[发明专利]一种MMC子模块开路故障诊断方法

说明书

本发明公开了一种MMC子模块开路故障诊断方法，其通过构造基于子模块电容电压值的随机矩阵，并利用单环定理分析所构造随机矩阵的特征值分布以判定MMC运行状态；若检测到子模块开路故障，对故障桥臂子模块电容电压进行统计分析，以定位故障子模块。本发明可兼容单/多子模块开路故障诊断，且所使用的子模块电容电压值已存在于现有MMC控制系统中，因此不需要额外的硬件资源。此外，由于本发明故障诊断基于数据分析完成，并不依赖于MMC解析模型，因此对系统参数的不确定性不敏感，具有较强的鲁棒性。

技术领域

本发明属于柔性直流输配电技术领域，具体涉及一种MMC子模块开路故障诊断方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)自2002年问世以来，以模块化程度高、输出波形质量好、阶跃电压低、器件开关频率低等特点，日益成为高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)输电系统中最具发展前景的换流器拓扑结构之一。MMC的上述优点来源于其子模块级联的结构，然而MMC中所包含的大量级联子模块同时也构成了大量的潜在故障点，这对MMC的运行可靠性带来了极大的挑战。MMC所使用的子模块通常由开关元件与无源元件共同构成，和无源元件相比，开关元件更脆弱也更易损坏，是MMC中故障率最高的部件；子模块开关元件故障将影响子模块输出特性，并进一步影响MMC工作特性。因此，子模块开关元件故障的有效诊断对提升MMC运行可靠性将带来很大的帮助。

子模块开关元件故障可分为开路故障和短路故障：短路故障由于其时间尺度短、破坏能力强的特点，通常由开关元件驱动进行诊断；和短路故障相比，开路故障特性更为多样，诊断难度也更大，MMC子模块开路故障的诊断方法包括硬件法和软件法：硬件法通过加入额外检测电路进行故障检测与定位，这不仅会增加系统构建成本，也会增加MMC系统潜在故障点的数量；软件法可进一步分为模型分析法与数据分析法，模型分析法中需事先依据MMC解析模型构建参考值，在此基础上，通过实际值与参考值的比较进行故障检测与定位；由于涉及系统信息，模型分析法对系统参数不确定性敏感，诊断性能受到很大限制；和模型分析法不同，数据分析法中的故障检测与定位基于统计或数据挖掘进行；由于不依赖于系统模型，数据分析法对系统参数不确定性有很强的鲁棒性，是一种理想的MMC子模块开路故障诊断方法。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种MMC子模块开路故障诊断方法，该方法不需要额外硬件资源，对系统参数不确定性不敏感，可实现单/多子模块开路故障的准确检测与定位。

一种MMC子模块开路故障诊断方法，包括如下步骤：

(1)对于MMC的任一桥臂，基于子模块电容电压构造当前时刻该桥臂对应的随机矩阵；

(2)利用单环定理分析所述随机矩阵的特征值分布以判定该桥臂是否存在开路故障；

(3)对存在开路故障的桥臂进行子模块故障定位。

进一步地，所述步骤(1)的具体实现过程如下：

1.1为桥臂中每一个子模块分配一个长度为f_s/f_g的队列，用于存储子模块电容电压采样值，并在每一采样时刻对所述队列进行更新，即使得队列头元素出队，将新一采样时刻的子模块电容电压采样值加入队尾；f_s为采样频率，f_g为电网频率；

1.2在每一次队列更新后，计算队列中所有元素的平均值并对其进行n次随机扰动，并将生成的n个随机元素组成1×n维的随机向量，n为给定大于N_SM的自然数，N_SM为桥臂的子模块个数；

1.3在当前时刻队列更新后，将桥臂所有子模块对应的随机向量组成N_SM×n大小的矩阵，即当前时刻桥臂对应的随机矩阵。