一种MMC子模块开路故障一体化诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种MMC子模块开路故障一体化诊断方法，基于MMC在开路故障下的子模块电容电压分布特性，将故障诊断等效为异常值分析。进一步地，考虑到MMC中包含大量子模块，本发明专利技术采用分位数分析进行电容电压异常值分析，进而实现单/多子模块开路故障的一体化检测定位；由于本发明专利技术中所使用的子模块电容电压值已存在于现有MMC控制系统中，因此不需要额外的硬件资源。此外，由于本发明专利技术中故障诊断基于数据分析完成，并不依赖于MMC解析模型，本发明专利技术对系统参数的不确定性不敏感，具有较强的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种MMC子模块开路故障一体化诊断方法
本专利技术属于柔性直流输配电
，具体涉及一种MMC子模块开路故障一体化诊断方法。
技术介绍
模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter，MMC)自2002年问世以来，以模块化程度高、输出波形质量好、阶跃电压低、器件开关频率低等特点，日益成为高压直流(HighVoltageDirectCurrent，HVDC)输电系统中最具发展前景的换流器拓扑结构之一。MMC的上述优点来源于其子模块级联的结构，然而MMC中所包含的大量级联子模块同时也构成了大量的潜在故障点，这对MMC的运行可靠性带来了极大的挑战。MMC所使用的子模块通常由开关元件与无源元件共同构成，和无源元件相比，开关元件更脆弱也更易损坏，是MMC中故障率最高的部件；子模块开关元件故障将影响子模块输出特性，并进一步影响MMC工作特性。因此，子模块开关元件故障的有效诊断对提升MMC运行可靠性将带来很大的帮助。子模块开关元件故障可分为开路故障和短路故障：短路故障由于其时间尺度短、破坏能力强的特点，通常由开关元件驱动进行诊断；和短路故障相比，开路故障特性更为多样，诊断难度也更大，MMC子模块开路故障的诊断方法包括硬件法和软件法：硬件法通过加入额外检测电路进行故障检测与定位，这不仅会增加系统构建成本，也会增加MMC系统潜在故障点的数量；软件法可进一步分为模型分析法与数据分析法，模型分析法中需事先依据MMC解析模型构建参考值，在此基础上，通过实际值与参考值的比较进行故障检测与定位；由于涉及系统信息，模型分析法对系统参数不确定性敏感，诊断性能受到很大限制；和模型分析法不同，数据分析法中的故障检测与定位基于统计或数据挖掘进行；由于不依赖于系统模型，数据分析法对系统参数不确定性有很强的鲁棒性，是一种理想的MMC子模块开路故障诊断方法。MMC子模块开路故障诊断包括故障检测与故障定位两个目标，故障检测用于判定MMC运行状态(正常/故障)，故障定位用于识别子模块开路故障点。现有的MMC子模块开路故障诊断方法通常采用不同策略完成故障检测与故障定位，该分立式的结构不仅增加了配置难度，也影响了诊断效率。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种MMC子模块开路故障一体化诊断方法，该方法不需要额外硬件资源，对系统参数不确定性不敏感，可实现单/多子模块开路故障的同步检测与定位。一种MMC子模块开路故障一体化诊断方法，即根据子模块故障率对MMC各桥臂子模块电容电压进行分位数分析，进而基于分位数分析结果实现子模块开路故障的检测和定位。进一步地，对于MMC的任一桥臂，首先将当前时刻该桥臂中所有子模块的电容电压值按升序排列，并提取队列中的分位数；然后根据分位数计算确定子模块电容电压门限值uc_uplim；最后使当前时刻该桥臂中各子模块的电容电压值逐一与子模块电容电压门限值uc_uplim进行比较，根据比较结果判定该桥臂是否存在开路故障。进一步地，将当前时刻桥臂中所有子模块的电容电压值按升序排列后，提取队列中的p分位数Bp与q分位数Bq，进而根据分位数Bp和Bq计算确定子模块电容电压门限值uc_uplim；其中，p为给定的子模块故障率，q＝1-p。进一步地，根据分位数Bp和Bq通过以下公式计算确定子模块电容电压门限值uc_uplim；uc_uplim＝Bq+K(Bq-Bp)其中：K为大于1的比例系数。进一步地，使当前时刻桥臂中各子模块的电容电压值逐一与子模块电容电压门限值uc_uplim进行比较，若存在某一子模块电容电压值大于uc_uplim，则判定该子模块电容电压值为异常值；若该子模块电容电压值连续多个时刻被判定为异常值，则诊断认定MMC出现子模块开路故障，且该子模块为开路故障点。进一步地，若当前时刻MMC各桥臂均不存在有电容电压值为异常值的子模块，则诊断判定当前MMC工作状态正常。