一种MMC子模块开路故障诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种MMC子模块开路故障诊断方法，其通过构造基于子模块电容电压值的随机矩阵，并利用单环定理分析所构造随机矩阵的特征值分布以判定MMC运行状态；若检测到子模块开路故障，对故障桥臂子模块电容电压进行统计分析，以定位故障子模块。本发明专利技术可兼容单/多子模块开路故障诊断，且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故障诊断基于数据分析完成，并不依赖于MMC解析模型，因此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。
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准确检测与定位。一种MMC子模块开路故障诊断方法，包括如下步骤：(1)对于MMC的任一桥臂，基于子模块电容电压构造当前时刻该桥臂对应的随机矩阵；(2)利用单环定理分析所述随机矩阵的特征值分布以判定该桥臂是否存在开路故障；(3)对存在开路故障的桥臂进行子模块故障定位。进一步地，所述步骤(1)的具体实现过程如下：1.1为桥臂中每一个子模块分配一个长度为fs/fg的队列，用于存储子模块电容电压采样值，并在每一采样时刻对所述队列进行更新，即使得队列头元素出队，将新一采样时刻的子模块电容电压采样值加入队尾；fs为采样频率，fg为电网频率；1.2在每一次队列更新后，计算队列中所有元素的平均值并对其进行n次随机扰动，并将生成的n个随机元素组成1×n维的随机向量，n为给定大于NSM的自然数，NSM为桥臂的子模块个数；1.3在当前时刻队列更新后，将桥臂所有子模块对应的随机向量组成NSM×n大小的矩阵，即当前时刻桥臂对应的随机矩阵。进一步地，所述步骤1.2中n次随机扰动的具体方法为：首先随机生成n个随机数，进而将队列中所有元素的平均值分别加上这n个随机数，对应得到n个随机元素组成1×n维的随机向量。进一步地，所述步骤(2)的具体实现过程如下：2.1计算确定桥臂的判决门限rth；2.2将桥臂对应的随机矩阵转换为归一矩阵；2.3将所述归一矩阵转换为奇异值等价矩阵；2.4将所述奇异值等价矩阵转换为标准矩阵；2.5计算求取所述标准矩阵特征值的平均谱半径rMSR；2.6比较平均谱半径rMSR与判决门限rth的大小：若rMSR≥rth，则判定桥臂状态正常；若rMSR＜rth，则判定桥臂存在开路故障。进一步地，所述步骤2.1中根据以下公式计算确定桥臂的判决门限rth：其中：ε为给定的调节系数且在0～1之间。进一步地，所述步骤2.2中根据以下公式将随机矩阵转换为归一矩阵：其中：yi,j为归一矩阵中第i行第j列元素值，xi,j为随机矩阵中第i行第j列元素值，xi为随机矩阵中的第i行向量，μ(xi)和σ(xi)分别为向量xi的期望和方差，i和j均为自然数且1≤i≤NSM，1≤j≤n。进一步地，所述步骤2.3中根据以下公式将归一矩阵转换为奇异值等价矩阵：其中：A为NSM×NSM大小的奇异值等价矩阵，Y为NSM×n大小的归一矩阵，H表示共轭转置，U为NSM×NSM大小的Haar矩阵。进一步地，所述步骤2.4中根据以下公式将奇异值等价矩阵转换为标准矩阵：其中：zi为标准矩阵中的第i行向量，ai为奇异值等价矩阵中的第i行向量，σ(ai)为向量ai的方差。进一步地，所述步骤2.5中根据以下公式计算求取标准矩阵特征值的平均谱半径rMSR：其中：标准矩阵为NSM×NSM大小的方阵且具有NSM个特征值，λi为标准矩阵的第i个特征值。进一步地，所述步骤(3)的具体实现过程如下：3.1将当前时刻存在开路故障桥臂中所有子模块的电容电压值按升序排列，并提取队列中的下四分位数Q1和上四分位数Q3；3.2计算电容电压门限值uc_th＝Q3+K(Q3-Q1)，K为大于1的比例系数；3.3使当前时刻存在开路故障桥臂中各子模块的电容电压值逐一与电容电压门限值uc_th进行比较：若电容电压值小于uc_th，则判定对应的子模块状态正常；若电容电压值大于等于uc_th，则判定对应的子模块开路故障。本专利技术通过构造基于子模块电容电压值的随机矩阵，并利用单环定理分析所构造随机矩阵的特征值分布以判定MMC运行状态；若检测到子模块开路故障，对故障桥臂子模块电容电压进行统计分析，以定位故障子模块。