[发明专利]一种MMC半桥子模块开关管开路故障的识别和定位方法

说明书

本发明涉及一种MMC半桥子模块开关管开路故障的识别和定位方法，属于电力电子换流器故障诊断技术领域。本发明首先计算桥臂电流谐波畸变率，当THD超过阈值则该桥臂半桥子模块开关管发生了开路故障；基于故障桥臂半桥子模块的电容电压值，首先利用小波分解得到合适的分解信号，选取合适的细节分解信号进行希尔伯特变换得到包络谱，提取出有效故障特征，并利用离群点检测算法进行故障模块检测。本发明能有效提取故障特征并实现模块故障诊断，能够在桥臂中准确找到故障子模块。不需要额外的硬件资源。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，本发明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

本发明涉及一种MMC半桥子模块开关管开路故障的识别和定位方法，属于电力电子换流器故障诊断技术领域。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)，简称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。

由于MMC子模块为串联结构，并且子模块数量较多，子模块中的IGBT开路故障概率会相应的增加。又因为IGBT开路故障具有持续时间长并不易被监测的特点，IGBT开路故障最终会导致整个MMC系统无法工作甚至停机。因此，及时准确的开路故障诊断方法对MMC持续稳定运行至关重要。现有的MMC的故障诊断方法主要包括基于硬件监测、定位的方法和基于模型监测、定位的方法；但是，现有的MMC模型仅适用于MMC正常工作的条件下，当MMC发生开路故障时现有MMC数学模型不再适用；同时，通过分析子模块在开关管T₁或者T₂开路时的电流路径特征时可知，子模块在T₁或者T₂开路故障情况下，分别有三种状态与正常情况下的子模块运行状态完全相同，因此，这三种状态在现有的故障诊断方法下无法进行诊断，进而增加了故障诊断算法的诊断时间。

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

本发明要解决的技术问题是提供一种MMC半桥子模块开关管开路故障的识别和定位方法，不需要额外硬件资源，对系统参数不确定性不敏感，可实现子模块开路故障的同步检测与定位，从而解决上述问题。

本发明的技术方案是：一种MMC半桥子模块开关管开路故障的识别和定位方法，通过实时采集MMC半桥子模块电容电压数据，创新性地利用信号分析方法从各个半桥子模块电容电压数据中提取能反映子模块开关管开路故障的特征参数，并结合异常值检测实现故障诊断与预警。

具体步骤为：