CN114337342A - 模块化多电平变换器子模块故障检测定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平变换器子模块故障检测定位方法及装置，包括：构建模块化多电平变换器数学模型，分析模块化多电平变换器子模块正常工作和开关故障下的运行状态，及其对变换器输出特性的影响；根据所建数学模型，预测输出电流及环流；根据所预测的输出电流与实际值误差、所预测的环流与实际值误差，对子模块故障进行检测，同时定位故障所在的桥臂；针对所定位的桥臂，提取桥臂内电容电压值最高的子模块，利用改进拉依达判据技术对其异常值进行判断，从而定位故障的子模块。本发明所公开的检测定位方法及装置可快速定位不同位置的模块故障，不受功率参考阶跃的影响，可通过定位故障所在的桥臂，减少所需判断的子模块数量，降低模块故障定位的计算负担，提高故障定位速度。

Description

模块化多电平变换器子模块故障检测定位方法及装置

技术领域

本发明涉及多电平变换器技术领域，尤其涉及一种模块化多电平变换器子模块故障检测定位方法及装 置。

背景技术

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有模块化程度高、拓展性强、开关频率低 以及输出电压谐波特性好等优点。然而，MMC中子模块众多，拓扑中含有大量的开关器件，开关故障的 风险也随之提高。据统计，电力电子换流器中，约有超过38％的故障由半导体功率器件故障引起。因此， 开关器件的故障诊断技术具有重要的应用意义，逐渐成为电力电子功率变换器技术的重点关注内容。MMC 中通常包含大量的开关器件，其开关故障检测及定位方法的提出对提高其设备可靠性至关重要。

开关故障通常分为开路故障和短路故障。短路故障通常由过电流或物理短路引起，具有较强的破坏性， 并会在短时间内产生较高的过电流；开关开路故障通常由驱动信号传输故障、短路过热导致的内部连接导 线破裂、热损耗导致的键合导线脱落等引起。在实际工程应用中，短路故障检测及保护电路通常集成于开 关器件的驱动电路中。当检测到开关故障时，驱动电路将停止发送开关驱动信号，并将该模块旁路。相比 之下，开关开路故障通常破坏性较低，发生开路故障的子模块仅在某些特性开关状态下显示异常动作，因 而故障检测难度较高，甚至可能使设备在一定时间内以未被检测出的状态持续运行。如果无法及时诊断， 开路故障可能会导致其他设备的二次损坏，甚至导致***故障。因此，有必要对开关开路故障诊断(故障检 测及定位)技术进行研究。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

1、现有基于硬件的故障诊断技术可提供较快的故障定位速度，但其硬件成本相对较高，或者需要安 装额外的子模块电压传感器，破坏***结构的一致性，在实际应用中受到较大限制；

2、现有基于软件的故障诊断技术依赖于模型精度，计算量较大，不适用于模块数量较多的应用场景； 3、现有技术中很少针对并网应用场景下模块化多电平变换器的故障诊断进行分析和验证。

发明内容

本发明提供了一种模块化多电平变换器子模块故障检测定位方法及装置，本发明利用所预测的输出电 流与实际值误差、所预测的环流与实际值误差，对子模块故障类型进行检测，同时定位故障所在的桥臂， 利用改进拉依达判据技术对子模块电容电压异常值进行判断，定位故障的子模块，详见下文描述：

第一方面，一种MMC子模块故障检测定位方法，所述方法包括：

构建模块化多电平变换器数学模型，分析模块化多电平变换器子模块正常工作和开关故障下的运行状 态，及其对变换器输出特性的影响；

根据所建数学模型，预测输出电流及环流；

根据所预测的输出电流与实际值误差、所预测的环流与实际值误差，对子模块故障进行检测，同时定 位故障所在的桥臂；

针对所定位的桥臂，提取桥臂内电容电压值最高的子模块，利用改进拉依达判据技术对其异常值进行 判断，从而定位故障的子模块。

其中，所述分析模块化多电平变换器子模块正常工作和开关故障下的运行状态，及其对变换器输出特 性的影响具体为：

如图1所示，本发明以双星半桥型(Double Star Chopper Cell,DSCC)MMC结构为研究对象。DSCC型 MMC含有三个相单元，每个相单元包含上桥臂和下桥臂。每个桥臂包含N个半桥子模块和一个桥臂电感(等 效电感L_arm和等效电阻R_arm)。上桥臂和下桥臂间的耦合点通过滤波电感(等效电感L_eq和等效电阻R_eq)连接 到交流电网。每个子模块可通过控制其开关周期内的导通与关断实现子模块的投切。当子模块投入时，其 输出电压等于电容电压；当子模块被切除时，其输出电压为0。通过控制桥臂中各子模块的投切状态，可 在变换器交流输出侧生成多电平波形，从而控制变换器输出电流。

