一种基于桥臂电流畸变及自适应观测的MMC子模块开路故障诊断定位方法

模块化多电平换流器的子模块数量较多,增大了系统发生故障的概率,因此子模块故障的快速诊断和准确定位是保障换流器持续运行的关键。针对MMC子模块开路故障,提出了一种基于桥臂电流畸变及自适应观测的故障诊断和定位方法。通过对故障后桥臂电流的特征提取,判断出故障发生的桥臂以及开路故障的类型;然后利用自适应观测器得到子模块电容电压观测值与实际值的残差,从而实现故障子模块的快速和准确定位;最后利用Matlab/Simulink软件搭建MMC变换器仿真平台,通过对不同相、不同桥臂和不同类型的故障进行仿真,验证了所提故障诊断和定位算法的正确性与有效性。     

MMC-HVDC子模块故障诊断与就地保护策略

子模块故障是模块化多电平换流器高压直流输电(modular multi-level converter based HVDC,MMC-HVDC)常见故障之一,其迅速及时的诊断及可靠的就地保护是保证系统稳定运行的重要条件。针对MMC-HVDC的子模块故障诊断与保护问题,分析了子模块故障特性,基于故障特性分析,根据每个控制周期内电容电压增量的理论值和实际值,提出一种子模块故障诊断判据来实现电容短路失效、IGBT开路以及桥臂直通短路等故障的诊断;提出一种排除法实现对续流二极管、电容开路失效或子模块内连接线开路等故障的诊断和定位。设计了冗余子模块"热备用"运行时的子模块就地保护策略。基于PSCAD/EMTDC搭建了双端21电平MMC-HVDC系统,仿真结果表明,所提出的策略能快速实现子模块故障的诊断并进行可靠的就地保护,保证系统的稳定运行。     

MMC子模块IGBT开路故障诊断策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)内部子模块发生故障的概率较高,快速准确地检测、定位、隔离故障子模块可有效改善换流站运行条件,避免不必要的停运。本文提出一种基于滑模观测法的子模块绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)开路故障诊断策略,在分析子模块IGBT开路故障特性的基础上,以桥臂电流为观测量搭建滑模观测器,快速检测子模块IGBT开路故障;利用桥臂电流测量值与计算值的差值及其变化率识别子模块故障类型;根据不同的故障类型选取部分子模块,计算子模块电容电流的理论值与实际值的比值,实现故障定位。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了MMC-HVDC系统,仿真结果表明所提策略能有效减小故障定位的运算量,快速检测出IGBT开路故障,并准确定位故障。     

基于多元高斯分布异常检测模型的MMC子模块开路故障诊断方法

模块化多电平换流器（MMC）的子模块开路故障隐蔽性强,可以及时有效地识别故障位置,防止故障蔓延影响其他组件,提高换流系统的可靠性。为了诊断子模块开路故障,该文提出一种基于多元高斯分布异常检测模型的故障检测方法。首先,分析子模块开路故障特性,选择子模块电容电压作为故障检测的关键指标,并提取子模块电容电压的12个特征量组成特征向量用于故障诊断。然后,根据多元高斯分布特性,提出基于多元高斯分布的异常检测模型构建方法,并基于此模型提出子模块开路故障诊断策略,可在故障样本偏少致使样本不均衡时,实现高准确率、高效率的故障诊断。最后,通过仿真和实验验证了所提出的MMC子模块开路故障诊断方法的有效性。     

基于拉依达准则的MMC子模块开路故障定位

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)凭借模块化结构等优点,被广泛应用于高压大功率输电领域。MMC含有大量子模块(submodule,SM),SM的开关器件故障是影响MMC可靠性的关键问题之一。其中SM开路故障不易及时检测,威胁系统正常运行,为此提出一种基于拉依达准则的SM开路故障定位方法。首先,对SM开路故障进行故障特性分析,根据SM开路故障会引起SM电容电压的异常变化,应用拉依达准则进行判别。其次,计算同桥臂内SM电容电压的均值和3倍标准偏差来构造一个置信区间,通过判断SM电容电压是否超出置信区间且持续一定时间来检测并定位发生开路故障的SM。该方法不需要额外传感器,不用建立精确数学模型,不用手动设置经验阈值,算法较为简单。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建三相MMC系统仿真,并在实验室搭建单相MMC实验平台对该方法进行验证。仿真和实验结果表明,基于拉依达准则的SM开路故障定位方法能够快速有效地定位出发生开路故障的SM。     

基于四分位数的MMC子模块开路故障诊断方法

模块化多电平换流器(MMC)子模块发生故障时,如何快速准确地检测并定位故障是提高换流器运行可靠性的关键。为解决上述问题,提出了一种基于桥臂输出电压误差、子模块电容电流误差四分位数的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开路故障诊断策略。首先,基于桥臂电压实际值和预测值误差,检测故障桥臂和子模块数目。其次,建立子模块电容电流观测方程,计算电容电流实际值和预测值误差,基于误差数据四分位数定位故障具体位置。最后,基于硬件在环(HIL)实验平台进行单相MMC系统实验研究,结果表明,所提方法在20 ms内准确定位IGBT开路故障,且故障定位阈值选取具有鲁棒性强的优点。     

