基于龙伯格观测器的MMC子模块故障检测方法_李群.pdf

：年 月 第 卷 第 期基于龙伯格观测器的 子模块故障检测方法李群，林金娇，邓富金，周琦，陈双锋（国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京；东南大学电气工程学院，江苏 南京）摘 要：模块化多电平换流器（，）由大量子模块（，）串联构成，是高压大功率领域最有发展潜力的变换器之一。功率开关开路故障和短路故障严重影响了 的可靠性，给 稳定运行带了巨大挑战。因此，为了快速地检测出故障，文中提出一种基于龙伯格观测器的 功率开关故障检测方法。首先，分析 故障特性，根据 电容电压变化的数学关系，建立龙伯格观测器模型；然后，通过龙伯格观测器计算 电容电压估计值，比较电容电压估计值与测量值，实现 功率开关故障检测；最后，在 中搭建 系统仿真平台，并在实验室搭建 实验平台进行验证。仿真和实验结果表明，龙伯格观测器能够准确有效地检测出 开路故障和短路故障，验证了该故障检测方法的可行性与有效性，但要对每个 进行监测。关键词：模块化多电平换流器（）；子模块故障；故障检测；故障定位；龙伯格观测器；电容电压中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）引言模块化多电平换流器（，）凭借优良的输出电压波形和极高的传输效率，在高压、大功率场景应用中广受青睐。包含大量的子模块（，），而每个 包含了若干绝缘栅双极型晶体管（，），数目庞大的电力电子器件投入使用导致系统发生故障的概率增加，影响 稳定运行。因此，有必要快速检测出 中 故障。目前，故障诊断集成于每个 控制单元中，与操作电源等多种电源共用 电容取能，这种 故障检测方式简单、速度快，但其每个 单一光纤通道传输信息、多种电源共用回路的结构易造成 故障误判别、误传输的问题。目前国内外已有诸多文献针对 中 故障检测新方法进行了相关研究。一类是人工智能方法：文献提出基于人工智能算法的故障检测方法，能够有效检测出 故障，但当 包含大量 时须采集大量数据，计算量大且参数设计复杂。另一类是观测器方法：文献提出基于滑模观测器的 故障检测方法，通过比较各种类型故障特征与实际故障特征来进行 故障检测，但须对比大量故障特征，过程复杂；文献提出基于扩展状态观测器的 故障检测方法，通过观测桥臂电压的变化来实现 故障检测，但检测方法中的最速微分跟踪器容易受噪声影响且计算复杂；文献提出基于卡尔曼滤波器的 开路故障检测方法，通过观测桥臂环流的变化来实现 故障检测，但须利用协方差矩阵实时更新算法中的增益系数，算法复杂。从国内外研究现状来看，无论是人工智能方法还是观测器方法，都能够快速有效地检测出 故障，但算法复杂，计算量大。基于上述分析，文中提出基于龙伯格观测器的 故障检测方法，通过建立一个简单的龙伯格观测器模型，根据故障模块电容电压变化特征来实现故障诊断。该方法简化了故障检测过程，且只须设置固定的算法增益系数即可实现故障的精确诊断，极大简化了算法的复杂性，减少了计算量。首先介绍 拓扑和工作原理，接着分析 在各类功率开关故障下的故障特性，然后提出基于龙伯格观测器的故障检测方法，最后由仿真和实验结果证明文中所提方法的有效性，为保证实际工程中 稳定可靠运行提供了理论基础与研究方法。拓扑和工作原理 拓扑如图（）所示，由 个桥臂组成，每个桥臂由 个串联的、个桥臂电感 和 个等效桥臂电阻 组成。同一相的上桥臂和下桥臂组成一个相单元。为 的直流侧电压；、为交流侧三相电压；、为三相电流；、分别为上、下桥臂三相电流，可取、。每个 由 个（、）、个反并联二极管（、）以及 个储能电容（）构成，如图（）所示。图 和 的拓扑 在正常运行时，每个 的投入与切除都可用开关函数 表示，定义为：；（）式中：、分别为功率开关 和 的驱动信号。当 时，导通，关断，输出电压 为电容电压，处于投入状态。当 时，关断，导通，输出电压 为，处于切除状态。正常运行时，每个 有 种运行状态。