程图如图1所示。方法包括：

S1、建立三相模块化多电平换流器数学模型，构建无源滑模观测器；

S2、验证观测器的无源性；

S3、基于观测器获取三相半桥型模块化多电平换流器的每个相的每个桥臂的桥臂电流估计值，每个桥臂电流估计值与对应的桥臂电流测量值进行比较，若一个桥臂电流估计值与对应的桥臂电流测量值之差的绝对值大于等于电容电压误差阈值并至少持续一段时间，则判定数据异常，故障发生，该相该桥臂中的子模块发生故障，该桥臂为出现故障子模块的故障桥臂，进入故障定位模式，执行S4，反之，则判定为数据正常，视为工作在正常状态，重复S3；

S4、假定子模块故障情况，所述假定子模块故障情况具体为：假定故障桥臂上的故障子模块的编号及其开关状态；

基于观测器计算子模块故障情况下每个子模块的电容电压估计值，每个子模块的电容电压估计值分别与子模块故障情况下每个子模块的电容电压测量值进行比较，若各个子模块都满足：

电容电压估计值和对应的电容电压测量值之差的绝对值小于等于故障阈值并至少持续一段时间，则判定假定的子模块故障情况与实际相符，假定的故障子模块的编号为实际故障子模块的编号；反之则判定所假定的子模块正常运行，并非故障子模块，重新修改假定的子模块故障情况，然后重复S4，所述修改假定的子模块故障情况具体为按一定顺序依次改变故障子模块编号及其开关状态。

本发明的三相半桥型模块化多电平换流器共有三个相单元，每个相单元由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由N个子模块串联构成，每个半桥型子模块又由两个开关元件和一个电容组成。直流侧电源为U_dc，正常运行时，每个相单元投入N个子模块，每个子模块承担U_dc/N的电压，通过改变上、下桥臂投入子模块的数目形成N+1个电平来拟合正弦电压。每个子模块都是潜在的故障点，故障类型分为短路故障和开路故障。当子模块开关器件IGBT或电容击穿发生短路故障时，在桥臂中会感应出很大的电流，一般会通过子模块过流保护直接闭锁子模块，因此本发明主要针对IGBT开路故障。子模块开关元件IGBT的开路将影响子模块电容的正常充电、放电过程，使故障子模块的电容电压总体呈现上升趋势，进而导致环流异常增大，影响MMC安全稳定运行。

三相半桥型模块化多电平换流器的结构如图2所示。

步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：步骤S11：采集x相上桥臂电流i_px和下桥臂电流i_nx，x相上桥臂各个子模块的电容电压u_cpxi，x相下桥臂各个子模块的电容电压u_cnxi，以及换流器x相上桥臂i子模块的开关状态S_pxi和下桥臂i子模块的开关状态S_nxi；x相为a相、b相或c相。

步骤S12：根据实时采集的桥臂电流、电容电压和开关状态得到模块化多电平换流器数学模型：

相应构建无源滑模观测器：

本发明中，步骤S2无源性及渐近稳定性论证具体包括以下步骤：

步骤S21，观测器中桥臂电流估计部分的无源性论证，具体包括以下步骤：

以上桥臂电流为例，将测量值和观测器估计值做差可得：

将上式进行拉普拉斯变换得到：

提取传递函数为：

若在频域内证明传递函数的正实性，需满足Re(H(jω))>0，并且lim_ω→∞ω²Re(H(jω))>0，因此可求得H(jω)的正实部部分为：

当

时，传递函数的正实性可证；由于G(s)满足正实性，所以其必将满足KYP引理，即存在：

A^TP+PA＝-L^TL-εP

PB＝C^T

令：

选择能量存储函数以v为输入，/>为输出，建立输入能量与存储能量的关系：

可见输入能量大于输出能量，即桥臂电流观测器无源性得证。

步骤S22，观测器中子模块电容电压估计部分的无源性论证，具体包括以下步骤：

以上桥臂单个子模块电容电压为例进行论证，取第i子模块测量值与其观测值做差可得观测误差为：

将第i个子模块电压误差关系式进行拉普拉斯变换得到：

令W(s)＝CG(s)，上式变为：

因此求得电容电压误差值与输入之间的传递函数为：

若证明其正实性，需满足Re(H(jω))>0，并且lim_ω→∞ω²Re(H(jω))>0，因此可求传递函数的正实部部分为：

当k₂＞0时，传递函数是严格正实的，由于G_2(s)满足正实性，所以其必将满足KYP引理，即存在：

A^TP+PA＝-L^TL-εP

PB＝C^T

令选择能量存储函数/>以：

为输入，为输出，建立输入能量与存储能量的关系：

至此子模块电容电压观测器的无源性得证。

步骤S3中故障检测具体方式为：将观测器观测出来的x相桥臂电流估计值和/>与测量值i_px和i_nx进行比较，估计值与测量值之差的绝对值大于等于电容电压误差阈值i_thpx和i_thnx，即/>或者/>并至少持续T₁时间，则故障检测判定故障发生，进入故障定位模式，否则，换流器被视为工作在正常状态，继续执行故障检测模式。

S3中，在换流器中实施观测器并监测数据，若所观测的桥臂电流数据异常，则直接判定该桥臂为出现故障子模块所在的桥臂，进入故障定位模式，若数据正常，则重复S3。

步骤S4中故障定位具体方式如下：故障检测判定系统的该相该桥臂故障后进入故障定位模式，故障定位模式按一定顺序依次假定故障子模块情况，再通过比较该相该桥臂每个子模块电容电压估计值或/>与测量值u_cpxi或u_cnxi做差的绝对值在T₂时间内是否超过阈值u_cthpxi和u_cthnxi来决定，若假定故障情况属实，则通过观测器观测出的估计值与测量值相一致，若假定情况不属实，则子模块电容电压估计值将在T₂时间内偏离实际测量值。即或/>因此通过依次排除该桥臂中错误假定的故障情况，则可以最终定位故障子模块。

