CN110333426A - 一种模块化多电平储能***开路故障诊断装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力***故障诊断技术领域，提供一种模块化多电平储能***开路故障诊断装置及方法。该装置包括硬件检测单元、微处理器控制单元、通讯单元、上位机；硬件检测单元包括n个包括电压比较部分、信号隔离转换部分的硬件检测电路；电压比较部分包括比较器、两组采样电阻；信号隔离转换部分包括高速光耦，比较器的输出端与高速光耦的输入端连接；微处理器控制单元包括FPGA；高速光耦的输出端与FPGA的输入端电连接，FPGA的输出端与通讯单元电连接，通讯单元与上位机电连接或无线连接。本发明能够摆脱对控制器性能的依赖，响应速度高、容易实现，且能够在超级电容模组宽工作电压范围内实现对***开路故障的快速诊断、准确定位。

Description

一种模块化多电平储能***开路故障诊断装置及方法

技术领域

本发明涉及电力***故障诊断技术领域，特别是涉及一种模块化多电平储能***开路故障诊断装置及方法。

背景技术

近年来，模块化多电平换流器(MMC)因其优越的性能、灵活的组合模式以及高耐压等特点被广泛应用于高电压、大功率等场合。模块化多电平变换器作为能量传递的桥梁，在***中起着至关重要的作用，其安全性及可靠性影响着***的安全运行。但是，随着串联半桥变换器数量的增多，模块化多电平变换器出现故障的概率随之增大，因此如何快速准确地对***故障进行实时检测、诊断及定位显得尤为重要。

目前随着高压直流输电技术的快速发展，为了提高MMC的可靠性，大量关于功率变换器开路故障诊断的装置和方法被提出。但是多数诊断方式均为基于算法的诊断方式，随着模组串联数量增多，对控制器的性能要求也随之增加，控制器的性能会影响故障诊断速度。现有技术对控制器性能的依赖程度较高，响应速度较低，数学运算复杂，实现较难，很难在超级电容模组宽工作电压范围内实现对***开路故障的快速诊断。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种模块化多电平储能***开路故障诊断装置及方法，能够摆脱对控制器性能的依赖，响应速度高、数学运算简单、容易实现，且能够在超级电容模组宽工作电压范围内实现对***开路故障的快速诊断、准确定位。

本发明的技术方案为：

一种模块化多电平储能***开路故障诊断装置，所述储能***中设有模块化多电平直流变换器，所述模块化多电平直流变换器包括n个半桥变换器，所述n个半桥变换器依次串联后与电感L串联、与直流母线支撑电容C_s并联，直流母线支撑电容C_s还并联有串联连接的直流母线等效电阻R_s与直流母线电源U_s，第i∈{1,2,...,n}个半桥变换器包括第i个超级电容模组，第i个超级电容模组串联连接有上开关管S_i1、下开关管S_i2，上开关管S_i1、下开关管S_i2分别并联有上功率管VD_i1、下功率管VD_i2，其特征在于：包括硬件检测单元、微处理器控制单元、通讯单元、上位机；

所述硬件检测单元包括n个硬件检测电路，第i个硬件检测电路设置在第i个半桥变换器的输出侧，所述第i个硬件检测电路包括电压比较部分、信号隔离转换部分；所述电压比较部分包括比较器、第一采样电阻R₁、第二采样电阻R₂、第三采样电阻R₃、第四采样电阻R₄，所述第一采样电阻R₁、第二采样电阻R₂串联后与第i个超级电容模组并联，所述第三采样电阻R₃、第四采样电阻R₄串联后与下开关管S_i2并联，所述第一采样电阻R₁、第四采样电阻R₄的下端均与第i个超级电容模组的负极连接，所述第一采样电阻R₁、第二采样电阻R₂的连接点与所述比较器的第一电压输入端U_IN1,i连接，所述第三采样电阻R₃、第四采样电阻R₄的连接点与所述比较器的第二电压输入端U_IN2,i连接；所述信号隔离转换部分包括高速光耦，所述比较器的输出端与高速光耦的输入端连接；

