一种基于状态观测的模块化多电平逆变器故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于模块化多电平逆变器故障诊断领域，具体设及一种基于状态观测的模 块化多电平逆变器新型故障诊断方法。
【背景技术】
[000引 模块化多电平逆变器（Mo化larMultilevelConverter,简称MMC)是近年来兴 起的一种多电平变换器。模块化多电平逆变器的结构是由R.Marquar化教授在2001年率 先提出，相比于传统的多电平逆变器结构，MMC的突出优点包括；1)高度模块化，使得该种 逆变器可W通过级联模块去实现任何电压等级的应用；2)谐波特性好，由于相同模块的级 联，电平数量多，交流输出侧可W不使用滤波器；3)冗余与容错能力强，每个模块的内部结 构相同，当大量的模块级联时，每个模块之间可W相互替代，互为冗余。因此它在中压和高 压领域有着非常好的应用前景，特别是在高压直流输电和中高压电机驱动领域。作为下一 代中高压领域主流的多电平逆变器，其运行的可靠性和安全性是其能否得到大规模推广应 用的关键性因素。当MMC出现故障后，如果不能及时发现故障和准确地确定故障位置，那 么级联的部分电容可能会出现过分充电或者放电的现象而导致电容损坏，甚至会导致整个 MMC无法工作。然而，由于MMC采用大量相同模块级联，所W当其发生故障时，准确地确定故 障位置是一个非常具有挑战性的课题。
[0003] 目前已出现针对MMC故障诊断的方法主要有：
[0004] 1.基于滑膜观测器法。主要是利用滑膜观测器得到桥臂电流和电容电压的观测 值，再与各自的实测值进行比较；当观测值与实测值之间的差值超过设定阔值时，则说明此 时MMC出现故障。然后将假设不同故障位置后的修正开关模型带入到滑膜观测器中得到桥 臂电流和电容电压的观测值，当此时的观测值与实测值之间的差值在设定阔值范围内时， 表明假设的故障位置为实际发生故障位置。
[0005] 2.卡尔曼滤波器法。主要是利用卡尔曼滤波器得到循环电流的观测值，再与其实 测值进行比较；当观测值与实测值之间的差值超过设定阔值时，则说明此时MMC出现故障。 然后通过比较各个模块的电容电压，当某个模块的电容电压明显高于其他模块的电容电压 时，表明此模块为发生故障位置。
[0006] 然而，W上几种故障诊断方法虽然都能够MMC故障诊断的功能，但是都有着它们 各自的缺陷。例如，滑膜观测器法中，需要观测和比较多个物理量，从而增加了算法的复杂 性；而在卡尔曼滤波器法中，虽然需要观测和比较的物理量只有一个，相比较于滑膜观测器 法，算法简单，但是由于其仅通过比较各个模块的电容电压实测值确定故障位置，导致了只 能确定故障模块，而不能具体确定故障开关器件。W上几种方法的缺陷影响了它们在故障 诊断中使用效果。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是针对一些MMC故障诊断方法中存在的问题，提出一种适用于MMC 的新型故障诊断方法。
[000引本发明采用的技术方案为；一种MMC故障诊断方法，包括观测器模块、计算模块、 输出匹配模块和故障位置确定模块。所述观测器模块中包括扩张状态观测器和低通滤波 器；所述计算模块中包括扩张状态变量计算子模块和低通滤波器。
[0009] 为了便于说明此故障诊断方法的工作原理，在此，WMMC单相上、下桥臂均级联n 个子模块，且在故障假设中，均假设每个子模块中的上开关器件出现故障为例，结合扩张状 态观测器工作原理进行说明观测器模块的工作过程。特别需要说明的是：此故障诊断方法 是针对一相中的所有子模块，因此对于多相MMC的其余各相，W及子模块中下开关器件的 故障诊断方法与此相相同。
[0010] 首先将实测单相中的上桥臂电流ip、下桥臂电流iw和直流侧电压E输入到扩张状 态观测器中，得到循环电流的跟踪值zt和扩张状态变量观测值馬；
[0011] 在MMC正常工作时，根据基尔霍夫电压定律（KVL)，上、下桥臂中的电压、电流的方 程式分别可列如下：
[0014] 将（1)式与似式相加，消去交流侧输出电压后可W得到如下等式：
[00 巧]
(3)
[0016] 定义循环电流t 将其代入到（3)式中，并进行变形可W得到如下等式：
[0017]
(4)
[001引其中，ip表示单相上桥臂电流，iW表示单相下桥臂电流，iZ表示循环电流，1表示 桥臂电感，Vti(i= 1，…，2n)表示各电容电压，Si(i= 1，…，2n)表示每个子模块的开关 状态变量，V。表示交流侧输出电压，E表示直流侧电压。
[0019] 针对式（4)作如下定义式；
[0020]
(5)
[0021] 则式巧）描述的系统可W扩张成新的系统如下：
[0022]
(6)
[0023] 在扩张状态观测器中，状态Xi和X2的观测方程如下：
[0024]
(7)
[002引其中，fal(e。a，5 )的表达式如下；
[0026]
(8)
[0027]其中，U和y是观测器的输入信号；為和屯是观测器的输出信号，分别是Xi和扩张 状态X2的观测值；b是观测器增益。
[002引所述的扩张状态观测器输出的扩张状态变量观测值是经过放大-1/b倍后，再输 入到低通滤波器中，经滤波后输出而1，作为输出匹配模块的一路输入信号。
[0029] 所述的输出匹配模块的其他路输入信号来自于计算模块的输出信号。所述的计算 模块中包含有计算子模块和与之相对应的低通滤波器。
[0030] 在故障检测阶段，计算子模块的输入为各电容电压和正常开关状态变量，计算子 模块的运算公式如下：
[0031]
(9)
[0032] 其中，X22表示根据正常开关状态变量和电容电压得到的扩张状态变量的计算值， Si(i= 1，…，2n)表示正常状况下开关状态变量，其值是通过正常工作时根据模块化多电平 逆变器子模块的输出电压与子模块中的电容电压之间的关系得到，vw(j= 1，…，2n)表示 各个子模块的电容电压；
[0033] 所述的扩张状态变量的计算值X22经过低通滤波器输出馬2，再输入到输出匹配模 块与进行比较，如果两者的差值超过设定的阔值，则表示出现故障；否则，则没有出现故 障；
[0034] 当检测出故障后，每个计算子模块的输入信号为各电容电压、假设故障位置后的 修正开关状态变量和正常开关状态变量。每个计算子模块中的运算公式如下：
[00 对
（10)
[0036] 其中，X22U(i= 1，…，2n)表示根据修正开关状态变量和电容电压得到的扩张状 态变量的计算值，SmQ= 1，…，2n)表示假设故障位置后的修正开关状态变量，其值是通过 假设出现故障位置后，根据模块化多电平逆变器故障子模块的输出电压与故障子模块中的 电容电压之间的关系得到，Sj(j= 1，…，化且j声i)表示正常的开关状态变量，Vd(j= 1,…，2n)表不各个子模块的电容电压；
[0037] 所述的各计算子模块的输出X22if(i= 1，…，2n)经低通滤波器滤波后，输入到输 出匹配模块。
[003引所述的输出匹配模块将此时各扩张状态变量计算值的滤波信号分别与观测器模 块输出的扩张状态变量观测值经放大和滤波