CN111781484A - 一种基于igbt子模块的mmc回路结构及开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IGBT子模块的MMC回路结构及开路故障诊断方法，所述MMC回路结构由若干组相桥臂组成；所述相桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂经由电感串联连接；所述相桥臂包括若干级联在一起的IGBT子模块；所述IGBT子模块为半桥拓扑结构，包括IGBT开关管Q₁、Q₂；所述IGBT开关管Q₁与二极管D₁反向并联；IGBT开关管Q₂与二极管D₂反向并联；所述半桥拓扑结构与电容并联构成IGBT子模块；所述诊断方法包括故障检测和故障定位两部分：故障检测通过子模块驱动信号下的开关状态信号S_i与其子模块电容电流信号进行与逻辑判断，满足条件则子模块IGBT发生开路故障；故障定位阶段通过子模块的开关状态信号S_i中的i值为1或0确定发生故障的IGBT子模块。

Description

一种基于IGBT子模块的MMC回路结构及开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及变流器故障诊断，主要涉及一种基于IGBT子模块的MMC回路结构及开路故障诊断方法。

背景技术

MMC具有低开关频率、低开关损耗、高输出电压、高输出功率等级、高效率及四象限运行等优点。MMC因其卓越的优点受到了广泛的研究并且成功应用于高压直流输电、电机驱动等领域。由于MMC随着输出电平数的增加其桥臂子模块串联数量呈正比例线性增加，进而MMC桥臂中使用的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)数量不断增加。当IGBT发生开路故障时，MMC故障子模块的电容电压不断升高并且输出电压和输出电流发生畸变，在缺乏故障诊断方法的前提下，最终会导致MMC的停机甚至损坏。由于功率半导体器件的故障占功率变换器总故障的21％，MMC的可靠性是其面对的最主要挑战。因此，快速准确的故障诊断和定位技术研究对MMC的安全运行有着十分重要的意义。

目前，对于IGBT开路故障诊断和定位的研究方法可以分为以下四类：1)基于硬件电路；2)基于信号处理；3)基于模型；4)基于人工智能算法。以上IGBT开路故障诊断方法对MMC数学模型依赖程度较高，故障诊断效果易受MMC数学模型的精确程度的影响，本发明基于MMC的输出信号进行故障诊断，具有直接、快速、精确的优点，该发明彻底摆脱了对MMC数学模型的依赖。

发明内容

发明目的：针对现有故障诊断方法对MMC数学模型依赖程度高的缺点，本发明提供了一种由IGBT子模块构成的MMC回路结构以及基于MMC输出信号的开路故障诊断方法，兼具直接、快速和精确的优点。。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于IGBT子模块的MMC回路结构，所述MMC回路结构由若干组相桥臂组成；所述相桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂经由电感串联连接；所述相桥臂包括若干级联在一起的IGBT子模块；所述IGBT子模块为半桥拓扑结构，包括IGBT开关管Q₁、Q₂；所述IGBT开关管Q₁与二极管D₁反向并联；IGBT开关管Q₂与二极管D₂反向并联，二者构成半桥拓扑结构；所述半桥拓扑结构与电容并联构成IGBT子模块。

一种基于上述MMC回路结构的IGBT开路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤S1、对相桥臂的桥臂电流信号i_brg(t)、所有子模块的电容电流信号i_{cap_i}(t)与开关状态信号S_i进行采样；定义计数值Count[i]，初始值为0；当满足如下条件(1)或条件(2)时：

(1)S_i＝1&i_{cap_i}(t)＝0

(2)S_i＝0&i_{cap_i}(t)＝i_brg(t)

其中，S_i＝1表示子模块上IGBT导通下IGBT关断，S_i＝0表示子模块上IGBT关断下IGBT导通；则启动事件触发程序，对符合上述(1)或(2)状态的事件进行计数，计数值Count[i]加1；

在时间段T_s内，当事件触发程序连续触发并Count[i]大于预设阈值N时，则判断MMC回路结构出现IGBT开路故障；

步骤S2、判断MMC回路结构出现IGBT开路故障时，根据开关状态信号S_i逻辑值进行故障子模块定位与故障IGBT定位；具体地：

步骤S2.1、根据当前时刻的开关状态信号S_i对故障子模块定位；对发生故障子模块的驱动信号的信号通路进行判定，根据故障子模块的开关状态信号S_i中的i值判定具体故障子模块的位置；