所述微处理器控制单元包括FPGA；所述高速光耦的输出端与FPGA的输入端电连接，所述FPGA的输出端与通讯单元电连接，所述通讯单元与上位机电连接或无线连接。

一种使用上述模块化多电平储能***开路故障诊断装置进行模块化多电平储能***开路故障诊断的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：启动微处理器控制单元，微处理器控制单元通过半桥驱动信号S_1-、S₁₊控制硬件检测单元处于运行状态；

步骤2：第i个硬件检测电路的电压比较部分对第i个半桥变换器的输出电压进行实时检测，输出初始检测信号给信号隔离转换部分，信号隔离转换部分对初始检测信号进行电气隔离转换并输出检测信号F_i给微处理器控制单元；

步骤3：微处理器控制单元结合检测信号F_i与半桥驱动信号S_1-、S₁₊，根据开路故障诊断原理，判断开路故障是否发生，若没有开路故障发生，则返回步骤2；若有开路故障发生，则进入步骤4；

步骤4：微处理器控制单元记录故障发生的位置，将发生故障的半桥变换器对应的检测信号与数据库中存储的故障检测信号进行对比，判断故障类型，形成诊断信号F，并将诊断信号F通过通讯单元传输给上位机；同时改变半桥驱动信号S_1-、S₁₊来控制发生故障的半桥变换器动作，以缓解发生故障的半桥变换器的电压从而保护储能***；所述诊断信号F包括发生故障的半桥变换器对应的编号、检测信号、故障类型。

所述模块化多电平直流变换器采用移相控制方式，同一半桥变换器中上开关管和下开关管工作于互补导通模式；当母线电压高于设定值时，母线中的能量向超级电容模组传递并存储以稳定母线电压；当母线电压跌落时，超级电容模组中存储的能量向母线释放以稳定母线电压；正常工作状态下第i个半桥变换器的输出电压为

U_smi＝S_iU_sCi (1)

其中，S_i为当第i个半桥变换器的功率管为理想器件且忽略死区时间对输出电压的影响时第i个半桥变换器的开关函数，当第i个半桥变换器的上桥臂导通且下桥臂关断时S_i＝1，当第i个半桥变换器的下桥臂导通且上桥臂关断时S_i＝0；U_sCi为第i个半桥变换器的超级电容模组电压；

当考虑到死区时间对输出电压的影响时，以流向超级电容模组侧电流方向为正，在死区时间内第i个半桥变换器的输出电压为

其中，I_L为电感L的电流。

所述微处理器控制单元内置故障诊断算法，所述故障诊断算法包括开关信号上升延迟部分、具有使能和数据锁存功能的与门部分；

所述开关信号上升延迟部分用于避免延时导致的误诊断，上升延迟时间t_delay的范围为

t_on+t_dead+t_trans+t_pc＜t_delay＜t_min (3)

其中，t_on为开关管开通延迟时间，t_dead为死区时间，t_trans为半桥驱动信号传递延迟时间，t_pc为高速光耦开通延迟时间；t_min为开关管最小导通时间；

当开关函数为1时，与门部分开始工作，与门部分输出高电平表示***无开路故障，与门部分输出低电平表示***存在开路故障；开关函数由高电平转变成低电平时不会出现延迟，且与门部分停止工作，与门部分输出的电平锁存在停止工作前的状态。

所述开路故障诊断原理包括：

若开路故障类型为上桥臂开路：当储能***运行于储能状态时，若S_i＝1则上开关管S_i1导通、电流通过上功率管VD_i1对第i个超级电容模组进行充电，若S_i＝0则下开关管S_i2导通、该第i个半桥变换器运行于旁路状态；当储能***运行于释能状态时，电流将持续流经下功率管VD_i2，第i个超级电容模组存储的能量不能被释放；从而上桥臂开路时第i个半桥变换器的输出电压为

若开路故障类型为下桥臂开路：当储能***运行于储能状态时，电流将持续流经上功率管VD_i1对第i个超级电容模组进行充电；当储能***运行于释能状态时，若S_i＝1则第i个超级电容模组通过上开关管S_i1放电，若S_i＝0则第i个半桥变换器运行于旁路状态；从而下桥臂开路时第i个半桥变换器的输出电压为

