PDF《模块化多电平换流器子模块故障快速诊断方法》

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a e p s G i n f o . c o m 模块化多电平换流器子模块故障快速诊断方法 徐坤山,谢少军,袁小峰,颜晔(南京航空航天大学自动化学院,江苏省南京市

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1 6 ) 摘要:为了提高模块化多电平换流器( MMC) 的可靠性, 当故障发生后, 需要迅速检测并定位子模 块故障.分析了故障诊断存在的快速性问题, 提出了一种快速的故障诊断方法.故障检测采用基 于改进的预测模型的方法, 通过比较桥臂电流预测值与测量值的差值是否大于阈值来判断故障, 故 障定位采用比较子模块电容电压斜率的方法来判断故障, 可以快速地定位多个子模块故障, 且无需 外加传感器, 结构简单易实现.最后, 搭建了 MMC仿真和实验平台, 验证了该方法的可行性. 关键词:模块化多电平换流器( MMC) ;

故障诊断;

故障检测;

故障定位;

预测模型 收稿日期:

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1 2 G

1 2;

修回日期:

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0 4 G

2 9. 上网日期:

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0 4.

0 引言 自从2

0 0 1年被提出以来, 模块化多电平换流器 ( MMC) 因其具有模块化、 易扩展、 输出特性好、 具有 公共直流母线等优势, 在中高压大功率领域, 特别是 高压直流输电领域, 得到了广泛的研究和应用[

1 G 5] . MMC拓扑由大量的子模块组成, 导致 MMC 本身 的可靠性不高, 而其应用场合则要求其具有很高的 工作可靠性.因此, 工作可靠性问题已成为 MMC 工业应用中非常重要的实际问题[

6 G

7 ] .故障诊断是 提高 MMC工作可靠性的途径之一. 功率器件是工业应用中最易出现故障的部件之 一[ 8] .在MMC子模块中功率器件的故障分为短路 故障和开路故障.功率器件短路故障已有成熟的工 业解决方案, 功率器件开路故障不易发现, 其影响更 大, 因此, 功率器件开路故障诊断是近年来 MMC故 障诊断的研究热点[

9 G

1 6] .文献[

9 G

1 0] 提出基于开关 模型的方法, 该方法快速易实现, 但易受外部干扰和 系统延时影响, 可靠性差.文献[

1 1 G

1 2] 应用滑模观 测器检测并定位子模块故障, 该方法在模块数较多 时计算 量巨大, 且故障诊断时间需要50ms.文献[

1 3 ] 提出了应用聚类算法和基于电容电压容值计 算的方法诊断 MMC 子模块故障, 该方法定位时间 需要1 0m s以上.文献[

1 4 ] 采用卡尔曼滤波器检测 子模块故障, 并利用子模块电容电压值比较的方法 定位子模 块, 但故障诊断时间需要100ms.文 献[15]针对此问题提出改变子模块电容电压额定值的 故障容错方法, 定位时间需要3 0m s以上, 且只能定 位单 个子模块. 文献[16] 提出了基于状态机的MMC子模块故障诊断策略, 该方法可以在5m s内 定位故障子模块, 但是需要外加多个电压传感器, 算 法也较复杂. 本文提出了一种快速的 MMC子模块故障诊断 方法, 该方法中采用基于改进的预测模型的方法检 测故障, 采用基于子模块电容电压斜率比较的方法 定位故障, 不仅可以快速定位单个子模块故障, 也可 以定位多个子模块故障, 且无需增加传感器, 简单易 实现.

1 故障诊断的快速性问题 当功率器件开路故障发生后, 子模块电容电压、 环流、 桥臂电流和桥臂电压等电路参数都将偏离理 论值, 当故障较长时间没有切除时, 子模块电容电压 升高, 环流、 桥臂电流将增大, 可能发生过流现象[

1 5] , 因此, 需要快速定位并隔离故障子模块.现 有故障检测方案都能够很快地检查到故障的发生, 在检查速度上差异不大, 而关于故障定位时间的差 异则较大. 现有解决 MMC故障定位问题的方法主要有两 种: 基于 参数计算[

1 2,

1 6 ] 和基于子模块电容电压比较[

1 3 G

1 5] .基于参数计算的方法是当故障被 检测到后, 先假设故障子模块位置, 通过代入法计算某个电 路变量的预测值, 若参数预测值与测量值的差值小 于阈值, 则该子模块故障, 若不是则假定另一个子模 块故障直到故障被定位.基于子模块电容电压比较 的方法依据故障子模块电容电压将大于正常工作子 模块电容电压的特征定位故障子模块.

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1 第4 1卷第1 8期2017年9月2 5日Vol.41N o .

1 8S e p t .