以 相上桥臂 为例，如表 所示。表 正常运行时 工作状态 导通关断充电增大关断导通旁路不变导通关断放电减小关断导通旁路不变 当桥臂电流 且 时，流过电容，电容处于充电状态，电容电压 增大；当 且 时，流过，电容处于旁路状态，电容电压不变；当 且 时，流过电容，电容处于放电状态，电容电压 减小；当 且 时，流过二极管，电容处于旁路状态，电容电压不变。因此，电容电压变化 可以表示为：（）故障特性分析由于 的过载能力较弱，过压、过流等容易造成 损坏，从而导致 中 发生故障。通常，故障可以分为开路和短路 种。的短路故障会导致 内产生较大的短路电流，因而 驱动电路中一般会设置集成电路保护，一旦检测到过电流，内 个 的驱动信号就会立即被封锁，避免 损坏，从而保证 能够稳定可靠运行。开路故障亦会影响 正常运行。文中将分别研究 中 开路故障和短路故障。开路故障发生开路故障，如图 所示，此时 工作状态如表 所示。图 开路故障 表 开路时 工作状态 开路关断充电增大开路导通旁路不变开路关断旁路不变开路导通旁路不变 当 且 时，流过二极管 和电容，电容电压增加；当 且 时，流过，电容处于旁路状态，电容电压不变；当 且 时，由于 发生开路故障，电容无法放电，所以 被迫流过 而不是 和，此时电容处于旁路状态，电容电压不变；当 且 时，流过二极管，此时电容处于旁路状态，电容电压不变。因此，此时模块中电容电压变化 可以表示为：|（）李群 等：基于龙伯格观测器的 子模块故障检测方法 开路故障发生开路故障，如图 所示，此时 工作状态如表 所示。图 开路故障 表 开路时 工作状态 导通开路充电增大关断开路充电增大导通开路放电减小关断开路旁路不变 当 且 时，桥臂电流 流过二极管和电容，电容电压增加；当 且 时，由于 开路，无法正常流过，而被迫流经 和，对 电容充电，此时电容电压增加；当 且 时，流过 和电容，电容放电，电容电压减小；当 且 时，流过二极管，电容处于旁路状态，电容电压不变。因此，此时模块中电容电压变化 可以表示为：|（）短路故障发生短路故障，在 给定驱动信号时，驱动会检测出过流从而闭锁 和 的驱动信号，如图 所示，此时 工作状态如表 所示。图 短路故障 当 且 或 时，流过电容，电容电压增加；当 且 或 时，流过，电流 对电容进行放电，电容电压减小。因此，此时模块中电容电压变化 如式（）所示。表 短路时 工作状态 短路关断充电增大短路关断充电增大短路关断放电减小短路关断放电减小（）短路故障发生短路故障，在 给定驱动信号时，驱动会检测出过流从而闭锁 和 的驱动信号，如图 所示，此时 工作状态如表 所示。图 短路故障 表 短路时 工作状态 关断短路旁路不变关断短路旁路不变关断短路旁路不变关断短路旁路不变 当 且 或 时，流过短路，电容旁路；当 且 或 时，不流过电容，电容旁路。因此，电容电压变化 可表示为：（）故障检测根据 故障特性，故障会直接影响电容电压。文中提出采用龙伯格观测器来估计电容电压，通过比较电容电压估计值与测量值来检测故障。基于龙伯格观测器的电容电压估计龙伯格观测器分为 个部分：时间更新方程和测量更新方程。时间更新方程主要起预测作用，测量更新方程主要起校正作用。根据 系统电路（即图）可得 电容电压 为：（）（）（）（）（）式中：（）、（）分别为 时刻、时刻的电容电压值；（）为 时刻的桥臂电流值；（）为 时刻的开关函数值。基于式（）可构建针对电容电压观测的龙伯格观测器。时间更新将式（）离散化，可获得电容电压的预测状态估计值为：（）（）（）（）（）式中：（）为 时 刻 电 容 电 压 的 预 测 值；（）为 时刻电容电压的估计值；为采样时间；（）为 时刻的桥臂电流值；（）为 时刻的开关函数值。测量更新根据式（），基于龙伯格观测器的电容电压的估计值可表示为：（）（）（）（）（）式中：（）为 时刻电容电压的估计值；（）为 时刻电容电压的测量值；为龙伯格观测器的增益系数。根据式（）和式（）可获得基于龙伯格观测器的电容电压估计算法，如图 所示，其中 表示滞后一个控制周期。