若开路故障类型为上、下桥臂同时开路：当储能***运行于储能状态时，电流将持续流经上功率管VD_i1对第i个超级电容模组进行充电；当储能***运行于释能状态时，第i个超级电容模组不存在放电回路且一直运行于旁路状态；从而上、下桥臂同时开路时第i个半桥变换器的输出电压为

当储能***运行于储能状态时，下桥臂开路导致半桥变换器的输出电压出现变化，上桥臂开路对储能***无影响；当储能***运行于释能状态时，上桥臂开路导致半桥变换器的输出电压出现变化，而下桥臂开路对储能***无影响；上、下桥臂同时开路时，半桥变换器的输出电压的变化与单管开路故障相同，将上、下桥臂同时开路归为桥臂单管开路故障进行处理；死区时间内，桥臂工作状态简化为开路故障处理，储能***运行于不同工作状态下的死区时间时半桥变换器的输出电压不同；

第i个比较器的输入电压U_IN1,i、U_IN2,i分别取自第i个超级电容模组的输出电压、第i个半桥变换器的输出电压，

其中，U_IN1,i、U_IN2,i在比较器的允许工作电压范围之内；

在开关函数S_i的不同取值下，U_IN1,i、U_IN2,i之间的关系为

在***正常工作状态下，当S_i＝1时，比较器输出的初始检测信号为高电平，高速光耦对初始检测信号进行电气隔离转换后输出的检测信号F_i为高电平；当S_i＝0时，比较器输出的初始检测信号为低电平，高速光耦对初始检测信号进行电气隔离转换后输出的检测信号F_i为低电平；要满足U_IN1,i、U_IN2,i在比较器的允许工作电压范围之内，两组采样电阻的取值关系为

R₁R₄＞R₂R₃ (10)

超级电容模组在额定电压范围内工作时，不会影响比较器的正常工作；而***中由于管压降U_d的存在，比较器正常工作时超级电容模组的输出电压不能无限小，管压降U_d与超级电容模组的输出电压及半桥变换器的输出电压间的关系为

U_sCi＝U_smi+U_d (11)

将式(7)、式(8)、式(11)代入式(10)中，得到比较器正常工作下超级电容模组的输出电压的下限为

本发明的有益效果为：

本发明的模块化多电平储能***开路故障诊断装置及方法通过分析正常及故障时半桥子模组下桥臂承受电压不同，利用简单的硬件检测电路实时对半桥子模组的运行工况进行检测，现场可编程门阵列中的故障诊断算法结合硬件检测电路的检测结果和半桥驱动信号实现快速开路故障诊断。本发明的装置和方法不仅能够摆脱对控制器性能的依赖，同时具有较高响应速度，而且避免了复杂的数学运算，容易实现，能够在超级电容模组宽工作电压范围内实现对***的开路故障快速诊断、准确定位，提升超级电容储能***的安全性及可靠性。

附图说明

图1为本发明的模块化多电平储能***开路故障诊断装置的结构示意图；

图2为具体实施方式中模块化多电平直流变换器的拓扑结构图；

图3为具体实施方式中本发明模块化多电平储能***开路故障诊断装置与模块化多电平直流变换器之间的连接关系示意图；

图4为具体实施方式中FPGA中的故障诊断算法的结构示意图；

图5为上桥臂开路故障下半桥变换器的状态示意图；

图6为下桥臂开路故障下半桥变换器的状态示意图；

图7为上、下桥臂同时开路故障下半桥变换器的状态示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

本发明的模块化多电平储能***开路故障诊断装置用于对模块化多电平储能***进行开路故障诊断，如图2所示，为模块化多电平直流变换器的拓扑结构图。所述储能***中设有模块化多电平直流变换器，所述模块化多电平直流变换器包括n个半桥变换器，所述n个半桥变换器依次串联后与电感L串联、与直流母线支撑电容C_s并联，直流母线支撑电容C_s还并联有串联连接的直流母线等效电阻R_s与直流母线电源U_s，第i∈{1,2,...,n}个半桥变换器包括第i个超级电容模组，第i个超级电容模组串联连接有上开关管S_i1、下开关管S_i2，上开关管S_i1、下开关管S_i2分别并联有上功率管VD_i1、下功率管VD_i2，