子模块输出状态由其开关函数S_xjm决定，定义开关函数S_xjm为：

式中，x表示桥臂所在位置，x＝u,l；j表示相序，j＝a,b,c；m表示每个桥臂中的子模块编号，m＝1, 2,…,N。

假设子模块电容电压为v_SM，则子模块输出电压可表示为

u_SM＝S_xjm·v_SM

当MMC子模块发生开路故障时，其输出电压和电流流通路径将仅在特定开关状态下受到影响。当子 模块发生开路故障时，其输出电压与正常工况运行下的理论值不符。此时，MMC的交流侧输出电压信号 以及环流控制回路电压信号均与理论值不符，外部表征为交流侧输出电流及环流均与理论值不符。因此， 可以利用该外部特征对MMC的子模块开路故障及其类型进行检测与判断。

其中，所述预测输出电流及环流具体为：

根据用于判断模块故障的控制方程：

假设由MMC控制器求出上桥臂和下桥臂的输出电压参考为

和

则将上式离散化后可分别得预测 输出电流i_{j_es}的离散模型和预测环流i_{cirj_es}的离散模型为：

式中，T_s表示采样周期(Hz)；k表示当前时刻；k+1表示下一时刻；i_j(k)表示当前时刻输出电流(A)；u_gj(k) 表示当前时刻交流电网电压(V)。

用于预测环流i_{cirj_es}的离散模型为：

式中，i_cirj(k)表示当前时刻环流。

其中，所述根据所预测的输出电流与实际值误差、所预测的环流与实际值误差，对子模块故障进行检 测，同时定位故障所在的桥臂具体为：

为检测开路故障，分别将计算所得输出电流误差以及环流误差与其门限值进行比较。当两个误差值及 其门限值均满足下式的约束时，则触发故障判定信号。当故障判定信号持续时间超过其持续时长门限值 ΔT_{f_th}时，则判定子模块发生故障。

式中，ΔI_{j_th}表示输出电流误差门限值(A)；ΔI_{cirj_th}表示环流误差门限值(A)。

在检测到子模块开路故障后，根据故障判据，可确定下式中故障代码的判据：

当输出电流误差为正且环流误差为正时，测得输出电流和环流均高于预测值；此时，根据故障判据， 上桥臂子模块发生开关S₁开路故障，故障代码判定为故障代码1；

当输出电流误差为负且环流误差为负时，测得的输出电流和环流均低于预测值；此时，根据故障判据， 上桥臂子模块发生开关S₂开路故障，故障代码判定为故障代码2；

当输出电流误差为负而环流误差为正时，测得的输出电流低于预测值而环流高于预测值；此时，根据 故障判据，下桥臂子模块发生开关S₁开路故障，故障代码判定为故障代码3；

当输出电流误差为正而环流误差为负时，测得的输出电流高于预测值而环流低于预测值；此时，根据 故障判据，下桥臂子模块发生开关S₂开路故障，故障代码判定为故障代码4；

通过以上过程，可检测到IGBT开路故障，确定故障类型并定位故障臂。

其中，所述利用改进拉依达判据技术对其异常值进行判断，从而定位故障的子模块具体为：

首先，对子模块电容电压进行测量和采样，并选出具有最高电容电压的子模块，将其记为：

v_SMp＝max{v_SM1,v_SM2,...,v_SMN}

然后，计算其余子模块电容电压平均值为：

此时，可求得非故障子模块电容电压标准差为：

最后，核验具有最高电容电压的子模块电压值，当该数值满足如下条件时，则可将该子模块判定为故 障子模块：

通过上述流程，可实现子模块IGBT开路故障的快速定位。

第二方面，一种MMC子模块故障检测定位装置，所述装置包括：

分析模块，用于分析模块化多电平变换器子模块正常工作和开关故障下的运行状态，及其对变换器输 出特性的影响；

预测模块，用于预测输出电流及环流；

检测模块，通过所预测的输出电流与实际值误差、所预测的环流与实际值误差，对子模块故障进行检 测，同时定位故障所在的桥臂；

定位模块，提取所定位的桥臂内电容电压值最高的子模块，利用改进拉依达判据技术对其异常值进行 判断，从而定位故障的子模块。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1)本发明所提子模块故障检测定位方法可检测故障发生的桥臂，减少所需判断的子模块数量，降低子 模块故障检测方法的计算负担；

