[发明专利]基于改进观测器的MMC子模块开路故障诊断与定位方法

权利要求书

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。