CN107748313B

CN107748313B - 基于与或逻辑的识别hbsm-mmc内部短路故障的方法

Info

Publication number: CN107748313B
Application number: CN201710958904.9A
Authority: CN
Inventors: 郑涛; 张滋行; 李跃; 祁欢欢
Original assignee: North China Electric Power University; Global Energy Interconnection Research Institute
Current assignee: North China Electric Power University; Global Energy Interconnection Research Institute
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2019-12-03
Anticipated expiration: 2037-10-16
Also published as: CN107748313A

Abstract

本发明公开了一种基于“与”、“或”逻辑的识别HBSM‑MMC内部短路故障方法，所述方法包括以下步骤：(1)监测第n个HBSM的状态S_n；(2)监测第n个HBSM的电容电压u_cn，计算其电容电流i_cn；(3)计算n个HBSM的电容电流与桥臂电流的比值λ_n；(4)定义门槛值K，当λ_n≥K时，记β_n＝1；当λ_n<K时，记β_n＝0；(5)当S_n＝1时，令S_n和β_n进行“与”，用“*”表示“与”，并定义ρ_n1＝S_n*β_n；当S_n＝0时，令S_n和β_n进行“或”，用“+”表示“或”，并定义ρ_n2＝S_n+β_n，ρ_n1＝ρ_n2＝0，说明第n个HBSM内部未发生短路故障。本发明采用的计算方法简便，计算结果形式简单，仅有0和1两种形式，可以实现快速、精确、使用更少参数来对HBSM‑MMC中故障进行识别及定位。

Description

基于与或逻辑的识别HBSM-MMC内部短路故障的方法

技术领域

本发明属于HBSM-MMC本体内部保护配置技术领域，具体涉及一种基于“与”、“或”逻辑的识别HBSM-MMC内部短路故障的方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel converter，MMC)是基于电压源换流器直流输电(Voltage-sourced converter based HVDC，VSC-HVDC) 的新型拓扑结构。随着绝缘栅双极型晶闸管(Insulated Gate bipolar transisitor，IGBT)等电力电子器件的快速发展，MMC在全世界范围内得到了越来越广泛的应用。与传统的两电平或三电平VSC拓扑结构相比，MMC可以降低器件开关频率，减小器件的电压变化率和电流变化率，进而降低器件的损耗和均压难度。

子模块是MMC拓扑中最关键的部件，它不仅承担了两电平换流器直流侧电容支撑直流电压的作用，而且通过子模块中全控器件的开关决定了换流器交流侧输出电压的波形质量，可以说子模块是MMC中的“功率单元”。Rainer Marquardt在2010和2011年的两次电力电子会议上提出了广义MMC的概念，将子模块分为半桥子模块(Half Bridge Sub-module，HBSM)、全桥子模块(Full Bridge Sub-module，FBSM)和双箝位子模块(Clamping DoubleSub-module， CDSM)。其中基于半桥子模块HBSM的MMC(简称HBSM-MMC)在工程实际中最为常用，故本发明主要研究HBSM-MMC中短路故障的情况。

HBSM-MMC中短路的发生会使桥臂产生较大的换流，影响***正常运行，因此快速、准确识别及定位HBSM-MMC中的短路故障、并启动相应的保护是非常有必要的。

目前，国内外研究HBSM-MMC中短路故障识别方法的文献很少，汪波等(汪波，胡安，唐勇，等.IGBT电压击穿特性分析[J].电工技术学报,2011,26 (8):145-150)分析了IGBT过电压击穿机理，但未对其击穿后的故障特性进行分析；柳舟洲等(柳舟洲，同向前.大功率IGBT保护机理的分析[J].电气传动，2015,45(3):77-80.)研究了IGBT短路保护的机理，但并未相应的解决方案；陈息坤等(陈息坤，陈新，康永，等.一种新型的IGBT短路保护电路的设计[J]. 自动化与仪器仪表，2003,9:45-47.)提出了一种直接检测H桥中IGBT发生短路故障的方法，在详细分析IGBT短路检测原理的基础上给出了相应的IGBT短路保护电路，但H桥中IGBT的短路与HBSM中IGBT的短路故障特性存在差异，因此该方案不能直接用于HBSM中IGBT短路的识别；Sang Zixia等(Sang Zixia， Mao Chengxiong，Liu Jiming，etal.Analysis and simulation of fault characteristics of power switch failuresin distribution electronic power transformers[J].Energies，2013,6(8):4246-4268.)对级联H桥型电力电子变压器中IGBT短路故障进行了故障特性分析，但没有给出相应的保护方案，且故障特性分析不能直接用于MMC。