2)本发明所提子模块故障检测定位方法通过改进依拉达判据技术对电容电压数据异常性进行判断，可 定位子模块故障，减少数据采集成本，提高故障定位速度，降低定位方法的复杂度；

3)本发明所提子模块故障检测定位方法不仅可以在稳定运行状态下正常运行，还不受功率参考阶跃的 影响，保证所提检测定位方法的鲁棒性；

4)本发明所提子模块故障检测定位方法可快速定位不同位置的子模块故障，保证所提检测定位方法的 应用性。

为进一步验证所提出子模块故障检测定位方法的有效性和实用性，通过实验室三相模块化多电平变换 器-静态同步补偿器样机进行了实验。采用的样机如图7所示。实验参数如表4所示。MMC的交流输出端 连接到三相可编程交流电源，MMC的直流侧则连接到直流电源。dSPACE 1006被用作为中央控制器， PSS15S92F6-AG(智能电源模块)用作功率模块的开关器件。实验结果通过示波器采集的波形给出。

附图说明

图1为模块化多电平变换器-静态同步补偿器拓扑结构图；

图2为正常工况下子模块电流流通路径示意图；

其中，图a)为工作模式I下电流流通路径；图b)为工作模式II下电流流通路径；图c)为工作模式III下电 流流通路径；图d)为工作模式IV下电流流通路径。

图3为两种绝缘栅双极型晶体管开路故障下的电路流通路径；

其中，图a)为S₁故障及子模块工作状态；图b)为S₂故障及子模块工作状态。

图4为本发明所提故障定位检测方法流程图；

图5为故障检测方法原理图；

图6为故障子模块定位原理图；

图7为三相模块化多电平变换器-静态同步补偿器实验样机图；

图8为SM_ua3子模块S₁故障；

其中，图a)为输出电流、环流及预测值；图b)为输出电流误差、环流误差及故障信号；图c)为a相子 模块电容电压。

图9为SM_ua4子模块S₂故障；

其中，图a)为输出电流、环流及预测值；图b)为输出电流误差、环流误差及故障信号；图c)为a相子 模块电容电压。

图10为SM_la3子模块S₁故障；

其中，图a)为输出电流、环流及预测值；图b)为输出电流误差、环流误差及故障信号；图c)为a相子 模块电容电压。

图11为SM_la4子模块S₂故障；

其中，图a)为输出电流、环流及预测值；图b)为输出电流误差、环流误差及故障信号；图c)为a相子 模块电容电压。

图12为本发明所提故障定位检测方法下稳态运行结果图；

其中，图a)为输出电流、环流及预测值；图b)为输出电流误差、环流误差及故障信号；图c)为a相子 模块电容电压。

图13为本发明所提故障定位检测方法下功率阶跃运行结果图；

其中，图a)为输出电流、环流及预测值；图b)为输出电流误差、环流误差及故障信号；图c)为a相子 模块电容电压。

具体实施方法

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了解决背景技术中存在的问题，实现并网应用场景下MMC子模块故障的快速、准确检测定位，本 发明实施例以DSCC-MMC结构为研究对象，研发一种在功率参考阶跃状态下实现不同位置子模块故障检 测定位方法。

实施例1

一种多端口中低压交直流混合微电网的能量分层控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤101：构建模块化多电平变换器数学模型，分析模块化多电平变换器子模块正常工作和开关故障 下的运行状态，及其对变换器输出特性的影响；

步骤102：根据所建数学模型，预测输出电流及环流；

步骤103：根据所预测的输出电流与实际值误差、所预测的环流与实际值误差，对子模块故障进行检 测，同时定位故障所在的桥臂；

步骤104：针对所定位的桥臂，提取桥臂内电容电压值最高的子模块，利用改进拉依达判据技术对其 异常值进行判断，从而定位故障的子模块；

步骤105：实验测试验证所提故障检测定位方法的有效性。

实施例2

下面结合具体的计算公式、附图、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

步骤201：构建模块化多电平变换器数学模型，分析模块化多电平变换器子模块正常工作和开关故障 下的运行状态，及其对变换器输出特性的影响；

如图1所示，本发明以双星半桥型(Double Star Chopper Cell,DSCC)MMC结构为研究对象。DSCC型 MMC含有三个相单元，每个相单元包含上桥臂和下桥臂。每个桥臂包含N个半桥子模块和一个桥臂电感(等 效电感L_arm和等效电阻R_arm)。上桥臂和下桥臂间的耦合点通过滤波电感(等效电感L_eq和等效电阻R_eq)连接 到交流电网。每个子模块可通过控制其开关周期内的导通与关断实现子模块的投切。当子模块投入时，其 输出电压等于电容电压；当子模块被切除时，其输出电压为0。通过控制桥臂中各子模块的投切状态，可 在变换器交流输出侧生成多电平波形，从而控制变换器输出电流。

