第52卷第11期 2018年11月 电力电子技术 Power Electronics Vo1.52,No.11 November 2018 MMC子模块单管开路故障的新型诊断方法研究 蔡婷婷,肖 岚,王楚扬,蒋慧杰 (南京航空航天大学,自动化学院,江苏南京211106) 摘要:针对模块化多电平换流器(MMC)的子模块单管开路故障,分析了开路故障后的现象,提出一种新型的故 障诊断方法。首先,说明了执行基于排序法的电容电压平衡算法(CVBS)对故障子模块电容电压上升的抑制作 用。并阐述当执行CVBS时,根据电容电压是否超过阈值进行故障诊断的这一诊断机制可能失效的原因。接下 来,提出了一种对于执行CVBS依旧有效的故障诊断方法。最后,搭建了8模块的单相MMC平台,实验结果验 证了CVBS对子模块电容电压的影响和所提故障诊断方法的正确性和有效性。 关键词:模块化多电平换流器;单管开路故障;故障诊断 中图分类号:TM46 文献标识码:A 文章编号:1000—100X(2018)11-0075—04 A New Method for Fault Diagnosis of Single--tube Open--circuit Fault in Modular Multilevel Converter CAI Ting—ting,XIAO Lan,WANG Chu—yang,JIANG Hui-jie (Nanjing University ofAeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China) Abstract:Aiming at the single—tube open—circuit fault of he modultar mulitlevel converter(MMC),the phenomenon of open-circuit fault is analyzed,and a new fault diagnosis method is proposed.Firstly,it explains that the implementation of capacitor voltage balance algorihm basted on the sorting method(CVBS)on the fault sub—modules’capacitor volt— age rise suppression.Then,it explains why this diagnostic mechanism may fail due to whether the capacitor voltage exceeds the threshold when performing CVBS.Next,a fault diagnosis method for performing CVBS is proposed.Finally, the 8-module single-phase MMC platform is buih.he experiTmental results ver.fy the effect of CVBS on the capaei- tance voltage of the sub-module and the correctness and validity of the proposed fault diagnosis method. Keywords:modular multilevel converter;single—tube open—circuit fault;fault diagnosis Foundation Project:Supported by National Naturla Science Foundation of China(No.61673210) 1 引 言 MMC经过十余年的发展.已在工业领域.特别 均压控制方法是使用CVBS,即首先对所有的子模 块电容电压进行排序,再根据此时的桥臂电流方 向决定需要投入的子模块。因此,有必要探讨均压 算法对故障后的子模块电容电压变化的影响。 在此根据MMC的运行原理.