基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路故障的检测方法技术

基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路故障的检测方法，涉及电力电子技术、柔性直流输电故障检测领域。本发明专利技术的目的是针对MMC中可能发生的IGBT开路故障，能够快速诊断出该故障的发生及故障位置。当桥臂环流的估计值与检测值误差超出阈值并且持续ΔT1的时间，则可判断故障发生；检测出故障发生后，分别比较桥臂电流与输出电流的估计值与实际值之间的大小，判定出故障发生在哪个桥臂以及故障的类型；监测各子模块电容器的电压，若某个子模块电容器高于电压阈值，并且持续ΔT2的时间，则最终定位该子模块中相应类型的IGBT发生了故障。在该方法中，对模块化多电平换流器的输出电流与环流构建状态观测器，能准确定位出发生故障的子模块。

【技术实现步骤摘要】
基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路故障的检测方法
本专利技术涉及电力电子技术、柔性直流输电故障检测领域，具体涉及一种基于状态观测器的模块化多电平换流器中子模块IGBT开路故障的检测方法。
技术介绍
模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)由于具有非常高的转换效率、极低的输出电压谐波含量、很小的滤波器体积、模块化特点、安装维护容易等诸多优点获得了人们的广泛关注，使其十分适用于柔性直流输电等高压大功率电能变换的场合。模块化多电平换流器的拓扑结构是由若干个相同的子模块单元堆叠而成，子模块中的功率元件通常采用绝缘栅双极型晶体管(Insulatedgatebipolartransistor,IGBT)。由于实际应用中模块化多电平换流器中往往采用上百个子模块，因而IGBT成为了其最可能发生的故障的元件。IGBT的故障可归类为两类：短路故障与开路故障。虽然IGBT短路故障的危害较大，目前IGBT的集成驱动器中都已配备了完善的短路故障的检测与保护功能，能够在故障发生的几个微秒内将该IGBT快速关闭。然而，IGBT的开路故障则往往能够保持长时间不被发现。对于模块化多电平换流器，倘若一个子模块中的IGBT发生了开路故障，将会导致整个换流器的输出电压电流波形发生畸变，甚至会造成过压、过流等其他更加严重的故障。因此，当模块化多电平换流器中某个子模块发生IGBT开路故障时，必须能够快速诊断出该故障的发生，同时能准确定位出发生故障的子模块并将其旁路，保证其他正常模块的稳定运行。现有技术中没有给出这样的技术方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路故障的检测方法(一种模块化多电平换流器中IGBT开路故障的检测方法)，以针对MMC中可能发生的IGBT开路故障，能够快速诊断出该故障的发生，同时能准确定位出发生故障的位置。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种模块化多电平换流器中IGBT开路故障的检测方法，该MMC换流器每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感器和若干个结构相同的子模块串联而成，每个子模块包括一个半桥功率单元和一个电容器，每个半桥功率单元由两个IGBT构成S1，S2；所述的IGBT开路故障检测方法如下：(1)、分别检测每相上、下桥臂的桥臂电流iu与il，并计算出输出电流io和桥臂环流ic：io＝iu-il(2)、依据输出电流与桥臂环流，构建模块化多电平换流器的动态电路方程：式中，Udc表示直流侧电压，ul为下桥臂电压，uu为上桥臂电压，uo为输出电压，R表示桥臂等效电阻，L表示桥臂电感量；(3)、将动态电路方程整理成矩阵形式，得到：其中，(4)、依据步骤(3)的动态电路方程以及步骤(1)中得到的输出电流io与桥臂环流ic，分别构建输出电流与桥臂环流的状态观测器，得到输出电流与桥臂环流的估计值：其中，“^”意为该物理量的估计值，K为放大倍数矩阵，其值为：(5)当桥臂环流的估计值与检测值误差超出阈值Ith并且持续ΔT1的时间，则可判断故障发生；(6)检测出故障发生后，分别比较桥臂电流与输出电流的估计值与实际值之间的大小关系，即可判定出故障发生在哪个桥臂，以及故障IGBT的类型(S1或S2)；(7)监测各子模块电容器的电压，若某个子模块电容器高于电压阈值Uth，并且持续ΔT2的时间，则可最终定位该子模块中相应类型的IGBT发生了故障；检测到IGBT的开路故障后，将该故障子模块旁路，保证其余子模块的工作不受影响。步骤(4)中状态观测器的作用是，可计算得到输出电流与桥臂环流的估计值，以用来与实际电流值比较。步骤(5)中延时ΔT1的目的是，防止因干扰而造成误判断。在保证能准确判断故障发生的前提下，ΔT1应尽可能小。步骤(7)中延时ΔT2的目的是，防止因干扰而造成误判断。在保证能准确定位故障的前提下，ΔT2应尽可能小。步骤(5)中延时ΔT1取值为1～3毫秒。步骤(7)中延时ΔT2取值为5～10毫秒。本专利技术的有益效果是：在本专利技术方法中，对模块化多电平换流器的输出电流与环流构建状态观测器。当发生IGBT开路故障时，状态观测器的估计值将与实际检测的结果发生差异，根据该差异情况即可诊断出故障所在的桥臂与类型。并通过进一步监测该桥臂各子模块电容器的电压，即可准确定位出发生故障的子模块。本专利技术的优点在于不需要安装额外的故障检测器件，仅通过对桥臂电流与子模块电容电压的检测信息即可判断出IGBT开路故障的发生，并能定位出发生故障的子模块。