子模块输出状态由其开关函数S_xjm决定，定义开关函数S_xjm为：

式中，x表示桥臂所在位置，x＝u,l；j表示相序，j＝a,b,c；m表示每个桥臂中的子模块编号，m＝1, 2,…,N。

假设子模块电容电压为v_SM，则子模块输出电压可表示为：

u_SM＝S_xjm·v_SM (2)

当MMC子模块发生开路故障时，其输出电压和电流流通路径将仅在特定开关状态下受到影响。当子 模块发生开路故障时，其输出电压与正常工况运行下的理论值不符。此时，MMC的交流侧输出电压信号 以及环流控制回路电压信号均与理论值不符，外部表征为交流侧输出电流及环流均与理论值不符。因此， 可以利用该外部特征对MMC的子模块开路故障及其类型进行检测与判断。

在正常运行工况下，每个子模块有四种工作模式。各工作模式下电流流通路径如图2所示，其详细工 作状态描述列于表。在工作模式I中，桥臂电流为正(i_xj>0)，开关函数为1(S_xjm＝1)，子模块在该桥臂中被投 入。该模式下，电容被充电，模块输出电压为v_SM。在工作模式II中，桥臂电流为正(i_xj>0)，开关函数为 0(S_xjm＝0)，子模块在该桥臂中被切除。在该模式下，电容被旁路，模块输出电压为0。在工作模式III中， 臂电流为负(i_xj<0)，开关函数为1(S_xjm＝1)，子模块在该桥臂中被投入。在该模式下，电容放电，模块输出 电压为v_SM。在工作模式IV中，桥臂电流为负(i_xj<0)，开关函数为0(S_xjm＝0)，子模块在该桥臂中被切除。 在该模式下，电容被旁路，模块输出电压为0。

表1子模块工作模式

MMC等效控制回路包括两部分，包括输出电流控制回路和环流控制回路。在上述两个控制回路中应 用基尔霍夫电压定律(Kirchhoff's Voltage Law,KVL)可得：

式中，v_dc表示MMC直流侧电压；u_comj表示共模电压信号。

其中，i_j，u_j，i_cirj和u_comj可定义为：

L_eq和R_eq可定义为：

L_eq＝L+L_arm/2,R_eq＝R+R_arm/2 (5)

因此，上桥臂和下桥臂输出参考电压可表示为：

式中，

表示环流控制器电压参考信号；

表示MMC交流等效输出电压参考信号；

表示上桥 臂和下桥臂输出电压参考信号。

上述电压参考

和

可采用反推控制方法计算得出。

当MMC子模块发生开路故障时，其输出电压和电流流通路径将仅在特定开关状态下受到影响。如图 3所示，子模块中有两种类型IGBT开路故障：开关S₁故障和开关S₂故障。表2中列出两种类型故障下子 模块的工作情况。对于开关S₁故障，工作模式III(i_xj<0，S_xjm＝1)下的电流流通路径被阻断，电流将流过下 部二极管D₂。此时，电容应处于放电状态，实际却处于旁路状态；即其输出电压理论值为v_SM而实际输出 值为0。同时，故障子模块电容电压将逐渐增加。对于开关S₂故障，工作模式II(i_xj>0，S_xjm＝0)下的电流流 通路径被阻断，电流将流过上部二极管D₁。此时，电容应处于旁路状态，实际却处于充电状态；其输出电 压理论值为0而实际输出值为v_SM。同时，故障子模块电容电压同样将逐渐增加。

表2不同开路故障类型下故障子模块动作

综上可知，在上述两种开关开路故障下，故障子模块电容电压均趋于增加，从而导致交流侧输出电流 波形失真甚至设备故障。然而，故障子模块输出电压仅在特定开关状态下，表现出与理论值不符的特征。 此外，当子模块发生S₁开关开路故障时，其输出电压低于理论值；当子模块发生S₂开关开路故障时，其 输出电压高于理论值。利用该输出特性，可区分两种不同类型的子模块故障。

上述故障子模块的工作状态是本发明所提IGBT开路故障检测与定位方法的基础。

当子模块发生开路故障时，其输出电压与正常工况运行下的理论值不符。此时，MMC的交流侧输出 电压信号以及环流控制回路电压信号均与理论值不符，外部表征为交流侧输出电流及环流均与理论值不 符。因此，可以利用该外部特征对MMC的子模块开路故障及其类型进行检测与判断。

