[发明专利]一种MMC子模块功率管开路故障的诊断方法

说明书

技术领域

本发明的一种模块化多电平变换器(Module Multilevel Converter,MMC)功率管开路故障的诊断方法，涉及电力电子技术、柔性直流输电故障诊断领域。

背景技术

近年来，MMC因为其模块化程度高、开关损耗小、冗余设计方便等优点，受到越来越多的关注。因为MMC由大量子模块构成，由于子模块采用串联结构，一个子模块故障势必会影响到其它的子模块。当子模块的开关管故障开路时，会造成子模块电容电压过压、桥臂电流冲击等危害。因此，需要首先检测出故障后准确定位出故障子模块将其旁路。

现有的故障检测技术有基于滑膜观测器的故障检测方法，这种方法能准确检测故障，但是需要每个子模块的开关状态，占用较多的DSP资源。还有基于神经网络的故障检测方法，但是需要大量的训练数据。在故障定位方面，在MMC系统中，需要使用均压算法均衡子模块悬浮的电容电压，移相载波交截输出的开关信号并不与开关管的驱动控制信号直接对应，而是通过基于排序法的电容电压平衡算法(the capacitor voltage balance algorithm based on the sorting method,CVBS)分配各子模块相应的开关驱动。所以平衡控制策略是给出子模块开关驱动，决定系统工作状态最关键的一步，直接决定了系统发生子模块故障时的工作特性，并深刻影响着故障诊断与容错机制的可靠性。然而，已有的研究成果大多将这三者割裂开来，并没有考虑子模块故障下平衡控制策略对系统工作特性的影响。如果在系统故障时仍然使用基于正常工作状态下设计的平衡控制策略，不仅会导致系统工作特性的进一步恶化，也会使得相应的子模块故障诊断与容错机制失效。

发明内容

发明目的：针对MMC子模块功率管的开路故障，研制一种故障诊断方法，包括快速检测出子模块功率管的开路故障及准确定位出故障子模块。本发明适用于基于半桥子模块的MMC电路，兼具快速性和鲁棒性。

技术方案：

一种模块化多电平变换器的子模块功率管的开路故障诊断方法，模块化多电平变换器每一相有上下两个桥臂，每个桥臂包括桥臂电感和若干子模块，各子模块之间以及子模块与桥臂电感之间串联连接，所述子模块采用半桥拓扑，包括上下两个功率管S₁、S₂和电容器，所述功率管S₁的发射极作为子模块的输入端，功率管S₂的发射极作为子模块的输出端，所述电容器与两个功率管并联连接，所述模块化多电平变换器的子模块功率管的开路故障诊断方法包括如下三个步骤，

第一步，故障检测，采用基于luenberger观测器观测桥臂电流检测子模块功率管开路故障是否发生；

第二步，故障定位，采用屏蔽基于排序法的电容电压平衡算法后比较电容电压的检测值与阈值进行故障子模块的定位；

第三步，重新加入电容电压平衡算法，排序跳过故障子模块。

进一步地，第一步的具体步骤为：

(1)检测直流侧电压、上下桥臂电压、上下桥臂电流、交流输出电压等参数，根据检测到的电路参数，对上下桥臂分别列写KVL方程，具体为：

式中，L是桥臂电感，R是桥臂等效电阻，U_dc是直流侧电压，i_p、i_n分别是上下桥臂电流，u_p、u_n分别是上下桥臂电压，u_o是交流输出电压；

(2)将上式写成状态方程的形式

其中,为x的导数，

(3)将第(2)步的表达式写成luenberger观测器的形式

其中，是桥臂电流的观测值，为桥臂电流观测值的导数,K是观测器的增益矩阵，k₁为增益变量,

(4)通过第(3)步计算出桥臂电流的观测值后，比较桥臂电流的实际值与观测值，当它们之间的差值超过阈值i_th并且持续Δt₁时间，判断发生故障，并且根据是上桥臂还是下桥臂电流的实际值与观测值出现偏差，可以判断出故障子模块所在的桥臂。

进一步地，第二步的具体步骤为：

(1)在检测出故障后屏蔽故障子模块所在桥臂的CVBS，子模块的驱动直接由载波移相PWM控制输出决定；