基于无监督学习的MMC子模块开路故障诊断方法

模块化多电平换流器(MMC)子模块发生故障时,快速准确地检测并定位故障是提高换流器运行可靠性的关键。目前,机器学习在MMC故障诊断领域得到了一定的应用,但大多需要采集每种故障情况下的样本,而故障样本采集难度较大。针对此问题,提出一种无需采集故障样本,仅根据正常样本训练分类模型即可实现故障检测和定位的无监督故障诊断方法。首先,采用在线顺序极限学习机对变量预测模型进行改进,通过比较预测量与实际量的距离判断桥臂故障,实现故障检测。其次,以故障桥臂各子模块电容电压变化率为特征,通过K近邻异常值检测方法定位故障子模块。最后,搭建了三相五电平MMC仿真模型对所提方法进行了仿真研究。结果表明,与有监督的机器学习方法相比,所提方法在不需要故障样本集的情况下便能快速准确地检测并定位故障,为机器学习在MMC故障诊断实际工程中的应用提供了参考。     

基于龙伯格观测器的MMC子模块故障检测方法

摘 要：模块化多电平变流器（modular multilevel converter, MMC）由大量子模块(Submodule, SM)串联构成,是高压大功率领域最有发展潜力的变换器之一。然而,大量功率开关器件的存在是造成MMC故障的潜在因素。为了快速地检测出故障子模块,本文提出了一种基于龙伯格观测器的MMC子模块功率开关故障检测方法。在分析子模块故障特性的基础上,根据子模块电容电压变化的数学关系,采用龙伯格观测器估计SM电容电压。通过比较电容电压估计值与测量值,实现SM功率开关故障的检测。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建MMC系统仿真平台并在实验室搭建MMC实验平台,通过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SM开路故障和短路故障,但需要对每个SM进行监测,从而验证了该故障检测方法的可行性与有效性。     

模块化多电平换流器子模块短路故障分析、检测与定位方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)由大量的子模块串联而成,MCC子模块的运行状态直接影响整个换流站的运行,所以研究MMC子模块的故障特性及故障快速检测与定位方法具有重要意义。本文首先分析了MMC子模块发生短路故障的特性,推导出故障分量的计算公式;然后提出了一种基于MMC子模块电容电压的新型微分欠压检测方法,实现了对MMC故障子模块的检测;最后利用小波变换进行故障IGBT的定位。PSCAD/EMTDC仿真实验表明,本文提出的方法能够准确计算发生MMC短路故障后的IGBT电容电压,并且在不引入额外测量装置的情况下,能快速检测故障子模块并定位故障IGBT,仿真结果验证了本文提出方法的有效性和可靠性。     

模块化多电平换流器子模块故障快速诊断方法

为了提高模块化多电平换流器(MMC)的可靠性,当故障发生后,需要迅速检测并定位子模块故障。分析了故障诊断存在的快速性问题,提出了一种快速的故障诊断方法。故障检测采用基于改进的预测模型的方法,通过比较桥臂电流预测值与测量值的差值是否大于阈值来判断故障,故障定位采用比较子模块电容电压斜率的方法来判断故障,可以快速地定位多个子模块故障,且无需外加传感器,结构简单易实现。最后,搭建了MMC仿真和实验平台,验证了该方法的可行性。     

基于滑模观测器的MMC IGBT开路故障诊断

为了提高模块化多电平变换器(MMC)系统的可靠性,提出了一种基于滑模观测器的MMC子模块(SM)开路故障诊断方法.首先根据MMC的运行原理设计了滑模观测器.再利用观测器估计的输出与传感器测量的输出构造残差信号,通过对残差信号的分析实现子模块开路故障的检测.然后根据故障子模块输出电压特性确定故障位置.最终,在MATLAB/Simulink中搭建单相MMC仿真模型,模拟其中的一个子模块的IGBT发生开路并进行故障诊断.结果表明提出故障诊断方法的正确性.     

具备直流故障清除和自均压能力的MMC移位全桥子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）可通过改进子模块拓扑实现对直流故障电流的清除,但大多数子模块不具备电容电压自均衡能力。在全桥子模块的基础上,推导了一种兼具故障电流自清除能力和模块电容电压自均衡能力的新型子模块：移位全桥子模块（OCFBSM）。该子模块由2个全桥子模块通过移位组合构成,正常工作时根据2个电容的连接关系运行在旁路、串联和并联3种状态,可不依赖于外加均压控制自动实现模块内电容电压均衡。发生直流短路故障时,OCFBSM通过将2个电容反向接入故障回路可自动清除直流故障电流。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了OCFBSM在直流故障电流清除和自均压方面的有效性,且故障闭锁后各子模块电容电压均衡,有利于MMC重启。     