根据表中不同故障类型下子模块输出特征以及故障子模块所在的桥臂位置(上桥臂或下桥臂)，可将故 障类型对应四个故障代码，分别记为故障代码1、故障代码2、故障代码3和故障代码4。

将式(4)带入到(3)中，可得到用于判断模块故障的控制方程：

上述四个故障代码下，故障相的输出特性列于表1中，并在下文作进一步说明。

表1不同故障情况下的故障代码

故障代码1：在第1种故障情况下，开关S₁的开路故障发生在上桥臂。根据表中的故障子模块工作状 态描述，故障子模块将在特定开关状态下产生比理论值偏低的输出电压。此时，上桥臂输出电压u_uj将低 于理论参考值。根据式(7)中的动态方程，当u_uj减小时，MMC输出电流i_j增大，环流i_cirj也增大。由此可 知，在故障代码1下，所测得的MMC输出电流和环流将均高于理论值。

故障代码2：在第2种故障情况下，开关S₂的开路故障发生在上桥臂。根据表中的故障子模块工作状 态描述，故障子模块将在特定开关状态下产生比理论值偏高的输出电压。此时，上桥臂的输出电压u_uj将 高于理论参考值。根据式(7)中的动态方程，当u_uj增大时，MMC输出电流i_j减小，环流i_cirj也减小。由此 可知，在故障代码2下，所测得的MMC输出电流和环流将均低于理论值。

故障代码3：在第3种故障情况下，开关S₁的开路故障发生在下桥臂。根据表中的故障子模块工作状 态描述，故障子模块将在特定开关状态下产生比理论值偏低的输出电压。此时，下桥臂的输出电压u_lj将低 于理论参考值。根据式(7)中的动态方程，当u_lj减小时，MMC输出电流i_j减小，而环流i_cirj增大。由此可 知，在故障代码3下，所测得的MMC输出电流将均低于理论值，而测得环流将均高于理论值。

故障代码4：在第4种故障情况下，开关S₂的开路故障发生在下桥臂。根据表中的故障子模块工作状 态描述，故障子模块将在特定开关状态下产生比理论值偏高的输出电压。此时，下桥臂的输出电压u_lj将高 于理论参考值。根据式(7)中的动态方程，当u_lj增大时，MMC输出电流i_j增大，而环流i_cirj减小。由此可 知，在故障代码4下，所测得的MMC输出电流将均高于理论值，而测得环流将均低于理论值。

步骤202：根据所建数学模型，预测输出电流及环流；

基于步骤201关于MMC在子模块故障下的输出特性分析，可对故障检测方法进行设计，具体如图4 和图5所示。首先，根据控制器的控制变量，预测变换器的输出电流及环流，并将其与测量值对比；当二 者误差超过预设的门限值时，且持续超过一定时间时，判定为故障发生。然后根据式(12)中的判据，判定 故障桥臂以及故障类型。

假设由MMC控制器求出上桥臂和下桥臂的输出电压参考为

和

则将上式离散化后可分别得预测 输出电流i_{j_es}的离散模型和预测环流i_{cirj_es}的离散模型为：

式中，T_s表示采样周期(Hz)；k表示当前时刻；k+1表示下一时刻；i_j(k)表示当前时刻输出电流(A)；u_gj(k) 表示当前时刻交流电网电压(V)。

用于预测环流i_{cirj_es}的离散模型为：

式中，i_cirj(k)表示当前时刻环流。

步骤203：根据所预测的输出电流与实际值误差、所预测的环流与实际值误差，对子模块故障进行检 测，同时定位故障所在的桥臂；

假设在下一时刻测得输出电流和环流分别为i_j(k+1)和i_cirj(k+1)，则可将测量值和预测值之间的误差定 义为

式中，i_{j_error}(k+1)表示k+1时刻输出电流误差(A)；i_{cirj_error}(k+1)表示k+1时刻环流误差(A)。

为检测开路故障，需分别将计算所得输出电流误差以及环流误差与其门限值进行比较。当两个误差值 及其门限值均满足(11)中的约束时，则触发故障判定信号。当故障判定信号持续时间超过其持续时长门限 值ΔT_{f_th}时，则判定子模块发生故障。

