基于状态观测器的模块化多电平换流器igbt开路故障的检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电子技术、柔性直流输电故障检测领域，具体涉及一种基于状态 观测器的模块化多电平换流器中子模块IGBT开路故障的检测方法。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC)由于具有非常高的 转换效率、极低的输出电压谐波含量、很小的滤波器体积、模块化特点、安装维护容易等诸 多优点获得了人们的广泛关注，使其十分适用于柔性直流输电等高压大功率电能变换的场 合。
[0003] 模块化多电平换流器的拓扑结构是由若干个相同的子模块单元堆叠而 成，子模块中的功率元件通常采用绝缘栅双极型晶体管（Insulated gate bipolar transistor，IGBT)。由于实际应用中模块化多电平换流器中往往采用上百个子模块，因而 IGBT成为了其最可能发生的故障的元件。IGBT的故障可归类为两类：短路故障与开路故 障。虽然IGBT短路故障的危害较大，目前IGBT的集成驱动器中都已配备了完善的短路故 障的检测与保护功能，能够在故障发生的几个微秒内将该IGBT快速关闭。然而，IGBT的开 路故障则往往能够保持长时间不被发现。对于模块化多电平换流器，倘若一个子模块中的 IGBT发生了开路故障，将会导致整个换流器的输出电压电流波形发生畸变，甚至会造成过 压、过流等其他更加严重的故障。
[0004] 因此，当模块化多电平换流器中某个子模块发生IGBT开路故障时，必须能够快速 诊断出该故障的发生，同时能准确定位出发生故障的子模块并将其旁路，保证其他正常模 块的稳定运行。现有技术中没有给出这样的技术方案。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路故障 的检测方法（一种模块化多电平换流器中IGBT开路故障的检测方法），以针对MMC中可 能发生的IGBT开路故障，能够快速诊断出该故障的发生，同时能准确定位出发生故障的位 置。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0007] 一种模块化多电平换流器中IGBT开路故障的检测方法，该MMC换流器每一相包含 上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感器和若干个结构相同的子模块串联而成，每个子模块 包括一个半桥功率单元和一个电容器，每个半桥功率单元由两个IGBT构成S 1, S2;所述的 IGBT开路故障检测方法如下：
[0008] (1)、分别检测每相上、下桥臂的桥臂电流4与i i，并计算出输出电流i。和桥臂环 流i。： _9] i〇= iu-ii
【主权项】
1. 一种基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路故障的检测方法，所述模块 化多电平换流器每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感器和若干个结构相同的子 模块串联而成，每个子模块包括一个半桥功率单元和一个电容器，每个半桥功率单元含有 两个IGBT，分别记为Si、S2; 其特征在于；所述方法的实现过程为： 步骤一、分别检测每相上、下桥臂的桥臂电流iu与i 1，并计算出输出电流i。和桥臂环流 ic：
步骤二、依据输出电流与桥臂环流，构建模块化多电平换流器的动态电路方程：
式中，叫。表示直流侧电压，ui为下桥臂电压，Uu为上桥臂电压，U。为输出电压，R表示 桥臂等效电阻，L表示桥臂电感量； 步骤=、将所述动态电路方程整理成矩阵形式，得到：
步骤四、依据步骤=的动态电路方程W及步骤一中得到的输出电流i。与桥臂环流i。， 分别构建输出电流与桥臂环流的状态观测器，得到输出电流与桥臂环流的估计值：
其中，意为该物理量的估计值，K为放大倍数矩阵，其值为：
式中，K为放大倍数； 步骤五、当桥臂环流的估计值与检测值误差超出阔值Ith并且持续A T 1的时间，则可判
断故障发生； 步骤六、检测出故障发生后，分别比较桥臂电流与输出电流的估计值与实际值之间的 大小关系，即可判定出故障发生在哪个桥臂，W及故障IGBT的类型（Si或S 2); 步骤走、监测各子模块电容器的电压，若某个子模块电容器高于电压阔值Uth，并且持续 A T2的时间，则可最终定位该子模块中相应类型的IGBT发生了故障。
2. 根据权利要求1所述的一种基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路故障 的检测方法，其特征在于，所述方法还包括；步骤八、将该故障子模块旁路，保证其余子模块 的工作不受影响。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路 故障的检测方法，其特征在于，步骤四中状态观测器用于计算得到输出电流与桥臂环流的 估计值，W用来与实际电流值比较。
4. 根据权利要求4所述的一种基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路故障 的检测方法，其特征在于，步骤五中延时A Ti取值为1?3毫秒。
5. 根据权利要求5所述的一种基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路故障 的检测方法，其特征在于，步骤走中延时A T2取值为5?10毫秒。
【专利摘要】基于状态观测器的模块化多电平换流器IGBT开路故障的检测方法，涉及电力电子技术、柔性直流输电故障检测领域。本发明的目的是针对MMC中可能发生的IGBT开路故障，能够快速诊断出该故障的发生及故障位置。当桥臂环流的估计值与检测值误差超出阈值并且持续ΔT1的时间，则可判断故障发生；检测出故障发生后，分别比较桥臂电流与输出电流的估计值与实际值之间的大小，判定出故障发生在哪个桥臂以及故障的类型；监测各子模块电容器的电压，若某个子模块电容器高于电压阈值，并且持续ΔT2的时间，则最终定位该子模块中相应类型的IGBT发生了故障。在该方法中，对模块化多电平换流器的输出电流与环流构建状态观测器，能准确定位出发生故障的子模块。
【IPC分类】G01R31-02
【公开号】CN104597370
【申请号】CN201510084814
【发明人】徐殿国, 李彬彬, 张一博, 杨荣峰
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年2月16日