因此，有必要寻找更加快速、精确、使用参数更少的方法来对HBSM-MMC 中短路故障进行识别及定位，研究成果可作为现有HBSM-MMC中短路故障诊断的有益补充，有助于提高HBSM-MMC本体内部保护的快速性和可靠性。

发明内容

为解决现有的识别HBSM-MMC中短路故障的方法所存在的问题，本发明提出一种基于“与”、“或”逻辑的HBSM-MMC内部短路故障识别方法，该方法能够快速、精确识别发生开路故障的HBSM及电力电子器件，其主要技术特征是将HBSM的工作状态及HBSM中的电容电流与桥臂电流的比值进行“与”、“或”，从而实现对HBSM内部短路故障快速、准确识别及定位。首先进行以下定义。

(1)定义HBSM的工作状态

采用S_n表示第n个HBSM的工作状态，并做如下规定：

其中，n＝1,2…2N，N为上、下桥臂的级联HBSM数。

(2)定义HBSM电容电流与桥臂电流的比值:

第n个HBSM的电容电流的计算公式为：

其中，i_cn为第n个HBSM的电容电流，u_cn为第n个HBSM的电容电压，C_n为第n个HBSM的电容值。

第n个HBSM电容电流与桥臂电流的比值用λ_n表示，即：

正常工作时：当S_n＝1时，表示第n个HBSM处于投入状态，输出电压为其电容电压u_cn，电容电流与桥臂电流相等，即i_arm＝i_cn，λ_n＝1；当S_n＝0时，表示第n个HBSM处于切除状态，输出电压为0，电容电流i_cn＝0，λ_n＝0。

(3)对T_N1或D_N1的短路情况进行故障特性分析:

当T_N1或D_N1发生短路后，会导致S_n＝0，即T_N2处于导通状态时，在电路间会形成子模块桥臂直通。此时，子模块电容会迅速放电导致电容电压迅速下降，电容放电电流远远大于桥臂电流，β_n＝1，ρ₂＝S_n+β_n＝1。

(4)对T_N2或D_N2的短路情况进行故障特性分析:

当T_N2或D_N2发生短路后，会导致S_n＝1，即T_N1处于导通状态时，在电路间会形成子模块桥臂直通。此时，子模块电容会迅速放电导致电容电压迅速下降，电容放电电流远远大于桥臂电流，β_n＝1，ρ₁＝S_n*β_n＝1。

(5)对T_N2、D_N2与T_N1、D_N1中均有短路发生或子模块电容发生短路的情况进行故障特性分析：

此时，不论S_n处于何种状态，电路间都会形成桥臂直通，电容迅速放电，放电电流远远大于桥臂电流，ρ₁＝S_n*β_n＝1，ρ₂＝S_n+β_n＝1。

在上述说明基础上，本发明提出一种基于“与”、“或”逻辑的识别HBSM-MMC 内部短路故障的方法，，其特征在于，包括以下步骤：

(1)：监测第n个HBSM的状态S_n；

(2)：监测第n个HBSM的电容电压u_cn，计算其电容电流i_cn；

(3)：计算第n个HBSM的电容电流与桥臂电流的比值λ_n；

(4)：定义门槛值K，当λ_n≥K时，记β_n＝1；当λ_n<K时，记β_n＝0；

(5)：当S_n＝1时，令S_n和β_n进行“与”，用“*”表示“与”，并定义ρ_n1＝S_n*β_n；当S_n＝0时，令S_n和β_n进行“或”，用“+”表示“或”，并定义ρ_n2＝S_n+β_n。ρ_n1＝ρ_n2＝0，说明第n个HBSM内部未发生短路故障；当ρ_n1＝1时，立即改变子模块的状态，即从S_n＝1状态切换至S_n＝0状态，此时如果ρ_n2＝0，说明仅有T_N2或D_N2发生短路；如果ρ_n2＝1，说明T_N2、D_N2与T_N1、D_N2中均有短路的发生或子模块电容发生短路；同理，当ρ_n2＝1时，立即改变子模块的状态，即从S_n＝0状态切换至S_n＝1状态，此时如果ρ_n1＝0，说明仅有T_N1或D_N1发生短路；如果ρ_n1＝1，说明T_N2、D_N2与T_N1、D_N2中均有短路的发生或子模块电容发生短路。

