一种mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法
技术领域
1.本发明涉及电力电子及电力系统应用技术领域，具体为一种mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法。
背景技术：2.近些年，为满足高质量电力的供应需求，柔性直流技术逐渐扩展到配电层面。其中，针对现有配电一次设备大多受容量、调节次数和连续性等限制的不足，提出了柔性互联设备的概念，包括环网潮流控制器、环网功率平衡器、智能软开关(softopenpoint，sop)、柔性直流环节(dclink)等。
3.两电平/三电平vsc由于结构与控制方法相对简单且成本较低，已在中、低压配电系统及风力发电系统中得到应用。然而，随着柔性互联逐渐向中、高压配电层面展开，两电平/三电平的拓扑结构无法满足高电压、大容量及高质量输出波形的传输要求。
4.模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)具有低损耗、低占地面积、低谐波含量、不需开关器件直接串联等优点，同时，mmc具备的模块化特点更利于规模化生产与组装。2016年，南瑞继保电气有限公司成功研制了20kv～20mv的mmc样机，为我国配电网的柔性互联化推广提供了良好基础。
5.由于mmc系统中含有大量的电力电子开关器件，而电力半导体器件被认为是电力电子系统中最脆弱的零部件之一。据估计，在功率转换过程中有38％的故障是由半导体器件故障造成的。总的来说,半导体开关器件故障可分为短路故障和开路故障。短路故障破化性强，可能会快速损坏子模块,驱动电路与短路保护电路相连，在故障发生时可以快速检测到该故障并立即关闭设备。相对而言，开路故障不会立即损坏子模块，可能会保持很长时间且不能被检测到。
6.针对mmc子模块igbt开路故障定位，目前一些诊断方法可以快读检测和定位开路故障子模块，但只能定位单个igbt开路故障，对于桥臂出现多个igbt故障情况不能适用，具有一定的局限性；或是可有效解决一个或多个子模块igbt开路故障，但是子模块电容电压增加到所给阈值需要时间长，因而故障定位所需时间较长，定位快速性差。在mmc系统中，在进行输出功率或电流控制外，还应同时实现子模块电容器的电压平衡和环流控制。
7.目前的子模块igbt开路故障定位方法大多只能进行单个子模块igbt开路故障诊断，不能快速的进行多个子模块igbt开路故障诊断和对于全部故障类型进行有效检测和诊断，故障定位阈值选定困难、步骤较多且复杂度高。
技术实现要素：8.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
9.鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
10.因此，本发明解决的技术问题是：目前的子模块igbt开路故障定位方法大多只能进行单个子模块igbt开路故障诊断，不能快速的进行多个子模块igbt开路故障诊断和对于全部故障类型进行有效检测和诊断，故障定位阈值选定困难、步骤较多且复杂度高的问题。
11.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法，包括：
12.基于模型预测算法计算出mmc系统中各子模块电容电压预测值；
13.计算出桥臂子模块预测电容电压值中位数；
14.计算传感器采集到的实际电容电压与桥臂预测电容电压中位数相对误差，并将所述相对误差逐段累加，得到误差累加值；
15.将所述误差累加值与所设阈值比较，实现子模块故障诊断。
16.作为本发明所述的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述mmc系统由上桥臂和下桥臂组成，所述上桥臂和所述下桥臂由n个半桥子模块和一个缓冲电感组成。
17.作为本发明所述的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述半桥子模块包括由一个直流储能容、两个互补的igbt模块组成。
18.作为本发明所述的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述模型预测算法包括计算子模块输出电压、上桥臂输出电压、下桥臂输出电压、上桥臂输出电流、下桥臂输出电流和子模块电容电压。
19.作为本发明所述的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：正常运行时，所述子模块输出电压可表示为：
20.u
sm_xi
＝s
xiucxi
21.所述上桥臂输出电压uu和所述下桥臂输出电压u
l
可表示为：
[0022][0023]
其中，u
sm_xi
表示桥臂x(x＝u，l，表示上桥臂，下桥臂)中第i个子模块输出电压，u
cxi
表示第i个子模块电容电压，s
xi
表示开关函数；
[0024]
所述上桥臂电流iu和所述下桥臂电流i
l
可表示为：
[0025][0026]
其中，i
cir
为环流，io为交流侧输出电流；
[0027]
所述子模块电容电压方程为：
[0028][0029]
作为本发明所述的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述模型预测算法还包括计算所述电容电压预测值，表示为：