如图1所示，本发明的模块化多电平储能***开路故障诊断装置，其特征在于：包括硬件检测单元、微处理器控制单元、通讯单元、上位机。

如图3所示，所述硬件检测单元包括n个硬件检测电路，第i个硬件检测电路设置在第i个半桥变换器的输出侧，所述第i个硬件检测电路包括电压比较部分、信号隔离转换部分；所述电压比较部分包括比较器、第一采样电阻R₁、第二采样电阻R₂、第三采样电阻R₃、第四采样电阻R₄，所述第一采样电阻R₁、第二采样电阻R₂串联后与第i个超级电容模组并联，所述第三采样电阻R₃、第四采样电阻R₄串联后与下开关管S_i2并联，所述第一采样电阻R₁、第四采样电阻R₄的下端均与第i个超级电容模组的负极连接，所述第一采样电阻R₁、第二采样电阻R₂的连接点与所述比较器的第一电压输入端U_IN1,i连接，所述第三采样电阻R₃、第四采样电阻R₄的连接点与所述比较器的第二电压输入端U_IN2,i连接；所述信号隔离转换部分包括高速光耦，所述比较器的输出端与高速光耦的输入端连接；

所述微处理器控制单元包括FPGA；所述高速光耦的输出端与FPGA的输入端电连接，所述FPGA的输出端与通讯单元电连接，所述通讯单元与上位机电连接或无线连接。

其中，FPGA(Field－Programmable GateArray)即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。本实施例中，FPGA的型号为XilinxZYNQ FPGA。

本发明的使用上述模块化多电平储能***开路故障诊断装置进行模块化多电平储能***开路故障诊断的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：启动微处理器控制单元，微处理器控制单元通过半桥驱动信号S_1-、S₁₊控制硬件检测单元处于运行状态；

步骤2：第i个硬件检测电路的电压比较部分对第i个半桥变换器的输出电压进行实时检测，输出初始检测信号给信号隔离转换部分，信号隔离转换部分对初始检测信号进行电气隔离转换并输出检测信号F_i给微处理器控制单元；

步骤3：微处理器控制单元结合检测信号F_i与半桥驱动信号S_1-、S₁₊，根据开路故障诊断原理，判断开路故障是否发生，若没有开路故障发生，则返回步骤2；若有开路故障发生，则进入步骤4；

步骤4：微处理器控制单元记录故障发生的位置，将发生故障的半桥变换器对应的检测信号与数据库中存储的故障检测信号进行对比，判断故障类型，形成诊断信号F，并将诊断信号F通过通讯单元传输给上位机；同时改变半桥驱动信号S_1-、S₁₊来控制发生故障的半桥变换器动作，以缓解发生故障的半桥变换器的电压从而保护储能***；所述诊断信号F包括发生故障的半桥变换器对应的编号、检测信号、故障类型。

所述模块化多电平直流变换器采用移相控制方式，同一半桥变换器中上开关管和下开关管工作于互补导通模式；当母线电压高于设定值时，母线中的能量向超级电容模组传递并存储以稳定母线电压；当母线电压跌落时，超级电容模组中存储的能量向母线释放以稳定母线电压；正常工作状态下第i个半桥变换器的输出电压为

U_smi＝S_iU_sCi (1)

其中，S_i为当第i个半桥变换器的功率管为理想器件且忽略死区时间对输出电压的影响时第i个半桥变换器的开关函数，当第i个半桥变换器的上桥臂导通且下桥臂关断时S_i＝1，当第i个半桥变换器的下桥臂导通且上桥臂关断时S_i＝0；U_sCi为第i个半桥变换器的超级电容模组电压；

当考虑到死区时间对输出电压的影响时，以流向超级电容模组侧电流方向为正，在死区时间内第i个半桥变换器的输出电压为

其中，I_L为电感L的电流。

如图4所示，所述微处理器控制单元内置故障诊断算法，所述故障诊断算法包括开关信号上升延迟部分、具有使能和数据锁存功能的与门部分；

所述开关信号上升延迟部分用于避免延时导致的误诊断，上升延迟时间t_delay的范围为

t_on+t_dead+t_trans+t_pc＜t_delay＜t_min (3)