式中，ΔI_{j_th}表示输出电流误差门限值(A)；ΔI_{cirj_th}表示环流误差门限值(A)。

在检测到子模块开路故障后，根据表1中的故障判据，可确定式(12)中故障代码的判据：

当输出电流误差为正且环流误差为正时，测得输出电流和环流均高于预测值；此时，根据表1可知， 上桥臂子模块发生开关S₁开路故障，故障代码判定为故障代码1。

当输出电流误差为负且环流误差为负时，测得的输出电流和环流均低于预测值；此时，根据表1可知， 上桥臂子模块发生开关S₂开路故障，故障代码判定为故障代码2。

当输出电流误差为负而环流误差为正时，测得的输出电流低于预测值而环流高于预测值；此时，根据 表1可知，下桥臂子模块发生开关S₁开路故障，故障代码判定为故障代码3。

当输出电流误差为正而环流误差为负时，测得的输出电流高于预测值而环流低于预测值；此时，根据 表1可知，下桥臂子模块发生开关S₂开路故障，故障代码判定为故障代码4。

通过以上过程，可检测到IGBT开路故障，确定故障类型并定位故障臂。

步骤204：针对所定位的桥臂，提取桥臂内电容电压值最高的子模块，利用改进拉依达判据技术对其 异常值进行判断，从而定位故障的子模块；

在检测到开路故障，并定位故障桥臂后，需对桥臂内的故障子模块进行定位。为降低传统故障定位方 法的运算负担，本章根据前文分析结果，在改进的拉依达定理的基础上，提出一种简单可靠的故障子模块 定位方法。

如前文所述，当子模块发生开路故障时，其电容电压总是趋于升高，并将高于剩余模块电容电压平均 值。由此可知，当MMC控制***正常工作时，故障子模块的电容电压将在几个周期内升高。因此，仅需 检测电容电压最高的子模块即可。

在正常运行工况下，子模块电容电压应符合正态分布规则。对于统计学中符合正态分布的数据，通常 采用拉依达定理对所采集数据中的异常数据进行剔除。拉依达定理表明，在符合正态分布规律的数据中， 如果一个数据与所有测量数据平均值的误差大于3σ(σ为标准差)时，则可将该数据判定为需要剔除的异常 数据。考虑本文所研究的MMC中子模块数量有限，所测量的电容电压数据样本同样有限，因而需对该拉 依达准则进行改进，以减少异常数据对故障桥臂中电容电压平均值计算的影响。

故障子模块定位算法的基本原理如图6所示。

首先，对子模块电容电压进行测量和采样，并选出具有最高电容电压的子模块，将其记为

v_SMp＝max{v_SM1,v_SM2,...,v_SMN} (13)

然后，计算其余子模块电容电压平均值为

此时，可求得非故障子模块电容电压标准差为

最后，核验具有最高电容电压的子模块电压值，当该数值满足如下条件时，则可将该子模块判定为故 障子模块。

通过上述流程，可实现子模块IGBT开路故障的快速定位。

步骤205：实验测试验证所提故障检测定位方法的有效性；

为验证所提故障检测与定位方法的有效性，利用图7所示的三相MMC实验平台进行实验验证。在验 证过程中，MMC工作在功率逆变模式，其主回路参数列于表4中。

表4实验参数

图8给出所提故障检测与定位方法在a相上桥臂子模块SM_ua3中S₁故障下的实验结果。在该故障工况 下，故障代码定义为1。MMC的输出电流、环流及其预测值如图8a)所示。从图中可以看出，在IGBT开 路故障发生的短时间内，输出电流实际值高于其预测值，环流实际值高于其预测值。由图8b)可知，IGBT 故障在发生后约4.2ms左右被检出，故障代码判定为1，故障被定位在a相上桥臂的第3个模块SM_ua3中。 a相子模块电容电压如图8c)所示，当子模块故障发生后，其子模块电容电压显著上升，高于同桥臂内的其 他子模块电容电压。

图9给出所提故障检测与定位方法在a相上桥臂子模块SM_ua4中S₂故障下的实验结果。在该故障工况 下，故障代码定义为2。MMC的输出电流、环流及其预测值如图9a)所示。从图中可以看出，在IGBT开 路故障发生的短时间内，输出电流实际值低于其预测值，环流实际值低于其预测值。由图9b)可知，IGBT 故障在发生后约1.5ms左右被检出，故障代码判定为2，故障被定位在a相上桥臂的第4个模块SM_ua4中。 a相子模块电容电压如图9c)所示，当子模块故障发生后，其电容电压显著上升，高于同桥臂内的其他子模 块电容电压。