[0030][0031]
其中，k表示k时刻，u
cpre_xi
(k-1)为上一时刻电容电压预测值，ts为系统采样周期，ix
(k-1)为上一时刻桥臂电流值。
[0032]
作为本发明所述的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述桥臂子模块预测电容电压值中位数，表示为：
[0033][0034]
其中，xn表示在长度为n的数组x中的中位数。
[0035]
作为本发明所述的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述相对误差，表示为：
[0036]ucxi_m-x
n_m
[0037]
其中，m为历史计算周期数。
[0038]
作为本发明所述的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述误差累加值，表示为：
[0039][0040]
作为本发明所述的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述故障诊断包括，当所述误差累加值大于所述阈值，则判断子模块i为故障，反之，则判断所述子模块i为正常。
[0041]
本发明的有益效果：本发明避免了直接分析子模块电容电压与模型预测电容电压随机误差，并且中位数可以反应预测电容电压的整体变化趋势且不受故障sm的影响，因此本发明同样适用于同桥臂多处igbt发生开路故障的情况，故障定位时间大幅缩短，具有高效快速性。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0043]
图1为本发明一个实施例提供的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法的整体流程示意图；
[0044]
图2为本发明一个实施例提供的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法中单相mmc电路拓扑结构图；
[0045]
图3为本发明一个实施例提供的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法中sm中的两种igbt开路故障和电流路径图；
[0046]
图4为本发明一个实施例提供的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法中仿真实验子模块1下管igbt开路故障子模块电容电压仿真波形图；
[0047]
图5为本发明第二个实施例提供的mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法中仿真实验子模块1下管igbt开路故障仿真波形图。
具体实施方式
[0048]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0049]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0050]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0051]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0052]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0053]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0054]
实施例1
[0055]
参照图1～3，为本发明的一个实施例，提供了一种mmc构成的柔性互联装置子模块开路故障诊断方法，包括：
[0056]
s1：基于模型预测算法计算出mmc系统中各子模块电容电压预测值；
[0057]
更进一步的，mmc系统由上桥臂和下桥臂组成，所述上桥臂和所述下桥臂由n个半桥子模块和一个缓冲电感组成。
[0058]
更进一步的，半桥子模块包括由一个直流储能容、两个互补的igbt模块组成。
[0059]
应说明的是，图1中uo和io分别为交流侧输出电压和电流，u
p
和i
p
分别为上桥臂电压和电流，un和in分别为下桥臂电压和电流，l为缓冲电感，u
dc
为直流侧电压。
[0060]
更进一步的，所述模型预测算法包括计算子模块输出电压、上桥臂输出电压、下桥臂输出电压、上桥臂输出电流、下桥臂输出电流和子模块电容电压。
[0061]
更进一步的，正常运行时，所述子模块输出电压可表示为：
[0062]usm_xi
＝s
xiucxi
[0063]
所述上桥臂输出电压uu和所述下桥臂输出电压u
l
可表示为：
[0064][0065]
其中，u
sm_xi
表示桥臂x(x＝u，l，表示上桥臂，下桥臂)中第i个子模块输出电压，u
cxi
表示第i个子模块电容电压，s
xi
表示开关函数；
[0066]
应说明的是，当s
xi
＝1时，子模块上管igbt开通，子模块投入运行，此时子模块输出电压等于电容电压。当s
xi
＝0时，子模块下管igbt开通，子模块被旁路，此时子模块输出电压为0。
[0067]
