一種基于狀態(tài)觀測(cè)的模塊化多電平逆變器故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于模塊化多電平逆變器故障診斷領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于狀態(tài)觀測(cè)的模 塊化多電平逆變器新型故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[000引 模塊化多電平逆變器（Mo化larMultilevelConverter,簡(jiǎn)稱(chēng)MMC)是近年來(lái)興 起的一種多電平變換器。模塊化多電平逆變器的結(jié)構(gòu)是由R.Marquar化教授在2001年率 先提出，相比于傳統(tǒng)的多電平逆變器結(jié)構(gòu)，MMC的突出優(yōu)點(diǎn)包括；1)高度模塊化，使得該種 逆變器可W通過(guò)級(jí)聯(lián)模塊去實(shí)現(xiàn)任何電壓等級(jí)的應(yīng)用；2)諧波特性好，由于相同模塊的級(jí) 聯(lián)，電平數(shù)量多，交流輸出側(cè)可W不使用濾波器；3)冗余與容錯(cuò)能力強(qiáng)，每個(gè)模塊的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)相同，當(dāng)大量的模塊級(jí)聯(lián)時(shí)，每個(gè)模塊之間可W相互替代，互為冗余。因此它在中壓和高 壓領(lǐng)域有著非常好的應(yīng)用前景，特別是在高壓直流輸電和中高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。作為下一 代中高壓領(lǐng)域主流的多電平逆變器，其運(yùn)行的可靠性和安全性是其能否得到大規(guī)模推廣應(yīng) 用的關(guān)鍵性因素。當(dāng)MMC出現(xiàn)故障后，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和準(zhǔn)確地確定故障位置，那 么級(jí)聯(lián)的部分電容可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)分充電或者放電的現(xiàn)象而導(dǎo)致電容損壞，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè) MMC無(wú)法工作。然而，由于MMC采用大量相同模塊級(jí)聯(lián)，所W當(dāng)其發(fā)生故障時(shí)，準(zhǔn)確地確定故 障位置是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的課題。
[0003] 目前已出現(xiàn)針對(duì)MMC故障診斷的方法主要有：
[0004] 1.基于滑膜觀測(cè)器法。主要是利用滑膜觀測(cè)器得到橋臂電流和電容電壓的觀測(cè) 值，再與各自的實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較；當(dāng)觀測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的差值超過(guò)設(shè)定闊值時(shí)，則說(shuō)明此 時(shí)MMC出現(xiàn)故障。然后將假設(shè)不同故障位置后的修正開(kāi)關(guān)模型帶入到滑膜觀測(cè)器中得到橋 臂電流和電容電壓的觀測(cè)值，當(dāng)此時(shí)的觀測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的差值在設(shè)定闊值范圍內(nèi)時(shí)， 表明假設(shè)的故障位置為實(shí)際發(fā)生故障位置。
[0005] 2.卡爾曼濾波器法。主要是利用卡爾曼濾波器得到循環(huán)電流的觀測(cè)值，再與其實(shí) 測(cè)值進(jìn)行比較；當(dāng)觀測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的差值超過(guò)設(shè)定闊值時(shí)，則說(shuō)明此時(shí)MMC出現(xiàn)故障。 然后通過(guò)比較各個(gè)模塊的電容電壓，當(dāng)某個(gè)模塊的電容電壓明顯高于其他模塊的電容電壓 時(shí)，表明此模塊為發(fā)生故障位置。
[0006] 然而，W上幾種故障診斷方法雖然都能夠MMC故障診斷的功能，但是都有著它們 各自的缺陷。例如，滑膜觀測(cè)器法中，需要觀測(cè)和比較多個(gè)物理量，從而增加了算法的復(fù)雜 性；而在卡爾曼濾波器法中，雖然需要觀測(cè)和比較的物理量只有一個(gè)，相比較于滑膜觀測(cè)器 法，算法簡(jiǎn)單，但是由于其僅通過(guò)比較各個(gè)模塊的電容電壓實(shí)測(cè)值確定故障位置，導(dǎo)致了只 能確定故障模塊，而不能具體確定故障開(kāi)關(guān)器件。W上幾種方法的缺陷影響了它們?cè)诠收?診斷中使用效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是針對(duì)一些MMC故障診斷方法中存在的問(wèn)題，提出一種適用于MMC 的新型故障診斷方法。
[000引本發(fā)明采用的技術(shù)方案為；一種MMC故障診斷方法，包括觀測(cè)器模塊、計(jì)算模塊、 輸出匹配模塊和故障位置確定模塊。所述觀測(cè)器模塊中包括擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和低通濾波 器；所述計(jì)算模塊中包括擴(kuò)張狀態(tài)變量計(jì)算子模塊和低通濾波器。