进一步，步骤(1)中所述第n个HBSM的状态，采用S_n表示第n个HBSM 的工作状态，并做如下规定：

其中，n＝1,2…2N，N为上、下桥臂的级联HBSM数。

进一步，步骤(2)中所述第n个HBSM的电容的电流计算公式为：

其中，i_cn为第n个HBSM的电容的电流，u_cn为第n个HBSM的电容电压， C_n为第n个HBSM的电容值。

进一步，步骤(3)中第n个HBSM的电容电流与桥臂电流的比值用λ_n表示，即：

进一步，步骤(4)中所述门槛值K为子模块电容电流门槛值K。

进一步，步骤(5)中，对T_N1或D_N1的短路情况进行故障特性分析，当T_N1或D_N1发生短路后，会导致S_n＝0，即T_N2处于导通状态，在电路间会形成子模块桥臂直通，此时，子模块电容会迅速放电导致电容电压迅速下降，电容放电电流远远大于桥臂电流，β_n＝1，ρ_n2＝S_n+β_n＝1。

进一步，步骤(5)中，对T_N2或D_N2的短路情况进行故障特性分析，当T_N2或D_N2发生短路以后，会导致当S_n＝1，即T_N1处于导通状态时，在电路间会形成子模块桥臂直通，此时，子模块电容会迅速放电导致电容电压迅速下降，电容放电电流远远大于桥臂电流，β_n＝1，ρ_n1＝S_n*β_n＝1。

进一步，步骤(5)中，对T_N2、D_N2与T_N1、D_N1中均有短路的发生或子模块电容发生短路的情况进行故障特性分析，此时，不论S_n处于何种状态，电路间都会形成桥臂直通，电容迅速放电，放电电流远远大于桥臂电流，ρ_n1＝S_n*β_n＝1，ρ_n2＝S_n+β_n＝1。

本发明方法的有益效果是，采用的计算方法简便，计算结果形式简单，仅有0和1两种形式，可以实现快速、精确、使用更少参数来对HBSM-MMC中故障进行识别及定位。

附图说明

图1为本发明方法的仿真模型***图。

图2为本发明具体实施方式中基于“与”、“或”逻辑的HBSM-MMC内部短路故障识别方法流程示意图。

图3为本发明具体实施方式中第3个HBSM中一个IGBT发生短路后的指标ρ₃₁、ρ₃₂以及S₃的示意图。

图4为本发明具体实施方式中第3个HBSM中两个IGBT均发生短路后的指标ρ₃₁、ρ₃₂以及S₃的示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

用于该HBSM-MMC中IGBT开路故障识别方法的仿真模型如图1所示，图2 为利用该方法进行HBSM中短路故障识别的流程图。本发明提出一种基于“与”、“或”逻辑的识别HBSM-MMC内部IGBT短路故障的方法，该方法能够快速、精确识别及定位发生故障的HBSM及功率器件，该方案的具体过程为：

(1)监测第n个HBSM的状态S_n：

采用S_n表示第n个HBSM的工作状态，并做如下规定：

其中，n＝1,2…2N，N为上、下桥臂的级联HBSM数。

(2)监测第n个HBSM的电容电压u_cn，计算其电容电流i_cn：

第n个HBSM的电容电流的计算公式为：

(3)计算第n个HBSM的电容电流与桥臂电流的比值，用λ_n表示，即：

(4)定义门槛值K，当λ_n≥K时，记β_n＝1；当λ_n<K时，记β_n＝0；

(5)当S_n＝1时，令S_n和β_n进行“与”，用“*”表示“与”，并定义ρ_n1＝S_n*β_n；当S_n＝0时，令S_n和β_n进行“或”，用“+”表示“或”，并定义ρ_n2＝S_n+β_n。ρ_n1＝ρ_n2＝0，说明第n个HBSM内部未发生短路故障；当ρ_n1＝1时，立即改变子模块的状态，即从S_n＝1状态切换至S_n＝0状态，此时如果ρ_n2＝0，说明仅有T_N2或D_N2发生短路；如果ρ_n2＝1，说明T_N2、D_N2与T_N1、D_N1中均有短路的发生或子模块电容发生短路；同理，当ρ_n2＝1时，立即改变子模块的状态，即从S_n＝0状态切换至S_n＝1状态，此时如果ρ_n1＝0，说明仅有T_N1或D_N1发生短路；如果ρ_n1＝1，说明T_N2、D_N2与T_N1、D_N1中均有短路的发生或子模块电容发生短路。