MMC子模块故障下能量再平衡控制与安全运行域分析

模块化多电平换流器(MMC)在柔性直流输电领域得到了广泛的应用。在高压大功率场合,MMC的子模块数量庞大,子模块故障是一种常见的故障类型。为了提高可靠性,通常MMC每个桥臂上均设置一定数量的冗余子模块。然而,当MMC发生不对称子模块故障时,直流电流中会出现基频波动,影响MMC的运行性能。针对上、下桥臂同时存在故障子模块的工况,分析了MMC桥臂间能量平衡的条件。据此,提出了一种能量再平衡控制策略,以抑制直流电流中的基频波动。与传统控制策略相比,在额定冗余运行域内,所提控制策略无需提高子模块电容电压。分析了采用所提控制策略时MMC的最大安全运行域,结果表明所提控制策略能扩展MMC的安全运行域,进一步提高其可靠性。±350 k V/1 000 MW的MMC硬件在环实验结果验证了所提能量再平衡控制策略的有效性以及安全运行域分析的正确性。     

模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护

对模块化多电平换流器（MMC）的基本工作原理进行了阐述,分析了MMC中子模块的几种常见故障原因,指出了单个子模块故障会引发直流电压和直流电流的振荡,最终将导致换流器停运。对级联H桥多电平换流器几种常见的子模块故障冗余保护方案进行了比较,在此基础上提出了适合MMC的子模块故障冗余保护方法。该方法将少量冗余子模块置于热备用...     

具有交流源完全阻断能力的混合式MMC拓扑

在具有直流故障清除能力的多种模块化多电平换流器(MMC)子模块中,箝位双子模块投资成本和附加损耗最低,但是交流源阻断能力相对较弱;串联双子模块和增强自阻型子模块交流源阻断能力足够强,但是投资成本和附加损耗较大。结合不同类型子模块所具备的不同优势,设计了一种混合式MMC拓扑结构。以闭锁后交流源完全阻断为约束,以投资成本、附加损耗最低为目标,提出了子模块数量的混合配置原则。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建相应的基于不同子模块的柔性直流系统模型,通过大量的仿真测试验证了理论分析的正确性以及所设计的混合式MMC拓扑的可行性。     

模块化多电平换流器的子模块电容电压分层均压控制法

为了提高高电平模块化多电平换流器(MMC)均压控制的排序速率和降低换流器的开关损耗,提出了一种适用于高电平MMC的子模块电容电压分层均压控制法。首先,根据桥臂电容电压最值确定电压分层容器,并根据排序的计算复杂度和均压控制效果对分层数进行讨论;然后,根据电容电压大小将子模块放入对应的分层容器,根据桥臂需投子模块个数和桥臂电流方向进行优化排序,确定各子模块的投切;最后,引入容器重新划分判据以减少计算量,即如果任一一个投入子模块的电容电压变化值小于容器的电压间隔,则不重新分层。PSCAD/EMTDC中21电平MMC系统的仿真结果表明,提出的均压控制法能够提高均压控制排序的速率和减少不必要的容器内排序,同时降低绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开关损耗。     

适用于实时仿真的MMC子模块电容电压优化均衡方法

针对并行全比较算法存在的高空间复杂度问题,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)实时仿真的电容电压均衡优化方法。在子模块电容电压的排序方面,采用分组排序的均压策略,组内子模块采用并行全比较算法以减少排序时间,组间子模块根据所定义的能量平衡因子计算结果来平衡其电容电压值。此外,提出一种子模块电容电压值重构方法处理含相同电容电压值的子模块排序问题。在触发脉冲产生方面,提出一种串、并行触发结合的混合触发模式,将触发脉冲产生环节消耗的时间与MMC各桥臂子模块总数解耦。在PSCAD/EMTDC仿真程序和低功率MMC物理样机平台的阀级控制器中验证了所提MMC子模块电容电压优化均衡方法的逻辑有效性和工程实用性,证明了所提方法在保证低时间复杂度的同时,其空间复杂度亦有所降低。     

一种减少电压互感器的模块化多电平换流器分组控制策略

针对模块化多电平换流器(MMC)需要配置大量电压互感器的问题,提出一种减少电压互感器的分组控制策略。该控制策略将每个桥臂的2N个子模块按照2~0,2~1,2~2,…,2~(N-1),2~0分成N+1个子模块组。将每组的子模块作为一个整体,开关状态保持一致,并且配备一个电压互感器,用于测量每组的电容电压。根据这种结构设计相应的电容电压平衡控制方法、均压控制方法和调制方法。电容电压平衡控制采用PI调节器稳定各组子模块的电容电压;均压控制用来保持组间子模块电压平均值均衡;调制方法用来确定各个模块组的通断状态。该分组方法极大地减少了电压互感器的数量,降低MMC系统的造价。最后通过在Matlab/Simulink平台上搭建三十三电平的三相MMC仿真模型进行证明,并搭建九电平单相MMC实验平台,进行实验验证,结果表明了该分组控制策略的有效性。