所述上桥臂电流iu和所述下桥臂电流i
l
可表示为：
[0068][0069]
其中，icir为环流，io为交流侧输出电流；
[0070]
所述子模块电容电压方程为：
[0071][0072]
更进一步的，所述模型预测算法还包括计算所述电容电压预测值，表示为：
[0073][0074]
其中，k表示k时刻，u
cpre_xi
(k-1)为上一时刻电容电压预测值，ts为系统采样周期，i
x
(k-1)为上一时刻桥臂电流值。
[0075]
应说明的是，电容电压预测值使用的是一阶欧拉近似方法，计算的离散化k时刻的电容电压预测值。
[0076]
s2：计算出桥臂子模块预测电容电压值中位数；
[0077]
更进一步的，桥臂子模块预测电容电压值中位数，表示为：
[0078][0079]
其中，xn表示在长度为n的数组x中的中位数。
[0080]
应说明的是，采用桥臂子模块预测电容电压值中位数，中位数可以反应预测电容电压的整体变化趋势且不受故障sm的影响，在进行子模块igbt开路故障检测时避免了直接分析子模块电容电压与模型预测电容电压随机误差，从而可以适用于同桥臂多处下管igbt发生开路故障的情况。
[0081]
s3：计算传感器采集到的实际电容电压与桥臂预测电容电压中位数相对误差，并将所述相对误差逐段累加，得到误差累加值；
[0082]
更进一步的，所述相对误差，表示为：
[0083]ucxi_m-x
n_m
[0084]
其中，m为历史计算周期数。
[0085]
应说明的是，mmc子模块igbt开路故障分为上管igbt开路故障和下管igbt开路故
障，子模块故障时，子模块实际电流与模型预测电流之间会出现不一致现象，从而会导致子模块电容电压与模型预测电容电压出现明显误差。
[0086]
更进一步的，所述误差累加值，表示为：
[0087][0088]
应说明的是，采用计算实际电容电压与桥臂预测电容电压中位数相对误差并将其进行逐段累加，相比传统方法能够消除了随机误差的影响，提高了故障诊断的精度。
[0089]
本发明采用误差反馈滚动优化，相比仅采用基于模型预测的方法，计算选取的系统阻抗参数与实际参数间可能存在偏差，使得预测控制的预测值偏离实际值，从而导致系统最终存在稳态误差。本发明消除了模型预测的参数敏感性，提高了模型预测的稳态精度。
[0090]
s4：将所述误差累加值与所设阈值比较，实现子模块故障诊断。
[0091]
更进一步的，所述故障诊断包括，当所述误差累加值大于所述阈值，则判断子模块i为故障，反之，则判断所述子模块i为正常。
[0092]
具体的，mmc子模块igbt开路故障分为上管开路故障和下管开路故障两种，两种故障下电路径如图3所示。
[0093]
当子模块发生上管igbt故障时，在桥臂电流大于0时，子模块输出电压与未发生上管igbt故障下一致。当桥臂电流小于0时，正常情况下桥臂电流流过上管igbt，输出电压等于电容电压。在子模块上管发生igbt开路故障后，桥臂电流将从下二极管流过，此时sm输出电压等于0。
[0094]
当子模块发生下管igbt故障时，在桥臂电流小于0时，子模块输出电压与未发生下管igbt故障下一致。当桥臂电流大于零时，正常情况下桥臂电流流过下管igbt，输出电压等于0。在子模块下管发生igbt开路故障后，桥臂电流将从上二极管流过，此时sm输出电压等于电容电压。
[0095]
因此，当子模块发生故障后其电容电压与模型预测电容电压将出现明显的差值，为了避免直接分析子模块电容电压与模型预测电容电压随机误差，本发明采用计算子模块电容电压与桥臂中投入子模块模型预测电容电压中位数比较的方法，通过上述s1-s4的步骤实现子模块故障诊断，正常运行的sm电容电压与预测电容电压中位数之间的相对差值接近，当发生故障后，故障子模块的实际电容电压将与预测电容电压中位数出现较大差距，逐段累积之后其将远大于其余正常子模块，通过与所给阈值比较，最终实现子模块故障的快速诊断。由于中位数可以反应预测电容电压的整体变化趋势且不受故障sm的影响，因此适用于同桥臂多处故障发生的情况。
[0096]
实施例2
[0097]
参照图2-5，为本发明另一个实施例，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用仿真实验，以科学论证的手段以验证本方法所具有的真实效果。
[0098]
本实施例提供了一种子模块下管igbt开路故障检测。设置子模块1在0.5s处发生下管igbt开路故障，上桥臂开关器件发生下管igbt开路故障结果仿真结果如图4和图5所示。其中图4为子模块实际电容电压，图5为子模块电容电压与桥臂中投入子模块预测电容电压中位数误差累计和。
[0099]
从图4中可以明显的看出，在0.5s处子模块1电容电压为399.1v，在0.505s子模块1
电容电压为410.9v，电容电压在故障发生后，子模块1的电容电压相较于正常子模块电容电压存在明显的变化。从图5中可以明显看出，在0.5s处子模块1电容电压误差累加和为2.088kv，在0.505s处子模块1电容电压误差累加和为2.375kv，5ms累计误差为0.287kv，明显超过所给阈值0.2kv，检测并定位子模块1故障，用时小于5ms，精准定位并提高了诊断质量与效率。
[0100]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