下面进一步通过两个具体实施例介绍本发明的技术方案。

假设图1中A相上桥臂第3个HBSM中的T₁₃在t＝1s时刻发生短路故障，故障后ρ₃₂＝1，又由图3中可以看出，故障时刻S₃＝0，当ρ₃₂由0跳变成1后，S₃立即由 0变为1，之后发现ρ₃₁＝0，说明只有T₁₃发生短路。

同样的，假设图1中A相上桥臂第3个HBSM中的T₁₃、T₂₃在t＝1s时刻均发生短路故障，由于故障时刻S₃＝0，所以先变为1的为ρ₃₂，当S₃由0变为1后，ρ₃₁由 0变为1，说明T₁₃、T₂₃均发生短路。

注：本发明中，故障发生后，当ρ_n1、ρ_n2变为1后将保持在1不变，且故障后子模块的状态在强制转换后，S_n的值也将保持不变。

由仿真结果可知，本发明提出的基于“与”、“或”逻辑的识别HBSM-MMC 中短路故障的新方法可以实现快速、精确、且在使用更少参数的情况下来对 HBSM-MMC中短路故障进行识别及定位。因此，该方案满足***对HBSM-MMC内部短路故障识别快速性、可靠性、实用性的要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方案，但本发明的适用范围不仅局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的适用范围之内。因此，本发明的适用范围应该以权利要求的适用范围为准。

Claims

1.一种基于与或逻辑的识别HBSM-MMC内部IGBT短路故障方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)监测第n个HBSM的状态S_n；所述第n个HBSM的状态，采用S_n表示第n个HBSM的工作状态，并做如下规定：

其中，n＝1,2…2N，N为上、下桥臂的级联HBSM数；

(2)监测第n个HBSM的电容电压u_cn，计算其电容电流i_cn；

(3)计算第n个HBSM的电容电流与桥臂电流的比值λ_n；

(5)对T_1n或D_1n的短路情况进行故障特性分析，当S_n＝1时，令S_n和β_n进行“与”，用“*”表示“与”，并定义ρ_n1＝S_n*β_n；当S_n＝0时，令S_n和β_n进行“或”，用“+”表示“或”，并定义ρ_n2＝S_n+β_n，ρ_n1＝ρ_n2＝0，说明第n个HBSM内部未发生短路故障；当ρ_n1＝1时，立即改变子模块的状态，即从S_n＝1状态切换至S_n＝0状态，此时如果ρ_n2＝0，说明仅有T_2n或D_2n发生短路；如果ρ_n2＝1，说明T_2n、D_2n与T_1n、D_1n中均有短路的发生或子模块电容发生短路；同理，当ρ_n2＝1时，立即改变子模块的状态，即从S_n＝0状态切换至S_n＝1状态，此时如果ρ_n1＝0，说明仅有T_1n或D_1n发生短路；如果ρ_n1＝1，说明T_2n、D_2n与T_1n、D_1n中均有短路的发生或子模块电容发生短路；当T_1n或D_1n发生短路后，会导致S_n＝0，即T_2n处于导通状态，在电路间会形成子模块桥臂直通，此时，子模块电容会迅速放电导致电容电压迅速下降，电容放电电流远远大于桥臂电流，β_n＝1，ρ_n2＝S_n+β_n＝1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤(2)中所述第n个HBSM的电容的电流计算公式为：

其中，i_cn为第n个HBSM的电容的电流，u_cn为第n个HBSM的电容电压，C_n为第n个HBSM的电容值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤(3)中第n个HBSM的电容电流与桥臂电流的比值用λ_n表示，即：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤(4)中所述门槛值K为子模块电容电流门槛值K。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤(5)中，对T_2n或D_2n的短路情况进行故障特性分析，当T_2n或D_2n发生短路以后，会导致当S_n＝1，即T_1n处于导通状态时，在电路间会形成子模块桥臂直通，此时，子模块电容会迅速放电导致电容电压迅速下降，电容放电电流远远大于桥臂电流，β_n＝1，ρ_n1＝S_n*β_n＝1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤(5)中，对T_2n、D_2n与T_1n、D_1n中均有短路的发生或子模块电容发生短路的情况进行故障特性分析，此时，不论S_n处于何种状态，电路间都会形成桥臂直通，电容迅速放电，放电电流远远大于桥臂电流，ρ_n1＝S_n*β_n＝1，ρ_n2＝S_n+β_n＝1。