本专利技术基于MMC在开路故障下的子模块电容电压分布特性，将故障诊断等效为异常值分析。进一步地，考虑到MMC中包含大量子模块，本专利技术采用分位数分析进行电容电压异常值分析，进而实现单/多子模块开路故障的一体化检测定位；由于本专利技术中所使用的子模块电容电压值已存在于现有MMC控制系统中，因此不需要额外的硬件资源。此外，由于本专利技术中故障诊断基于数据分析完成，并不依赖于MMC解析模型，本专利技术对系统参数的不确定性不敏感，具有较强的鲁棒性。附图说明图1为单端三相模块化多电平换流器的拓扑结构图。图2为半桥子模块的结构示意图。图3为本专利技术计及子模块故障分位数分析方法的流程图。图4为本专利技术子模块开路故障一体化诊断方法的流程示意图。图5(a)为S1开路情况下多电平换流器A相上桥臂的子模块电容电压波形图。图5(b)为S1开路情况下多电平换流器A相上桥臂的诊断结果示意图。图6(a)为S2开路情况下多电平换流器A相上桥臂的子模块电容电压波形图。图6(b)为S2开路情况下多电平换流器A相上桥臂的诊断结果示意图。图7(a)为S1和S2开路情况下多电平换流器A相上桥臂的子模块电容电压波形图。图7(b)为S1和S2开路情况下多电平换流器B相下桥臂的子模块电容电压波形图。图7(c)为S1和S2开路情况下多电平换流器A相上桥臂的诊断结果示意图。图7(d)为S1和S2开路情况下多电平换流器B相下桥臂的诊断结果示意图。图8(a)为系统参数不确定且S1和S2开路情况下多电平换流器A相上桥臂的子模块电容电压波形图。图8(b)为系统参数不确定且S1和S2开路情况下多电平换流器B相下桥臂的子模块电容电压波形图。图8(c)为系统参数不确定且S1和S2开路情况下多电平换流器A相上桥臂的诊断结果示意图。图8(d)为系统参数不确定且S1和S2开路情况下多电平换流器B相下桥臂的诊断结果示意图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示，单端三相模块化多电平换流器(MMC)的基本单元为子模块(Sub-Module，SM)，NSM个子模块级联与一个桥臂电感串联构成一个桥臂，上下两个桥臂串联构成一个相单元。三相MMC换流器含有三个相单元，6个桥臂，6NSM个子模块。直流侧母线电压为Udc，交流侧三相相电压分别为ua、ub和uc，O点为零电位参考点。本实施方式中MMC采用如图2所示的MMC半桥子模块结构，该子模块结构包括两个IGBT管S1、S2(连反并二极管D1、D2)和一个直流电容。本实施方式的子模块结构存在两种运行模式：投入模式和切除模式。表1是正常运行状态下MMC半桥子模块结构的开关状态表，正常运行状态下MMC内各子模块电容电压在电容电压平衡算法的控制下保持平衡。表1模式S1S2iSM状态说明110+投入电流流过D1给电容充电201+切除电流流过S2将电容旁路310-投入电流流过S1给电容放电401-切除电流流过D2将电容旁路根据故障点的不同，子模块开路故障可分为S1开路故障和S2开路故障，S1开路故障下的开关状态如表2所示。和正常状态相比，S1故障下的半桥子模块无法放电，因此故障子模块电容电压在放电周期内将逐渐偏离正常子模块电容电压，最终故障子模块电容电压将高于正常子模块电容电压。表2模式S1S2iSM状态说明110+投入电流流过D1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MMC子模块开路故障一体化诊断方法，其特征在于：根据子模块故障率对MMC各桥臂子模块电容电压进行分位数分析，进而基于分位数分析结果实现子模块开路故障的检测和定位。

【技术特征摘要】
1.一种MMC子模块开路故障一体化诊断方法，其特征在于：根据子模块故障率对MMC各桥臂子模块电容电压进行分位数分析，进而基于分位数分析结果实现子模块开路故障的检测和定位。2.根据权利要求1所述的MMC子模块开路故障一体化诊断方法，其特征在于：对于MMC的任一桥臂，首先将当前时刻该桥臂中所有子模块的电容电压值按升序排列，并提取队列中的分位数；然后根据分位数计算确定子模块电容电压门限值uc_uplim；最后使当前时刻该桥臂中各子模块的电容电压值逐一与子模块电容电压门限值uc_uplim进行比较，根据比较结果判定该桥臂是否存在开路故障。3.根据权利要求2所述的MMC子模块开路故障一体化诊断方法，其特征在于：将当前时刻桥臂中所有子模块的电容电压值按升序排列后，提取队列中的p分位数Bp与q分位数Bq，进而根据分位数Bp和Bq计算确定子模块电容电压门限值uc_uplim；其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李武华，周维浩，陈宏，杨贺雅，罗皓泽，何湘宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33