其中，t_on为开关管开通延迟时间，t_dead为死区时间，t_trans为半桥驱动信号传递延迟时间，t_pc为高速光耦开通延迟时间；t_min为开关管最小导通时间；

当开关函数为1时，与门部分开始工作，与门部分输出高电平表示***无开路故障，与门部分输出低电平表示***存在开路故障；开关函数由高电平转变成低电平时不会出现延迟，且与门部分停止工作，与门部分输出的电平锁存在停止工作前的状态。

所述开路故障诊断原理包括：

如图5所示，若开路故障类型为上桥臂开路：当储能***运行于储能状态时，若S_i＝1则上开关管S_i1导通、电流通过上功率管VD_i1对第i个超级电容模组进行充电，若S_i＝0则下开关管S_i2导通、该第i个半桥变换器运行于旁路状态；当储能***运行于释能状态时，电流将持续流经下功率管VD_i2，第i个超级电容模组存储的能量不能被释放；从而上桥臂开路时第i个半桥变换器的输出电压为

如图6所示，若开路故障类型为下桥臂开路：当储能***运行于储能状态时，电流将持续流经上功率管VD_i1对第i个超级电容模组进行充电；当储能***运行于释能状态时，若S_i＝1则第i个超级电容模组通过上开关管S_i1放电，若S_i＝0则第i个半桥变换器运行于旁路状态；从而下桥臂开路时第i个半桥变换器的输出电压为

如图7所示，若开路故障类型为上、下桥臂同时开路：当储能***运行于储能状态时，电流将持续流经上功率管VD_i1对第i个超级电容模组进行充电；当储能***运行于释能状态时，第i个超级电容模组不存在放电回路且一直运行于旁路状态；从而上、下桥臂同时开路时第i个半桥变换器的输出电压为

第1个半桥变换器在正常模式和开路故障下的输出电压如表1所示，当储能***运行于储能状态时，下桥臂开路导致半桥变换器的输出电压出现变化，上桥臂开路对储能***无影响；当储能***运行于释能状态时，上桥臂开路导致半桥变换器的输出电压出现变化，而下桥臂开路对储能***无影响；上、下桥臂同时开路时，半桥变换器的输出电压的变化与单管开路故障相同，将上、下桥臂同时开路归为桥臂单管开路故障进行处理；死区时间内，桥臂工作状态简化为开路故障处理，储能***运行于不同工作状态下的死区时间时半桥变换器的输出电压不同；

第i个比较器的输入电压U_IN1,i、U_IN2,i分别取自第i个超级电容模组的输出电压、第i个半桥变换器的输出电压，

其中，U_IN1,i、U_IN2,i在比较器的允许工作电压范围之内；

表1

在开关函数S_i的不同取值下，U_IN1,i、U_IN2,i之间的关系为

在***正常工作状态下，当S_i＝1时，比较器输出的初始检测信号为高电平，高速光耦对初始检测信号进行电气隔离转换后输出的检测信号F_i为高电平；当S_i＝0时，比较器输出的初始检测信号为低电平，高速光耦对初始检测信号进行电气隔离转换后输出的检测信号F_i为低电平；要满足U_IN1,i、U_IN2,i在比较器的允许工作电压范围之内，两组采样电阻的取值关系为

R₁R₄＞R₂R₃ (10)

超级电容模组在额定电压范围内工作时，不会影响比较器的正常工作；而***中由于管压降U_d的存在，比较器正常工作时超级电容模组的输出电压不能无限小，管压降U_d与超级电容模组的输出电压及半桥变换器的输出电压间的关系为

U_sCi＝U_smi+U_d (11)

将式(7)、式(8)、式(11)代入式(10)中，得到比较器正常工作下超级电容模组的输出电压的下限为

其中，通过式(10)与式(12)并结合***选用开关管的工作特性对两组采样电阻进行合理设计，可以使半桥子模组在超级电容模组电压较小的情况下实现开路故障检测，从而使硬件检测电路能够在超级电容模组较宽工作电压范围内正常运行。