步骤S2.2、通过信号S_i确定开关管故障位置，当S_i＝1时，则第i个子模块中开关管Q₁开路故障；当S_i＝0时，则第i个子模块中开关管Q₂开路故障。

进一步地，所述步骤S1中预设阈值取值范围为20-50。

有益效果：

1、本发明采用相桥臂的桥臂电流信号i_brg(t)、所有子模块的电容电流信号i_{cap_i}(t)与开关状态信号S_i进行开路故障检测，摒弃了现有方法对MMC数学模型地依赖，具有快速、简单地优点。

2、本发明所提供的故障诊断方法无需复杂地数学运算，只对桥臂电流信号i_brg(t)、所有子模块的电容电流信号i_{cap_i}(t)与开关状态信号S_i进行逻辑判断，降低了DSP控制系统地计算负担。

附图说明

图1是本发明提供的MMC回路结构图；

图2是本发明提供的IGBT子模块结构图；

图3是本发明提供的故障诊断与定位流程图。

图4是本发明提供的子模块1上开关管故障诊断与定位仿真波形图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-2所示的一种基于IGBT子模块的MMC回路结构，所述MMC回路结构由若干组相桥臂组成；所述相桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂经由电感串联连接；所述相桥臂包括若干级联在一起的IGBT子模块；所述IGBT子模块为半桥拓扑结构，包括IGBT开关管Q₁、Q₂；所述IGBT开关管Q₁与二极管D₁反向并联；IGBT开关管Q₂与二极管D₂反向并联，二者构成半桥拓扑结构；所述半桥拓扑结构与电容并联构成IGBT子模块。

如图3所示的一种基于上述MMC回路结构的IGBT开路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤S1、对相桥臂的桥臂电流信号i_brg(t)、所有子模块的电容电流信号i_{cap_i}(t)与开关状态信号S_i进行采样；定义计数值Count[i]，初始值为0；当满足如下条件(1)或条件(2)时：

(1)S_i＝1&i_{cap_i}(t)＝0

(2)S_i＝0&i_{cap_i}(t)＝i_brg(t)

其中，S_i＝1表示子模块上IGBT导通下IGBT关断，S_i＝0表示子模块上IGBT关断下IGBT导通；则启动事件触发程序，对符合上述(1)或(2)状态的事件进行计数，计数值Count[i]加1；

在时间段T_s内，当事件触发程序连续触发并Count[i]大于预设阈值N时，则判断MMC回路结构出现IGBT开路故障；预设阈值N优选范围为20-50。

步骤S2、判断MMC回路结构出现IGBT开路故障时，根据开关状态信号S_i逻辑值进行故障子模块定位与故障IGBT定位；具体地：

步骤S2.1、根据当前时刻的开关状态信号S_i对故障子模块定位；对发生故障子模块的驱动信号的信号通路进行判定，根据故障子模块的开关状态信号S_i中的i值判定具体故障子模块的位置；

步骤S2.2、通过信号S_i确定开关管故障位置，当S_i＝1时，则第i个子模块中开关管Q₁开路故障；当S_i＝0时，则第i个子模块中开关管Q₂开路故障。

下面提供一种具体实施例：

子模块的开路故障有两种情况，Q1开路和Q2开路。故障检测方法流程图如图3所示，具体的故障分析和故障检测方法分析如下：

一、故障分析

1)正常情况下电容电流与桥臂电流及开关状态S_i关系

当子模块为投入模式(Q₁＝1，Q₂＝0)时，子模块输出电压u_sm＝U_CM；子模块为切除模式(Q₁＝0，Q₂＝1)时，子模块输出电压u_sm＝0。因此，定义MMC某子模块的开关状态如下：

式中i＝1、2、3、4……n代指MMC中的第i个子模块。

正常情况下电容电流与桥臂电流通过开关状态S_i实现耦合，则桥臂中第i个子模块电容电流与桥臂电流的关系为：

i_{cap_i}(t)＝S_i(t)i_brg(t)

2)开路故障情况下电容电流与桥臂电流及开关状态S_i关系

当子模块IGBT发生开路故障情况下，电容电流与桥臂电流关系不再满足，当子模块中Q₁开关管发生开路故障，其开关状态S_i＝1时，子模块上开关管Q₁因开路故障仍处于关断状态，下开关管Q₂因驱动信号为低电平处于正常关断状态，根据桥臂电流流向，桥臂电流与模块电容电流符合如下关系：

当子模块中Q₁开关管发生开路故障，其开关状态S_i＝0时，子模块上开关管Q₁因开路故障处于关断状态，下开关管Q₂因驱动信号为高电平处于正常导通状态，根据桥臂电流流向，桥臂电流与子模块电容电流符合如下关系：

当子模块中Q₂开关管发生开路故障，其开关状态S_i＝1时，子模块上开关管Q₁因驱动信号为高电平处于导通状态，下开关管Q₂因开路故障处于关断状态，根据桥臂电流流向，桥臂电流与子模块电容电流符合如下关系：