图10给出所提故障检测与定位方法在a相上桥臂子模块SM_la3中S₁故障下的实验结果。在该故障工 况下，故障代码定义为3。MMC的输出电流、环流及其预测值如图10a)所示。从图中可知，在IGBT开路 故障发生的短时间内，输出电流实际值低于其预测值，环流实际值高于其预测值。由图10b)可知，IGBT 故障在发生后约4.0ms左右被检出，故障代码判定为3，故障被定位在a相下桥臂的第3个模块SM_la3中。 a相子模块电容电压如图10c)所示，当子模块故障发生后，故障子模块的电容电压显著上升，高于同桥臂 内的其他子模块电容电压。

图11给出所提故障检测与定位方法在a相上桥臂子模块SM_la4中S₂故障下的实验结果。在该故障工 况下，故障代码定义为4。MMC的输出电流、环流及其预测值如图11a)所示。从图中可以看出，在IGBT 开路故障发生的短时间内，输出电流实际值低于预测值，环流实际值高于预测值。由图11b)可知，IGBT 故障在发生后约6.1ms左右被检出，故障代码判定为4，故障被定位在a相下桥臂的第4个模块SM_la4中。 a相子模块电容电压如图11c)所示，当子模块故障发生后，其电容电压显著上升，高于同桥臂内的其他子 模块电容电压。

图12给出所提故障检测与定位方法在稳态运行工况下的实验结果。由图12a)可以看出，在稳态运行 工况下，MMC的输出电流及环流预测值能够较为精确地跟踪其实际值。由图12b)可知，稳态运行工况下， 所提故障检测及定位方法不会发生故障误判，故障信号持续为0。此外，图12c)所示，在稳态运行工况下， 电容电压稳定在约30V左右，未发生电容电压发散现象。

图13给出所提故障检测与定位方法在功率阶跃运行工况下的实验结果。如图13a)所示，在功率发生 阶跃时，所提故障检测预定位方法中，MMC输出电流和环流的预测值与其实际值基本保持一致。如图13b) 所示，功率参考发生阶跃后，由于电流和环流预测值能够较快地收敛于实际输出值，所提故障检测及定位 方法不会发生故障误判，故障信号持续为0。此外，如图13c)所示，在功率发生阶跃后，子模块电容电压 依旧稳定在30V左右，电容电压纹波幅值稍有提升。

上述实验测试结果验证了本发明所提故障检测与定位方法对MMC稳态运行及功率阶跃下的鲁棒性。

综上所述，该模块化多电平变换器子模块故障检测定位方法的优点如下：

1)本发明所提子模块故障检测定位方法可检测故障发生的桥臂，减少所需判断的子模块数量，降低子 模块故障检测方法的计算负担；

2)本发明所提子模块故障检测定位方法通过改进依拉达判据技术对电容电压数据异常性进行判断，可 定位子模块故障，减少数据采集成本，提高故障定位速度，降低定位方法的复杂度；

3)本发明所提子模块故障检测定位方法不仅可以在稳定运行状态下正常运行，还不受功率参考阶跃的 影响，保证所提检测定位方法的鲁棒性；

4)本发明所提子模块故障检测定位方法可快速定位不同位置的子模块故障，保证所提检测定位方法的 应用性。

一种模块化多电平变换器子模块故障检测定位装置，该装置包括：

分析模块，用于分析模块化多电平变换器子模块正常工作和开关故障下的运行状态，及其对变换器输 出特性的影响；

预测模块，用于预测输出电流及环流；

检测模块，通过所预测的输出电流与实际值误差、所预测的环流与实际值误差，对子模块故障进行检 测，同时定位故障所在的桥臂；

定位模块，提取所定位的桥臂内电容电压值最高的子模块，利用改进拉依达判据技术对其异常值进行 判断，从而定位故障的子模块；

上述各个模块、单元的执行主体可以是计算机、单片机、微控制器等具有计算功能的器件，具体实现 时，本发明实施例对执行主体不做限制，根据实际应用中的需要进行选择。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能 的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述， 不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模块化多电平变换器子模块故障检测定位方法，其特征在于，所述方法包括：

构建模块化多电平变换器数学模型，分析模块化多电平变换器子模块正常工作和开关故障下的运行状态，及其对变换器输出特性的影响；

根据所建数学模型，预测输出电流及环流；

根据所预测的输出电流与实际值误差、所预测的环流与实际值误差，对子模块故障进行检测，同时定位故障所在的桥臂；

针对所定位的桥臂，提取桥臂内电容电压值最高的子模块，利用改进拉依达判据技术对其异常值进行判断，从而定位故障的子模块。

2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平变换器子模块故障检测定位方法，其特征在于，所述对于构建模块化多电平变换器数学模型，分析模块化多电平变换器子模块正常工作和开关故障下的运行状态，及其对变换器输出特性的影响具体为：