研究了CVBS对 故障下系统的子模块电容电压的影响。并提出了 同样适用于CVBS下的故障诊断方法,该方法算 是中大功率变换器和柔性直流输电技术中得到了 广泛的应用。MMC具有扩展能力强、开关损耗小、 故障容错能力强等诸多优点【卜 1。 MMC由大量子模块构成,在工程应用中。最 常见的是半桥子模块。随着功率等级的提升,系统 子模块数目愈加庞大,开关管故障概率不断提升, 导致系统正常工作的概率不断降低。因为同一桥 臂各子模块均是串联连接,所以单个子模块故障 必然波及其他子模块【4_ 。因此,研究高效快速的 子模块故障诊断机制已成为目前一大研究热点。 同时.因为子模块的串联连接结构,需要对子模块 的悬浮电容进行均压控制【,一1。目前,比较常见的 基金项目:国家自然科学基金(61673210) 定稿日期:2017—12—05 法简单且耗时较短。最后,对CVBS对于故障后子 模块的电容电压变化的影响和提出的故障诊断方 法进行了实验验证。 2 MMC稳态数学模型 三相MMC的开关管故障诊断方法与单相 MMC原理相同.所以此处以单相带载MMC 电路系统为分析对象。图1为单相MMC的电路 图,由上、下两个桥臂构成,其中SM,一SM 为子模 块。子模块选用半桥拓扑,结构如图1所示。上、下 桥臂分别有Ⅳ个子模块。每个桥臂还包含桥臂电 感 和桥臂寄生电阻R。因为R的取值很小,建 75 作者简介:蔡婷婷(1994一),女,江苏连云港人,硕士研究 生.研究方向为模块化多电平变换器。 第52卷第11期 2O18年11月 电力电子技术 Power Electronics Vo1.52,No.11 Noverf ̄er 2018 模时忽略。其中, 为直流侧电压;i ,i 分别为 上、下桥臂电流; ,Un分别为上、下桥臂电压;U。 为交流输出电压;i。为交流输出电流;R。为负载电 阻。子模块直流侧电压即电容电压为 ,交流侧 输出电压为//, ,电容的电流为 。。 Cl= + +l .。_ I c - ------— —-t::}----—●—---—一 (b)子模块结构 十 : { 口 I e fa)单相MMC系统结构 (c)子模块等效模型 图1 MMC单相电路拓扑 Fig.1 Single-phase topology of MMC 对上、下桥臂分别列写KVL方程,可得: p=UJ2-Ldip/dt-u。, =UdJ2-LdiJdt+u。(1) 设.s为开关函数.则: f0,子模块下管开通,上管关断 ,^、 一【1,子模块上管开通,下管关断 根据式(2)可建立子模块的等效模型,见图1。 则i 可以通过 和S表示,其中 指i 或i : ic=Si ̄ (3) 子模块的输出电压 为: u==SUc (4) 3开关管故障诊断 3.1 开关管故障时的工作原理 开关管的单管开路故障有两种情况,上管V。 开路、下管V:开路。如图2所示,开路的开关管用 灰线表示。 翊。 篮 (a)V1升蝌 (b)v2升蹯 图2子模块功率管开路情况示意图 Fig.2 Diagrams of sub—module open—circuit 在这两种故障情况下.因为开关管的开路,.流 过电容的电流不再满足式(3),子模块的端口电压 也不再如式(4)所示,实际流过电容的电流i。和 子模块的端口电压值 如表1所示。从表1可 见,在这两种开关管开路情况下.原来的电流通道 被改变。流经电容的电流可能发生两种情况:①在 76 <0时,ic由正常情况下的 变为0;②在 >0 时,i。由正常情况下的0变为 。前者是在故障 时,让电容无法放电;后者是让电容由不充电的状 态转变为充电状态。这两种情况都会导致故障子 模块的电容电压升高。而当执行CVBS时,在有些 情况下会导致故障桥臂的所有子模块的电容电压 升高。所以,当使用CVBS时,将不能使用根据将 所有子模块的电容电压值与阂值相比较进行故障 定位这一故障诊断机制。所以,需要寻求一种在使 用CVBS时依旧适用的故障诊断方法。 表1 电容电流和子模块端口电压 Table l Capacitance current and sub-module port voltage 3.2新型故障诊断方法 故障子模块的理论电容电压值为: 1 r t ucl= + 1} (Si ̄)dt (5) 式中: 为子模块电容的初始电压,稳态情况下 = ,v。 