附图说明图1是模块化多电平变换器的结构图；图中，SM表示子模块；图2是模块化多电平变换器中每个子模块的结构图；图3是模块化多电平变换器子模块IGBT开路故障示意图，图中，(a)为S1开路故障，(b)为S2开路故障；图4是模块化多电平变换器中一相电路的等效电路图；图5是本专利技术中开路故障检测方法的流程图；图6是本专利技术中故障子模块定位的流程图；图7是本专利技术的一个实施实例波形图,图中：a的横坐标表示时间，纵坐标表示输出电流及其估计值；b的横坐标表示时间，纵坐标表示桥臂环流及其估计值；c的横坐标表示时间，纵坐标表示上桥臂各子模块电容电压及其估计值。具体实施方式结合附图1～6详细描述本专利技术的具体实施方式，但本专利技术不受所述具体实例限制：三相模块化多电平换流器的拓扑结构如图1所示。其中每一相由上下两个桥臂构成，而每个桥臂又由若干个子模块堆叠构成，如图2所示。由每个子模块含有两个IGBT(S1与S2)和一个电容器C，子模块的开路故障可能有S1故障和S2故障两种情况，如图3所示。在本专利技术的开路故障检测方法的控制框图中，具体步骤如下：(1)分别检测每相上、下桥臂的桥臂电流iu与il，并计算出输出电流io和桥臂环流ic：io＝iu-il(2)依据图4所示的单相等效电路模型，构建模块化多电平换流器的动态电路方程：式中，Udc表示直流侧电压，ul为下桥臂电压，uu为上桥臂电压，uo为输出电压，R表示桥臂等效电阻，L表示桥臂电感量。(3)将动态电路方程整理成矩阵形式，得到：其中，(4)依据步骤(3)的动态电路方程以及步骤(1)中得到的输出电流io与桥臂环流ic，分别构建输出电流与桥臂环流的状态观测器，得到输出电流与桥臂环流的估计值：其中，“^”意为该物理量的估计值，K为放大倍数矩阵，其值为：(5)如图5所示，当桥臂环流的估计值与检测值误差超出阈值Ith并且持续ΔT1的时间，则可判断故障发生；(6)检测出故障发生后，分别比较桥臂电流与输出电流的估计值与实际值之间的大小关系，根据表1，即可判定出故障发生在哪个桥臂，以及故障IGBT的类型(S1或S2)。表1故障位置判断表(7)如图6所示，监测各子模块电容器的电压，若某个子模块电容器高于电压阈值Uth，并且持续ΔT2的时间，则可最终定位该子模块中相应类型的IGBT发生了故障。(8)将该故障子模块旁路，保证其余子模块的工作不受影响。以上列举的仅是本专利技术的一个具体实施例，本专利技术不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本专利技术公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本专利技术的保护范围。实施例或实验如图1至图7，所述模块化多电平换流器每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路故障的检测方法，所述模块化多电平换流器每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感器和若干个结构相同的子模块串联而成，每个子模块包括一个半桥功率单元和一个电容器，每个半桥功率单元含有两个IGBT，分别记为S1、S2；其特征在于：所述方法的实现过程为：步骤一、分别检测每相上、下桥臂的桥臂电流iu与il，并计算出输出电流io和桥臂环流ic：io＝iu‑ilic=12(iu+il)]]>步骤二、依据输出电流与桥臂环流，构建模块化多电平换流器的动态电路方程：dicdt2Ric=Udc-uu-ul]]>Ldiodt+Rio=ul-uu-2uo]]>式中，Udc表示直流侧电压，ul为下桥臂电压，uu为上桥臂电压，uo为输出电压，R表示桥臂等效电阻，L表示桥臂电感量；步骤三、将所述动态电路方程整理成矩阵形式，得到：x·=Ax+Bu+Dey=Cx]]>其中，x=y=icio,u=uluu,e=Udcuo,]]>A=-RL00-RL,B=-12L-12L1L-1L,C=1001,D=12L00-2L.]]>步骤四、依据步骤三的动态电路方程以及步骤一中得到的输出电流io与桥臂环流ic，分别构建输出电流与桥臂环流的状态观测器，得到输出电流与桥臂环流的估计值：x^·=Ax^+Bu+De+K(y-y^)y^=Cx^]]>其中，“^”意为该物理量的估计值，K为放大倍数矩阵，其值为：K=k00k]]>式中，K为放大倍数；步骤五、当桥臂环流的估计值与检测值误差超出阈值Ith并且持续ΔT1的时间，则可判断故障发生；步骤六、检测出故障发生后，分别比较桥臂电流与输出电流的估计值与实际值之间的大小关系，即可判定出故障发生在哪个桥臂，以及故障IGBT的类型(S1或S2)；步骤七、监测各子模块电容器的电压，若某个子模块电容器高于电压阈值Uth，并且持续ΔT2的时间，则可最终定位该子模块中相应类型的IGBT发生了故障。...

【技术特征摘要】
1.一种基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路故障的检测方法，所述模块化多电平换流器每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感器和若干个结构相同的子模块串联而成，每个子模块包括一个半桥功率单元和一个电容器，每个半桥功率单元含有两个IGBT，分别记为S1、S2；其特征在于：所述方法的实现过程为：步骤一、分别检测每相上、下桥臂的桥臂电流iu与il，并计算出输出电流io和桥臂环流ic：io＝iu-il步骤二、依据输出电流与桥臂环流，构建模块化多电平换流器的动态电路方程：式中，Udc表示直流侧电压，ul为下桥臂电压，uu为上桥臂电压，uo为输出电压，R表示桥臂等效电阻，L表示桥臂电感量；步骤三、将所述动态电路方程整理成矩阵形式，得到：其中，步骤四、依据步骤三的动态电路方程以及步骤一中得到的输出电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐殿国，李彬彬，张一博，杨荣峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23