当子模块中Q₂开关管发生开路故障，其开关状态S_i＝0时，子模块上开关管Q₁因驱动信号为低电平处于关断状态，下开关管Q₂因开路故障处于关断状态，根据桥臂电流流向，桥臂电流与子模块电容电流符合如下关系：

当子模块中Q₁、Q₂开关管同时发生开路故障，其开关状态S_i＝1时，子模块开关管Q₁、Q₂因开路故障处于关断状态，根据桥臂电流流向，桥臂电流与子模块电容电流符合如下关系：

当子模块中Q₁、Q₂开关管同时发生开路故障，其开关状态S_i＝0时，子模块开关管Q₁、Q₂因开路故障处于关断状态，根据桥臂电流流向，桥臂电流与子模块电容电流符合如下关系：

综合上述分析，可以得出半桥子模块开关管Q₁、Q₂在正常情况下与开路故障情况下电容电流与桥臂电流在开关状态S_i下的关系如表3所示：

表3：电容电流与桥臂电流在开关状态S_i下的关系

二、故障检测

步骤1、采样所在桥臂的桥臂电流信号i_brg(t)、所有子模块电容电流信号i_{cap_i}(t)与开关状态信号S_i；

步骤2、判断信号i_{cap_i}(t)与S_i是否在同一时间满足条件S_i＝1&i_{cap_i}(t)＝0或S_i＝0&i_{cap_i}(t)＝i_brg(t)，如果条件满足则第i个模块的计数值加一；

步骤3、在时间段T_s内计数值Count[i]大于阈值N值，则MMC出现子模块开关管开路故障。

步骤4、根据当前时刻的开关状态信号S_i对故障子模块定位。对发生故障子模块的驱动信号的信号通路进行判定，对故障子模块的开关状态信号S_i中的i值判定具体故障子模块的位置。

步骤5、通过信号S_i确定开关管故障位置，如果S_i＝1则第i个子模块中开关管Q₁开路故障，如果S_i＝0则第i个子模块中开关管Q₂开路故障。

图4为可知，子模块1上开关管故障诊断与定位仿真波形图。从图中可以直观出，当子模块1上开关管在0.01s发生开路故障，本发明所述故障诊断和定位算法可以快速、准确的对故障信号进行计数，并最终定位相应的故障开关管。因此所提出的故障诊断算法具有快速性和准确性，同时摒弃了对MMC被控对象数学模型的依赖。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于IGBT子模块的MMC回路结构，其特征在于，所述MMC回路结构由若干组相桥臂组成；所述相桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂经由电感串联连接；所述相桥臂包括若干级联在一起的IGBT子模块；所述IGBT子模块为半桥拓扑结构，包括IGBT开关管Q₁、Q₂；所述IGBT开关管Q₁与二极管D₁反向并联；IGBT开关管Q₂与二极管D₂反向并联，二者构成半桥拓扑结构；所述半桥拓扑结构与电容并联构成IGBT子模块。

2.一种基于权利要求1所述MMC回路结构的IGBT开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、对相桥臂的桥臂电流信号i_brg(t)、所有子模块的电容电流信号i_{cap_i}(t)与开关状态信号S_i进行采样；定义计数值Count[i]，初始值为0；当满足如下条件(1)或条件(2)时：

(1)S_i＝1&i_{cap_i}(t)＝0

(2)S_i＝0&i_{cap_i}(t)＝i_brg(t)

其中，S_i＝1表示子模块上IGBT导通下IGBT关断，S_i＝0表示子模块上IGBT关断下IGBT导通；则启动事件触发程序，对符合上述(1)或(2)状态的事件进行计数，计数值Count[i]加1；

在时间段T_s内，当事件触发程序连续触发并Count[i]大于预设阈值N时，则判断MMC回路结构出现IGBT开路故障；

步骤S2、判断MMC回路结构出现IGBT开路故障时，根据开关状态信号S_i逻辑值进行故障子模块定位与故障IGBT定位；具体地：

步骤S2.1、根据当前时刻的开关状态信号S_i对故障子模块定位；对发生故障子模块的驱动信号的信号通路进行判定，根据故障子模块的开关状态信号S_i中的i值判定具体故障子模块的位置；

步骤S2.2、通过信号S_i确定开关管故障位置，当S_i＝1时，则第i个子模块中开关管Q₁开路故障；当S_i＝0时，则第i个子模块中开关管Q₂开路故障。

3.根据权利要求2所述的一种基于MMC回路结构的IGBT开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S1中预设阈值取值范围为20-50。

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