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1 7 D O I :

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2 基于参数计算的方法不需要等待时间, 当故障 被检测到, 即可开始实施故障定位, 但是当子模块数 较多或故障子模块数多于一个时, 故障定位方法所 需计算量非常巨大, 进而导致定位时间很长.采用 分组的方式[

1 4 ] 可以减少计算量, 定位时间较快, 但 是当子模块数较多时, 增加的电压传感器数量也较 多.若忽略计算量的问题, 基于参数计算的方法在 各种负载情况下都可以有效地定位子模块. 基于子模块电容电压比较的方法计算量小, 但 是故障子模块电容升压需要时间, 当桥臂电流较小 时, 故障子模块电容电压与正常工作子模块电容电 压的差值小, 故障特征不明显, 故障定位较难, 且桥 臂电流不同时阈值也必须不相同, 当负载变化频繁 时, 故障 定位较困难.改变子模块电容电压额定值[

1 3 ] 可以减少子模块电容升压时间, 但是定位时间 仍然较长, 且当多个子模块故障时无法定位, 另外, 当子模块电容电压波动范围有限的情况下, 该方法 的应用将受限制.

2 基于预测模型的故障检测方法 与以环流为检测参数相比[

9 G

1 0,

1 2 G

1 3] , 以桥臂电流 为检测参数可以定位故障桥臂, 只需对故障桥臂进 行故障子模块定位, 可以减少故障定位计算量. 图1所示为 MMC单相等效电路.图中, uo 和io分别为交流侧输出电压和电流, uu 和i u 分别为 上桥臂电压和电流, u l 和i l 分别为下桥臂电压和电 流, Rs 为桥臂中的寄生阻抗, L 为桥臂电感, i c 为上 下桥臂间的环流, Ud c为直流侧电压. 图1 MMC单相等效电路 F i g .

1 S i n g l e G p h a s ee q u i v a l e n t c i r c u i t o fMMC 由基尔霍夫定律有: uu+Rs i u+L d i u d t + uo= Ud c

2 (

1 ) u l+Rs i l+L d i l d t - uo= Ud c

2 (

2 ) uu =∑ N i=1 us m, u , i us m, u , i = s u , i Uc , u , i { (

3 ) u l=∑ N i=1 us m, l , i us m, l , i = s l , i Uc , l , i { (

4 ) 式中: us m, u , i和us m, l , i分别为上、 下桥臂第i个子模块 输出电压;

s u , i和s l , i分别为上、 下桥臂第i 个子模块 的开关函数;

Uc , u , i 和Uc , l , i 分别为上、 下桥臂第i 个 子模块的电容电压;

N 为桥臂子模块总数. 将式(

1 ) 和式(

2 ) 离散化后可得: x ^( k+1 ) =A x ^ ( k) +B u( k) (

5 ) x ^( k) = i ^ u( k) i ^ l( k) [ ] T (

6 ) u( k) = - uo( k) - uu( k) + Ud c

2 uo( k) - u l( k) + Ud c

2 é ? ê ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú ú (

7 ) A=1- Rs L fs (

8 ) B=

1 L fs (

9 ) 式中: x ^( k) 为桥臂电流预测值;

fs 为采样频率. 加入误差矫正后, 桥臂电流的预测模型可表示 为: x ^( k+1 ) =A x ^ ( k) +B u( k) + λ 1( x( k) - x ^( k) ) (

1 0 ) 式中: λ

1 为误差矫正系数;

x( k) 为测量值. 预测模型中的矫正参数λ

1 值越大, 矫正效果越 好, 而λ

1 值越小越可以体现故障特征, 故λ

1 值在正 常工作状态下越大越好, 而在故障状态下越小越好. 为此, 本文对预测模型进行改进, 式(10) 改为式(

1 1 ) : 首先, | e( k) |小于e

1 时仍然用式(

1 0 ) , 当故 障发生后, | e( k) |将增大, 当其大于e 1, 将误差矫正 值设置为e 1, 减小误差矫正作用, 若为故障以外的 因素引起的, 则差值将被矫正小于e 1;

当差值大于 e

2 时表示该误差矫正作用远小于差值的增大速度, 此时进一步减小误差矫正作用, 使差值快速增大, 从 而进一步减少检测时间, 当差值大于阈值时故障被 检测到.其中, e( k) 为x( k) -x ^( k) , e

1 =[ e 1, e 1] T 为期望的误差值向量, e

2 =[ e 2, e 2] T 为不期望的误 差值向量. x ^( k+1 ) =A x ^ ( k) +B u( k) +E (

1 1 ) E= [ -1 -1 ] T e( k) > e

2 e

1 e 1< e( k) ≤ e

2 λ

1 e( k) | e( k) |≤ e

1 - e

1 - e 2≤ e( k)