将式(5)离散化得出: +k=0 ∑ : +∑fk=O L 垃 ·u 1J (6) 式中:u 为第k个开关周期的电容电压变化量; 为第k个 开关周期的开始时间; 为第k个开关周期v。驱动为高 电平的时间。 故障子模块的实际电容电压值为: 1 f UCa=Uco+ 1 f icdt (7) u 因为子模块故障, 。≠.s ,而是如表1所示, 所以故障子模块的电容电压理论值与实际值产生 了偏差。在此提出一种故障诊断方法,将6 ms作 为一个判断周期,比较这段时间的电容电压变化 量的理论值与实际值.并且如果连续5个判断周 期这两个值的差值超过阈值,诊断出故障。令5个 判断周期,即30 ms作为一个故障诊断周期。 故障诊断结构示意图见图3,故障诊断单元 (FDU)需要采样3个信号(V 的驱动、桥臂电流信 号 和电容电压的实际值)进行故障检测。V 的 驱动信号采样流程如下:由主控制器(MC)的数字 信号处理(DSP)产生的调制波和电容电压的排序 结果送至现场可编程门阵列(FPGA)产生驱动信 号。驱动信号送至每个子模块的控制器(SC),经 过驱动电路后将V 的驱动送至FDU。 MMC子模块单管开路故障的新型诊断方法研究 SC 驱动信号 MC DSP 图3故障诊断结构示意图 Fig.3 Diagram of fault diagnosis structure 第i个子模块在每个判断周期内电容电压变 化量的理论值为: Au --Uct( +0.006)-uct(£) (8) 式中:i=1,2,…,Ⅳ;t=0.006K,K=0,1,…,∞。 第i个子模块在每个判断周期内电容电压变 化量的实际值为: AUc ̄=U ( +0.006)-u&( ) (9) 当电容电压变化量的实际值与计算值的差值 超过一定阈值 且持续5个判断周期时,能够诊 断出具体的故障子模块, 设置为1 V。故障诊断 具体的流程图如图4所示。如果第i个子模块满 足图4,可以诊断出故障子模块为SM 。 图4故障诊断流程图 Fig.4 Flow chart of fault diagnosis 为了排除驱动电路的故障。检测FPGA输出 的驱动信号与驱动电路输出的驱动信号是否一 致。若不一致。说明发生了驱动电路故障;若一致, 且检测到发生开路故障,则检测并定位到了故障 子模块S Mi。 该子模块单管开路故障诊断方法的优点在 于:①故障诊断采样的信号都是现有的信号,不需 要增加传感器。故障诊断直接在sc的DSP中完 成.不需要增加额外的硬件电路;②当CVBS使故 障子模块所有子模块电容电压升高时,只有故障 子模块的电容电压变化量的理论值和实际值因为 开关管故障而不一致,不会导致误判断;③延长故 障诊断的判断周期,且连续5个判断周期电容电 压变化量的理论值与实际值的差值超过阈值才诊 断出故障,避免了因为采样误差、计算误差等导致 的误判断,提高了鲁棒性;④通过检测FPGA输出 的驱动信号与驱动电路输出的驱动是否一致,可 以排除驱动故障引起的误判断。 4实验验证 4.1故障时平衡算法对子模块电容电压的影响 为了验证平衡算法对子模块电容电压的影响 和所提方法的有效性。在600 W的实验平台上进 行了实验,样机的参数如下:额定容量为600 VA, 交流侧额定电压有效值为11O V。直流侧额定电压 为400 V,额定频率为5O Hz,桥臂电感为3.6 mH, 子模块电容容值为1 640 F,桥臂子模块数N=4, 载波频率为2 kHz。 为了验证故障时平衡算法对子模块电容电压 的影响,选取上桥臂的子模块1为故障子模块进 行实验。图5a为V 开路故障后屏蔽CVBS的子 模块电容电压波形,其中,Vcp。,‰分别为上桥臂 子模块1,2的电容电压, 为下桥臂子模块1的 电容电压。其他上桥臂的子模块电容电压与 变化一致,其他下桥臂的子模块电容电压与 变化一致。从图5a中可以看出,当屏蔽CVBS后, 故障子模块的电容电压急剧上升。 图5b为V 开路故障时未屏蔽CVBS时的子 模块电容电压变化波形。可以看出上桥臂的所有 子模块的电容电压与故障子模块变化一致,下桥 臂基本不受影响。对比图5a,b可以得出CVBS对 故障下的子模块电容电压上升有抑制作用。 , P l ·O- -.一一. : ·0 t/(200 ms/格) r,(I O0 ms/格) (a)屏蔽CVBS (b)来屏蔽CVBS 图5 V。故障后电容电压波形 Fig.5 Capacitor voltage waveforrns after Vl fauh 为了分析v 开路故障时子模块的电容电压 变化规律,分析故障时桥臂电压和电流的变化,如 图6a所示。可以看出因为V 故障,如表1所示, 子模块的输出电压从 变为0。故在故障后 。的 高电平缺失,由原来的五电平变为四电平。故在闭 环控制下,为了提升M。,上桥臂其他子模块的电容 电压值升高。又因为CVBS的作用,上桥臂的故障 子模块与正常子模块的电容电压值同步上升。 V:开路故障时桥臂电压电流的波形见图6b。 可见,因为v:开路的影响,据样机参数显示,故障 77 吧 丁彼不 Vo1.52,No.11 November 2Ol8 2018年11月 Power Electronics 子模块的输出电压由0变为 ,所以U。的零电平 缺失。根据式(1),因为 。增大,电感上压降减小, 上桥臂模块1的v:开路故障时的诊断结果如 图8b所示。可以看出故障诊断耗时30 ms,即1个 诊断周期。V 故障诊断耗时较短的原因是当桥臂 所以i 由上升跳变为下降。此时,因为 <O,故障 子模块所在桥臂的所有子模块的电容电压开始放 电。但是据第3.1节分析。故障子模块的电容电压 电流大于零时。子模块电容电压变化量的理论值 与实际值会出现偏差,所以诊断耗时较短。 在短暂的下降后开始上升,见图7。 萋 警鼍 霎董 t/(20 n1s,格)t/(20 ms/格) (a) 故障 ¨} (b) 故障时 图6 V ,V:故障时的桥臂电压电流波形 Fig.6 Arm voltage and current waveforms after Vl,V2 faults t/(200 ms/格) 图7 V 故障后未屏蔽CVBS时波形 Fig.7 Waveforms without shielding CVBS after V2 fault 从上述分析中,可以得出的结论是,当V 开 路时,CVBS使得故障子模块所在桥臂的正常子模 块与故障子模块保持同步上升。可以减缓故障子 模块电容电压上升的速率,减小了电压冲击。但 是,可能导致故障诊断时误判断。 4.2故障诊断 图8为V ,V:故障时诊断结果。上桥臂子模 块1的V 开路故障时的诊断结果如图8a所示,故 障信号 由低变高时表示v 开路故障发生,当 故障诊断信号 由低变高时表示通过第3.2节 的故障诊断方法诊断出故障子模块。故障诊断耗 时60 ms,即2个诊断周期。需2个诊断周期的原 因是只有桥臂电流小于零时.子模块电容电压变化 量的理论值与实际值才会出现偏差。而桥臂电流 因V 故障发生畸变,大概在30 ms后才出现负 值,所以需2个诊断周期才能诊断出故障。 萋 喜 善 图8 V ,V:故障时诊断结果 Fig.8 V1,V2 fault diagnosis results 78 通过V 与V:开路故障实验,说明所提子模块 单管开路故障诊断能有效快速地诊断故障子模块。 5 结 论 建立了MMC系统稳态数学模型,详细分析了 故障子模块电容电压上升的原因。并且研究了 CVBS对子模块电容电压的影响.提出了一种在 CVBS下依然适用的故障诊断方法.不需要添加新 的传感器和硬件电路,且鲁棒性较高。最后通过实 验验证了CVBS对子模块电容电压的影响和所提 故障诊断方法的正确性和有效性。 参考文献 [1】彭浩,邓焰,王莹,等.模块化多电平变换器模 型及稳态特性研究[J].电工技术学报,2015,30(12): 120—127. 【2】L Zhang,F Gao,N Li.Control Strategy of MMC Battery Energy Storage System Under Asymmetrical Grid Volt- age Condiiton[J].Journal of Electrical En ̄neering,2016, 2(2):76-83. 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