S4中，按照一定顺序依次假定故障桥臂上的故障子模块及其开关状态，计及假定的故障情况重新计算观测数据，与阈值比较，若相符则判定实际的故障子模块情况与假定情况一致，若不相符，则改变假定的故障子模块和开关状态，重复S4。其中，改变假定的故障子模块和开关状态的次序可以为顺次改变，如首先将第一个子模块设为故障子模块。如果不相符，则将第二个子模块设为故障子模块，以此类推。

综上所述，本发明提供的模块化多电平换流器半桥子模块开路故障诊断方法，在不增加额外硬件设备的前提下实现对子模块故障的快速检测和定位。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模块化多电平换流器半桥子模块开路故障诊断方法，其特征在于，方法包括：

S1、建立三相模块化多电平换流器数学模型，构建无源滑模观测器；

S2、验证观测器的无源性；

S3、基于观测器获取三相半桥型模块化多电平换流器的每个相的每个桥臂的桥臂电流估计值，每个桥臂电流估计值与对应的桥臂电流测量值进行比较，若一个桥臂电流估计值与对应的桥臂电流测量值之差的绝对值大于等于电容电压误差阈值并至少持续一段时间，则判定数据异常，故障发生，该相该桥臂中的子模块发生故障，该桥臂为出现故障子模块的故障桥臂，进入故障定位模式，执行S4，反之，则判定为数据正常，视为工作在正常状态，重复S3；

S4、假定子模块故障情况，所述假定子模块故障情况具体为：假定故障桥臂上的故障子模块的编号及其开关状态；

基于观测器计算子模块故障情况下每个子模块的电容电压估计值，每个子模块的电容电压估计值分别与子模块故障情况下每个子模块的电容电压测量值进行比较，若各个子模块都满足：

电容电压估计值和对应的电容电压测量值之差的绝对值小于等于故障阈值并至少持续一段时间，则判定假定的子模块故障情况与实际相符，假定的故障子模块的编号为实际故障子模块的编号；反之则判定所假定的子模块正常运行，并非故障子模块，重新修改假定的子模块故障情况，然后重复S4，所述修改假定的子模块故障情况具体为按一定顺序依次改变故障子模块编号及其开关状态。

2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块故障诊断方法，其特征在于，所述三相半桥型模块化多电平换流器包括三个相单元，每个相单元由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由N个子模块串联构成，每个半桥型子模块由两个开关元件和一个电容组成。

3.根据权利要求2所述的一种模块化多电平换流器子模块故障诊断方法，其特征在于，S1的具体步骤为：

S11、获取桥臂电流及各个子模块的电容电压和开关函数；

S12、根据桥臂电流及各个子模块的电容电压和开关函数得到桥臂电流和子模块的电容电压之间的数学关系，然后相应构建无源滑模观测器。

4.根据权利要求3所述的一种模块化多电平换流器子模块故障诊断方法，其特征在于，无源滑模观测器为：

其中，表示换流器x相上桥臂电流估计值，i_px表示换流器x相上桥臂电流测量值，L表示换流器单相中单个桥臂上的等效电感值，R表示换流器单相中单个桥臂上的等效电阻，S_pxi表示换流器x相上桥臂i子模块的开关状态，u_cpxi表示换流器x相上桥臂i子模块的电容电压测量值，U_dc表示直流电压，u_sx表示换流器x相交流电压，k₁表示桥臂电流误差增益，L₁表示桥臂电流滑模增益，/>表示换流器x相下桥臂电流估计值，i_nx表示换流器x相下桥臂电流测量值，S_nxi表示换流器x相下桥臂i子模块的开关状态，u_cnxi表示换流器x相下桥臂i子模块的电容电压，/>表示换流器x相上桥臂i子模块的电容电压估计值，k₁表示电容电压误差增益，L₂表示电容电压滑模增益，/>表示换流器x相下桥臂i子模块的电容电压估计值，C表示换流器子模块电容值。

5.根据权利要求4所述的一种模块化多电平换流器子模块故障诊断方法，其特征在于，桥臂电流和子模块的电容电压之间的数学关系为：

6.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块故障诊断方法，其特征在于，S2的具体步骤为：

S21、证明观测器中桥臂电流估计部分的无源性；

S22、证明观测器中子模块电容电压估计部分的无源性。

7.根据权利要求6所述的一种模块化多电平换流器子模块故障诊断方法，其特征在于，S21的具体步骤为：

获取桥臂电流观测误差，进行拉普拉斯变换，得到第一传递函数，分析输入能量与存储能量的关系，证明桥臂电流估计部分的无源性。

8.根据权利要求6所述的一种模块化多电平换流器子模块故障诊断方法，其特征在于，S22的具体步骤为：

获取电容电压观测误差，进行拉普拉斯变换，得到第二传递函数，分析输入能量与存储能量的关系，证明子模块电容电压估计部分的无源性。

9.根据权利要求7或8所述的一种模块化多电平换流器子模块故障诊断方法，其特征在于，传递函数满足正实性和KYP引理。

10.根据权利要求7或8所述的一种模块化多电平换流器子模块故障诊断方法，其特征在于，输入能量大于存储能量，证明无源性。