本专利技术可兼容单/多子模块开路故障诊断，且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，由于本专利技术故障诊断基于数据分析完成，并不依赖于MMC解析模型，因此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为本专利技术提出的子模块开路故障检测方法的流程图。图4为本专利技术提出的子模块开路故障定位方法的流程图。图5(a)为S1开路情况下多电平换流器A相上桥臂故障检测结果示意图。图5(b)为S1开路情况下多电平换流器A相上桥臂故障定位结果示意图。图6(a)为S2开路情况下多电平换流器A相上桥臂故障检测结果示意图。图6(b)为S2开路情况下多电平换流器A相上桥臂故障定位结果示意图。图7(a)为S1和S2开路情况下多电平换流器A相上桥臂故障检测结果示意图。图7(b)为S1和S2开路情况下多电平换流器B相下桥臂故障检测结果示意图。图7(c)为S1和S2开路情况下多电平换流器A相上桥臂故障定位结果示意图。图7(d)为S1和S2开路情况下多电平换流器B相下桥臂故障定位结果示意图。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相上桥臂故障检测结果示意图。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相下桥臂故障检测结果示意图。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相上桥臂故障定位结果示意图。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相下桥臂故障定位结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MMC子模块开路故障诊断方法，包括如下步骤：(1)对于MMC的任一桥臂，基于子模块电容电压构造当前时刻该桥臂对应的随机矩阵；(2)利用单环定理分析所述随机矩阵的特征值分布以判定该桥臂是否存在开路故障；(3)对存在开路故障的桥臂进行子模块故障定位。

【技术特征摘要】
1.一种MMC子模块开路故障诊断方法，包括如下步骤：(1)对于MMC的任一桥臂，基于子模块电容电压构造当前时刻该桥臂对应的随机矩阵；(2)利用单环定理分析所述随机矩阵的特征值分布以判定该桥臂是否存在开路故障；(3)对存在开路故障的桥臂进行子模块故障定位。2.根据权利要求1所述的MMC子模块开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体实现过程如下：1.1为桥臂中每一个子模块分配一个长度为fs/fg的队列，用于存储子模块电容电压采样值，并在每一采样时刻对所述队列进行更新，即使得队列头元素出队，将新一采样时刻的子模块电容电压采样值加入队尾；fs为采样频率，fg为电网频率；1.2在每一次队列更新后，计算队列中所有元素的平均值并对其进行n次随机扰动，并将生成的n个随机元素组成1×n维的随机向量，n为给定大于NSM的自然数，NSM为桥臂的子模块个数；1.3在当前时刻队列更新后，将桥臂所有子模块对应的随机向量组成NSM×n大小的矩阵，即当前时刻桥臂对应的随机矩阵。3.根据权利要求2所述的MMC子模块开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤1.2中n次随机扰动的具体方法为：首先随机生成n个随机数，进而将队列中所有元素的平均值分别加上这n个随机数，对应得到n个随机元素组成1×n维的随机向量。4.根据权利要求2所述的MMC子模块开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体实现过程如下：2.1计算确定桥臂的判决门限rth；2.2将桥臂对应的随机矩阵转换为归一矩阵；2.3将所述归一矩阵转换为奇异值等价矩阵；2.4将所述奇异值等价矩阵转换为标准矩阵；2.5计算求取所述标准矩阵特征值的平均谱半径rMSR；2.6比较平均谱半径rMSR与判决门限rth的大小：若rMSR≥rth，则判定桥臂状态正常；若rMSR＜rth，则判定桥臂存在开路故障。5.根据权利要求4所述的MMC子模块开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤2.1中根...

【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