模块化多电平变换器含有三个相单元，每个相单元包含上桥臂和下桥臂。每个桥臂包含N个半桥子模块和一个桥臂电感(等效电感L_arm和等效电阻R_arm)。上桥臂和下桥臂间的耦合点通过滤波电感(等效电感L_eq和等效电阻R_eq)连接到交流电网。每个子模块可通过控制其开关周期内的导通与关断实现子模块的投切。当子模块投入时，其输出电压等于电容电压；当子模块被切除时，其输出电压为0。通过控制桥臂中各子模块的投切状态，可在变换器交流输出侧生成多电平波形，从而控制变换器输出电流。

子模块输出状态由其开关函数S_xjm决定，定义开关函数S_xjm为：

式中，x表示桥臂所在位置，x＝u,l；j表示相序，j＝a,b,c；m表示每个桥臂中的子模块编号，m＝1,2,…,N。

假设子模块电容电压为v_SM，则子模块输出电压可表示为

u_SM＝S_xjm·v_SM

当模块化多电平变换器子模块发生开路故障时，其输出电压和电流流通路径将仅在特定开关状态下受到影响。当子模块发生开路故障时，其输出电压与正常工况运行下的理论值不符。此时，模块化多电平变换器的交流侧输出电压信号以及环流控制回路电压信号均与理论值不符，外部表征为交流侧输出电流及环流均与理论值不符。因此，可以利用该外部特征对模块化多电平变换器的子模块开路故障及其类型进行检测与判断。

3.根据权利要求1所述的一种模块化多电平变换器子模块故障检测定位方法，其特征在于，所述根据所建数学模型，预测输出电流及环流具体为：

根据用于判断模块故障的控制方程：

假设由模块化多电平变换器控制器求出上桥臂和下桥臂的输出电压参考为

和

则将上式离散化后可分别得预测输出电流i_{j_es}的离散模型和预测环流i_{cirj_es}的离散模型为：

式中，T_s表示采样周期(Hz)；k表示当前时刻；k+1表示下一时刻；i_j(k)表示当前时刻输出电流(A)；u_gj(k)表示当前时刻交流电网电压(V)。

用于预测环流i_{cirj_es}的离散模型为：

式中，i_cirj(k)表示当前时刻环流。

4.根据权利要求1所述的一种模块化多电平变换器子模块故障检测定位方法，其特征在于，所述根据所预测的输出电流与实际值误差、所预测的环流与实际值误差，对子模块故障进行检测，同时定位故障所在的桥臂具体为：

为检测开路故障，分别将计算所得输出电流误差以及环流误差与其门限值进行比较。当两个误差值及其门限值均满足下式的约束时，则触发故障判定信号。当故障判定信号持续时间超过其持续时长门限值ΔT_{f_th}时，则判定子模块发生故障。

式中，ΔI_{j_th}表示输出电流误差门限值(A)；ΔI_{cirj_th}表示环流误差门限值(A)。

在检测到子模块开路故障后，根据故障判据，可确定下式中故障代码的判据：

根据输出电流误差正、负情况和环流误差正、负情况，结合故障判据，可检测到绝缘栅双极型晶体管开路故障，确定故障类型并定位故障臂。

5.根据权利要求1所述的一种模块化多电平变换器子模块故障检测定位方法，其特征在于，所述对于所定位的桥臂，提取桥臂内电容电压值最高的子模块，利用改进拉依达判据技术对其异常值进行判断，从而定位故障的子模块具体为：

首先，对子模块电容电压进行测量和采样，并选出具有最高电容电压的子模块，将其记为：

v_SMp＝max{v_SM1,v_SM2,...,v_SMN}

然后，计算其余子模块电容电压平均值为：

此时，可求得非故障子模块电容电压标准差为：

最后，核验具有最高电容电压的子模块电压值，当该数值满足如下条件时，则可将该子模块判定为故障子模块：

通过上述流程，可实现子模块绝缘栅双极型晶体管开路故障的快速定位。

6.一种模块化多电平变换器子模块故障检测定位装置，其特征在于，所述装置包括：

分析模块，用于分析模块化多电平变换器子模块正常工作和开关故障下的运行状态，及其对变换器输出特性的影响；

预测模块，用于预测输出电流及环流；

检测模块，通过所预测的输出电流与实际值误差、所预测的环流与实际值误差，对子模块故障进行检测，同时定位故障所在的桥臂；

定位模块，提取所定位的桥臂内电容电压值最高的子模块，利用改进拉依达判据技术对其异常值进行判断，从而定位故障的子模块。

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