开路故障下半桥驱动信号与检测信号间的关系如表2所示。

表2

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种模块化多电平储能***开路故障诊断装置，所述储能***中设有模块化多电平直流变换器，所述模块化多电平直流变换器包括n个半桥变换器，所述n个半桥变换器依次串联后与电感L串联、与直流母线支撑电容C_s并联，直流母线支撑电容C_s还并联有串联连接的直流母线等效电阻R_s与直流母线电源U_s，第i∈{1,2,...,n}个半桥变换器包括第i个超级电容模组，第i个超级电容模组串联连接有上开关管S_i1、下开关管S_i2，上开关管S_i1、下开关管S_i2分别并联有上功率管VD_i1、下功率管VD_i2，其特征在于：包括硬件检测单元、微处理器控制单元、通讯单元、上位机；

所述硬件检测单元包括n个硬件检测电路，第i个硬件检测电路设置在第i个半桥变换器的输出侧，所述第i个硬件检测电路包括电压比较部分、信号隔离转换部分；所述电压比较部分包括比较器、第一采样电阻R₁、第二采样电阻R₂、第三采样电阻R₃、第四采样电阻R₄，所述第一采样电阻R₁、第二采样电阻R₂串联后与第i个超级电容模组并联，所述第三采样电阻R₃、第四采样电阻R₄串联后与下开关管S_i2并联，所述第一采样电阻R₁、第四采样电阻R₄的下端均与第i个超级电容模组的负极连接，所述第一采样电阻R₁、第二采样电阻R₂的连接点与所述比较器的第一电压输入端U_IN1,i连接，所述第三采样电阻R₃、第四采样电阻R₄的连接点与所述比较器的第二电压输入端U_IN2,i连接；所述信号隔离转换部分包括高速光耦，所述比较器的输出端与高速光耦的输入端连接；

所述微处理器控制单元包括FPGA；所述高速光耦的输出端与FPGA的输入端电连接，所述FPGA的输出端与通讯单元电连接，所述通讯单元与上位机电连接或无线连接。

2.一种使用如权利要求1所述的模块化多电平储能***开路故障诊断装置进行模块化多电平储能***开路故障诊断的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：启动微处理器控制单元，微处理器控制单元通过半桥驱动信号S_1-、S₁₊控制硬件检测单元处于运行状态；

步骤2：第i个硬件检测电路的电压比较部分对第i个半桥变换器的输出电压进行实时检测，输出初始检测信号给信号隔离转换部分，信号隔离转换部分对初始检测信号进行电气隔离转换并输出检测信号F_i给微处理器控制单元；

步骤3：微处理器控制单元结合检测信号F_i与半桥驱动信号S_1-、S₁₊，根据开路故障诊断原理，判断开路故障是否发生，若没有开路故障发生，则返回步骤2；若有开路故障发生，则进入步骤4；

步骤4：微处理器控制单元记录故障发生的位置，将发生故障的半桥变换器对应的检测信号与数据库中存储的故障检测信号进行对比，判断故障类型，形成诊断信号F，并将诊断信号F通过通讯单元传输给上位机；同时改变半桥驱动信号S_1-、S₁₊来控制发生故障的半桥变换器动作，以缓解发生故障的半桥变换器的电压从而保护储能***；所述诊断信号F包括发生故障的半桥变换器对应的编号、检测信号、故障类型。

3.根据权利要求2所述的模块化多电平储能***开路故障诊断方法，其特征在于，所述模块化多电平直流变换器采用移相控制方式，同一半桥变换器中上开关管和下开关管工作于互补导通模式；当母线电压高于设定值时，母线中的能量向超级电容模组传递并存储以稳定母线电压；当母线电压跌落时，超级电容模组中存储的能量向母线释放以稳定母线电压；正常工作状态下第i个半桥变换器的输出电压为

U_smi＝S_iU_sCi (1)

其中，S_i为当第i个半桥变换器的功率管为理想器件且忽略死区时间对输出电压的影响时第i个半桥变换器的开关函数，当第i个半桥变换器的上桥臂导通且下桥臂关断时S_i＝1，当第i个半桥变换器的下桥臂导通且上桥臂关断时S_i＝0；U_sCi为第i个半桥变换器的超级电容模组电压；