图 电容电压估计 故障检测方法 正常运行时，根据式（）、式（）和式（）可知，模块中电容电压的估计值 与测量值 接近。若功率开关发生故障，根据式（）式（）可知，功率开关故障将影响电容电压的变化，因此，由式（）和式（）确定的 时刻电容电压的估计值（）将与测量值（）相偏离。基于该原理，文中提出基于龙伯格观测器的 故障检测方法，图 为该方法检测第 个 是否发生开关故障的具体流程。首先，采集第 个模块电容电压、开关状态、桥臂电流，根据式（）计算 时刻电容电压的预测值（），根据式（）计算 时刻模块电容电压估计值（）。其次，将电容电压的估计值（）和测量值（）进行比较。设 为电容电压误差阈值，图 提出的故障检测方法流程 若（）（），且至少持续时间，则认为在 系统中该 出现了故障；否则，认为 系统正常运行，此检测算法将继续执行。仿真验证为了验证文中提出的 功率开关故障检测方法的有效性，利用软件 搭建 并网系统模型进行仿真验证，系统参数见表。表 仿真系统参数 参数数值额定直流电压 负载频率 桥臂 数量 电容 桥臂电感 等效桥臂电阻 采样时间 电容电压误差阈值 持续时间 正常状态仿真图 显示了 正常运行时系统的运行性能。图（）给出了 相上桥臂电流 和下桥臂电流，图（）给出了 相上桥臂 中电容电压的测量值 和估计值。此时，龙伯格观测器获得的估计值 和测量值 很接近。开路故障仿真考虑 的 相上桥臂 中发生 开路故李群 等：基于龙伯格观测器的 子模块故障检测方法图 正常运行时的仿真结果 障。图 给出了 相上桥臂电流、电容电压的测量值 和估计值。故障发生前，电容电压估计值与测量值基本一致。发生故障后，随着时间的推移，电容电压估计值与测量值相偏离，时检测出故障。因此，提出的故障检测方法可有效检测出 出现故障，故障检测所需时间为 。图 开路故障时的仿真结果 开路故障仿真考虑 的 相上桥臂 中发生 开路故障。图 给出了 相上桥臂电流、电容电压的测量值 和估计值。故障发生前，电容电压估计值与测量值基本一致。发生故障后，随着时间的推移，电容电压估计值与测量值相偏离，时检测出故障。因此，提出的故障检测方法可有效检测出 出现故障，故障检测所需时间为 。图 开路故障时的仿真结果 短路故障仿真考虑 的 相上桥臂 中发生 短路故障。图 给出了 相上桥臂电流、电容电压的测量值 和估计值。故障发生前，电容电压估计值与测量值基本一致。发生故障后，随着时间的推移，电容电压估计值与测量值相偏离，时检测出故障。因此，提出的故障检测方法可有效检测出 出现故障，故障检测所需时间为 。图 短路故障时的仿真结果 短路故障仿真考虑 的 相上桥臂 中发生 短路故障。图 给出了 相上桥臂电流、电容电压的测量值 和估计值。故障发生前，电容电压估计值与测量值基本一致。发生故障后，随着时间的推移，电容电压估计值与测量值相偏离，时检测出故障。因此，提出的故障检测方法可有效检测出 故障，故障检测所需时间为。图 短路故障时的仿真结果 实验验证为了验证提出的故障检测方法的可行性和有效性，在实验室搭建了 平台，如图 所示，直流电源用于支撑 直流侧电压，交流侧通过变压器连接到电网。系统控制算法在数字信号处理控制器中实现，控制器的驱动信号通过光纤传输到各个 的驱动板上。系统参数如表 所示。图 故障模拟平台 开路故障实验考虑 的 相上桥臂 发生 开路故障，实验波形如图 所示。故障发生前，电容电压表 实验系统参数 参数数值额定直流电压 负载频率 桥臂 数量 电容 桥臂电感 采样时间 持续时间 估计值 与测量值 基本一致。故障发生后，上桥臂电流 发生畸变，随着时间的推移，电容电压估计值与测量值相偏移。提出的故障检测方法可在故障发生 后检测出 发生故障。图 开路故障时的实验结果 开路故障实验考虑 的 相上桥臂 发生 开路故障，实验波形如图 所示。故障发生前，电容电压估计值 与测量值 基本一致。故障发生后，上桥臂电流 发生畸变，随着时间的推移，电容电压估计值与测量值相偏离。提出的故障检测方法