[0009] 為了便于說(shuō)明此故障診斷方法的工作原理，在此，WMMC單相上、下橋臂均級(jí)聯(lián)n 個(gè)子模塊，且在故障假設(shè)中，均假設(shè)每個(gè)子模塊中的上開(kāi)關(guān)器件出現(xiàn)故障為例，結(jié)合擴(kuò)張狀 態(tài)觀測(cè)器工作原理進(jìn)行說(shuō)明觀測(cè)器模塊的工作過(guò)程。特別需要說(shuō)明的是：此故障診斷方法 是針對(duì)一相中的所有子模塊，因此對(duì)于多相MMC的其余各相，W及子模塊中下開(kāi)關(guān)器件的 故障診斷方法與此相相同。
[0010] 首先將實(shí)測(cè)單相中的上橋臂電流ip、下橋臂電流iw和直流側(cè)電壓E輸入到擴(kuò)張狀 態(tài)觀測(cè)器中，得到循環(huán)電流的跟蹤值z(mì)t和擴(kuò)張狀態(tài)變量觀測(cè)值馬；
[0011] 在MMC正常工作時(shí)，根據(jù)基爾霍夫電壓定律（KVL)，上、下橋臂中的電壓、電流的方 程式分別可列如下：
[0014] 將（1)式與似式相加，消去交流側(cè)輸出電壓后可W得到如下等式：
[00 巧]
(3)
[0016] 定義循環(huán)電流t 將其代入到（3)式中，并進(jìn)行變形可W得到如下等式：
[0017]
(4)
[001引其中，ip表示單相上橋臂電流，iW表示單相下橋臂電流，iZ表示循環(huán)電流，1表示 橋臂電感，Vti(i= 1，…，2n)表示各電容電壓，Si(i= 1，…，2n)表示每個(gè)子模塊的開(kāi)關(guān) 狀態(tài)變量，V。表示交流側(cè)輸出電壓，E表示直流側(cè)電壓。
[0019] 針對(duì)式（4)作如下定義式；
[0020]
(5)
[0021] 則式巧）描述的系統(tǒng)可W擴(kuò)張成新的系統(tǒng)如下：
[0022]
(6)
[0023] 在擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器中，狀態(tài)Xi和X2的觀測(cè)方程如下：
[0024]
(7)
[002引其中，fal(e。a，5 )的表達(dá)式如下；
[0026]
(8)
[0027]其中，U和y是觀測(cè)器的輸入信號(hào)；為和屯是觀測(cè)器的輸出信號(hào)，分別是Xi和擴(kuò)張 狀態(tài)X2的觀測(cè)值；b是觀測(cè)器增益。
[002引所述的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器輸出的擴(kuò)張狀態(tài)變量觀測(cè)值是經(jīng)過(guò)放大-1/b倍后，再輸 入到低通濾波器中，經(jīng)濾波后輸出而1，作為輸出匹配模塊的一路輸入信號(hào)。
[0029] 所述的輸出匹配模塊的其他路輸入信號(hào)來(lái)自于計(jì)算模塊的輸出信號(hào)。所述的計(jì)算 模塊中包含有計(jì)算子模塊和與之相對(duì)應(yīng)的低通濾波器。
[0030] 在故障檢測(cè)階段，計(jì)算子模塊的輸入為各電容電壓和正常開(kāi)關(guān)狀態(tài)變量，計(jì)算子 模塊的運(yùn)算公式如下：
[0031]
(9)
[0032] 其中，X22表示根據(jù)正常開(kāi)關(guān)狀態(tài)變量和電容電壓得到的擴(kuò)張狀態(tài)變量的計(jì)算值， Si(i= 1，…，2n)表示正常狀況下開(kāi)關(guān)狀態(tài)變量，其值是通過(guò)正常工作時(shí)根據(jù)模塊化多電平 逆變器子模塊的輸出電壓與子模塊中的電容電壓之間的關(guān)系得到，vw(j= 1，…，2n)表示 各個(gè)子模塊的電容電壓；
[0033] 所述的擴(kuò)張狀態(tài)變量的計(jì)算值X22經(jīng)過(guò)低通濾波器輸出馬2，再輸入到輸出匹配模 塊與進(jìn)行比較，如果兩者的差值超過(guò)設(shè)定的闊值，則表示出現(xiàn)故障；否則，則沒(méi)有出現(xiàn)故 障；
[0034] 當(dāng)檢測(cè)出故障后，每個(gè)計(jì)算子模塊的輸入信號(hào)為各電容電壓、假設(shè)故障位置后的 修正開(kāi)關(guān)狀態(tài)變量和正常開(kāi)關(guān)狀態(tài)變量。每個(gè)計(jì)算子模塊中的運(yùn)算公式如下：
[00 對(duì)
（10)
[0036] 其中，X22U(i= 1，…，2n)表示根據(jù)修正開(kāi)關(guān)狀態(tài)變量和電容電壓得到的擴(kuò)張狀 態(tài)變量的計(jì)算值，SmQ= 1，…，2n)表示假設(shè)故障位置后的修正開(kāi)關(guān)狀態(tài)變量，其值是通過(guò) 假設(shè)出現(xiàn)故障位置后，根據(jù)模塊化多電平逆變器故障子模塊的輸出電壓與故障子模塊中的 電容電壓之間的關(guān)系得到，Sj(j= 1，…，化且j聲i)表示正常的開(kāi)關(guān)狀態(tài)變量，Vd(j= 1,…，2n)表不各個(gè)子模塊的電容電壓；
[0037] 所述的各計(jì)算子模塊的輸出X22if(i= 1，…，2n)經(jīng)低通濾波器濾波后，輸入到輸 出匹配模塊。
[003引所述的輸出匹配模塊將此時(shí)各擴(kuò)張狀態(tài)變量計(jì)算值的濾波信號(hào)分別與觀測(cè)器模 塊輸出的擴(kuò)張狀態(tài)變量觀測(cè)值經(jīng)放大和濾波