当考虑到死区时间对输出电压的影响时，以流向超级电容模组侧电流方向为正，在死区时间内第i个半桥变换器的输出电压为

其中，I_L为电感L的电流。

4.根据权利要求3所述的模块化多电平储能***开路故障诊断方法，其特征在于，所述微处理器控制单元内置故障诊断算法，所述故障诊断算法包括开关信号上升延迟部分、具有使能和数据锁存功能的与门部分；

所述开关信号上升延迟部分用于避免延时导致的误诊断，上升延迟时间t_delay的范围为

t_on+t_dead+t_trans+t_pc＜t_delay＜t_min (3)

其中，t_on为开关管开通延迟时间，t_dead为死区时间，t_trans为半桥驱动信号传递延迟时间，t_pc为高速光耦开通延迟时间；t_min为开关管最小导通时间；

当开关函数为1时，与门部分开始工作，与门部分输出高电平表示***无开路故障，与门部分输出低电平表示***存在开路故障；开关函数由高电平转变成低电平时不会出现延迟，且与门部分停止工作，与门部分输出的电平锁存在停止工作前的状态。

5.根据权利要求4所述的模块化多电平储能***开路故障诊断方法，其特征在于，所述开路故障诊断原理包括：

若开路故障类型为上桥臂开路：当储能***运行于储能状态时，若S_i＝1则上开关管S_i1导通、电流通过上功率管VD_i1对第i个超级电容模组进行充电，若S_i＝0则下开关管S_i2导通、该第i个半桥变换器运行于旁路状态；当储能***运行于释能状态时，电流将持续流经下功率管VD_i2，第i个超级电容模组存储的能量不能被释放；从而上桥臂开路时第i个半桥变换器的输出电压为

若开路故障类型为下桥臂开路：当储能***运行于储能状态时，电流将持续流经上功率管VD_i1对第i个超级电容模组进行充电；当储能***运行于释能状态时，若S_i＝1则第i个超级电容模组通过上开关管S_i1放电，若S_i＝0则第i个半桥变换器运行于旁路状态；从而下桥臂开路时第i个半桥变换器的输出电压为

若开路故障类型为上、下桥臂同时开路：当储能***运行于储能状态时，电流将持续流经上功率管VD_i1对第i个超级电容模组进行充电；当储能***运行于释能状态时，第i个超级电容模组不存在放电回路且一直运行于旁路状态；从而上、下桥臂同时开路时第i个半桥变换器的输出电压为

当储能***运行于储能状态时，下桥臂开路导致半桥变换器的输出电压出现变化，上桥臂开路对储能***无影响；当储能***运行于释能状态时，上桥臂开路导致半桥变换器的输出电压出现变化，而下桥臂开路对储能***无影响；上、下桥臂同时开路时，半桥变换器的输出电压的变化与单管开路故障相同，将上、下桥臂同时开路归为桥臂单管开路故障进行处理；死区时间内，桥臂工作状态简化为开路故障处理，储能***运行于不同工作状态下的死区时间时半桥变换器的输出电压不同；

第i个比较器的输入电压U_IN1,i、U_IN2,i分别取自第i个超级电容模组的输出电压、第i个半桥变换器的输出电压，

其中，U_IN1,i、U_IN2,i在比较器的允许工作电压范围之内；

在开关函数S_i的不同取值下，U_IN1,i、U_IN2,i之间的关系为

在***正常工作状态下，当S_i＝1时，比较器输出的初始检测信号为高电平，高速光耦对初始检测信号进行电气隔离转换后输出的检测信号F_i为高电平；当S_i＝0时，比较器输出的初始检测信号为低电平，高速光耦对初始检测信号进行电气隔离转换后输出的检测信号F_i为低电平；要满足U_IN1,i、U_IN2,i在比较器的允许工作电压范围之内，两组采样电阻的取值关系为

R₁R₄＞R₂R₃ (10)

超级电容模组在额定电压范围内工作时，不会影响比较器的正常工作；而***中由于管压降U_d的存在，比较器正常工作时超级电容模组的输出电压不能无限小，管压降U_d与超级电容模组的输出电压及半桥变换器的输出电压间的关系为

U_sCi＝U_smi+U_d (11)

将式(7)、式(8)、式(11)代入式(10)中，得到比较器正常工作下超级电容模组的输出电压的下限为