基于子模块电压分组检测的MMC子模块开路故障诊断定位方法

模块化多电平变流器(MMC)子模块数目较多时,系统结构复杂且发生故障概率较高。针对子模块的开路故障诊断问题,提出一种基于子模块电压分组检测的MMC子模块开路故障诊断定位方法。分析子模块故障特性,通过对比子模块组输出电压的预测值和实际值获得检测判据,根据检测判据诊断故障发生的子模块组及故障类型;改变子模块的工作状态,根据检测判据进行故障定位;定量分析分组检测时子模块电容电压的测量误差,为子模块电压分组提供依据。通过MATLAB/Simulink搭建49电平MMC仿真平台,在电容值偏移的情况下对不同类型的故障进行仿真,仿真结果表明,所提故障诊断定位方法能在减少电压传感器数量的情况下实现子模块开路故障诊断定位,提升系统的可靠性。     

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。     

基于支持向量机的模块化多电平换流器子模块开路故障诊断方法

随着模块化多电平换流器（MMC）应用范围越来越广泛,其子模块的开路故障诊断方法成为研究热点。MMC的故障样本少,正常样本多,冗余子模块过多。针对此问题,本文提出基于支持向量机（SVM）的MMC子模块开路故障诊断方法,判断子模块故障发生在区内还是区外,以实现故障子模块的检测和定位。针对MMC子模块开路故障特征,选取子模块电容电压作为样本特征,分析子模块故障对A、B、C相样本的影响,通过赋予A、B、C相正常样本不同的权重系数,提高故障识别的准确率。最后,搭建MMC仿真模型,证明了所提方法的有效性。     

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。     

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。     

基于增量预测模型的MMC子模块功率管开路故障检测方法

该文分析模块化多电平变换器(modularmultilevel converters,MMC)基于模型的故障诊断方法及其鲁棒性问题。提出基于增量预测模型检测故障环流特征而判断故障,再通过比较电容电压值与桥臂子模块电容电压均值之间差值而定位故障的故障诊断方法。建立环流的增量预测模型,提出环流预测误差矫正、多步预测及三段式误差补偿方法以消除由模型参数不准确、采样误差和外部干扰造成的检测结果偏差,给出故障诊断参数的设计原则。最后,搭建桥臂子模块数为4个的单相MMC实验样机进行实验研究,实验结果验证了基于增量预测模型的子模块功率管开路故障诊断策略具有鲁棒性强的优点。     

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。     

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。     

一种基于扩展卡尔曼滤波算法的MMC系统故障诊断策略

模块化多电平换流器(MMC)凭借其诸多优势已成为高压大功率工况下的核心拓扑,针对MMC系统常见子模块故障的诊断技术直接影响着系统的安全稳定运行。在分析MMC系统离散域数学模型和发生子模块功率单元故障时内部状态变化的基础上,提出一种基于扩展卡尔曼滤波算法(EKFA)的MMC故障诊断策略,旨在通过观测系统内部环流状态以快速判定系统是否处于故障状态。首先,参考系统离散域数学模型建立系统扩展卡尔曼滤波方程;其次,构建故障诊断系统的判别机制与定位环节;最后,为验证所提故障诊断策略的可行性和有效性,在子模块不同类型故障状态下,对其进行仿真和实验的对比分析。实验结果表明,所提故障诊断技术能够快速判定故障状态,并定位故障点所在位置,提升MMC系统的安全性能。     

基于随机森林二分类器的模块化多电平换流器子模块开路故障检测方法EI北大核心CSCD

随着模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)应用领域的日益扩展,其子模块的开路故障引起了更多关注。为了诊断子模块开路故障,该文提出一种基于机器学习(machinelearning,ML)的故障检测和定位策略。根据开路故障特性,文中选择子模块电容器电压作为故障检测的关键指标,然后引入一种从电压数据中提取时域特征的方法,以构造用于有监督学习分类器的样本。在对随机森林的分类器进行样本训练后,检测策略实时电压数据的特征量判断每个子模块的工作状态。所提出的策略可快速准确地定位故障子模块,而无需添加额外的传感器或构建电路的数学模型。最后,通过三相MMC实验平台验证所提出的开路故障检测策略的有效性。     

一种新型MMC并联双端口子模块及其三阶段故障电流阻断机理

为使模块化多电平换流器(modular multilevel converter,?MMC)具备直流故障自清除能力和电容电压均衡能力,提出了一种新型并联双端口子模块：钳位双全桥子模块(clamp double full bridge submodule,?CD-FBSM)。该子模块器件成本和运行损耗较低,正常工作时相邻子模块之间具有多种协同运行模式,通过特有的并联模式可提高电容电压均衡度。故障闭锁时,模块内部电容并联、模块之间电容串联且反向接入电路,能够可靠阻断故障电流并均衡电容电压,有利于系统快速重启。此外,提出了三阶段故障电流阻断机理分析方法,对CD-FBSM的故障电流阻断过程进行了研究。通过Matlab/Simulink的仿真结果表明,所提子模块电容电压均衡度较高,可快速阻断故障电流,且故障电流阻断过程与理论分析一致。     

基于三电平子模块的倍电平复合式MMC变换器

为了降低模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)的接线复杂度和通信失效故障概率,ABB提出了采用压接式IGBT串联的级联两电平CTL(cascaded two-level)变换器。由于桥臂子模块数由数百降为几十,CTL变换器输出电压电平数较少,需要在交流侧安装滤波器。为此,提出了基于三电平TL(three-level)子模块的倍电平复合式MMC变换器VLD-HMMC(voltage-level-doubler hybrid MMC)。每个桥臂有TL、半桥HB(halfbridge)子模块混合组成,且交流侧串联有一个全桥FB(full-bridge)子模块,输出电压电平数提高了1倍,从而省去了交流滤波器。各子模块具有脉冲自主触发功能且其功率开关由压接式器件串联组成,降低了桥臂子模块数,简化了控制器与主电路之间的接线复杂度,降低了通信故障的概率。单个功率开关短路故障不会影响系统正常运行,并且可避免了子模块电容的过度放电,保护电容器和功率开关,提高变换器的可靠性及故障穿越能力。所提拓扑结构实现了直流故障穿越运行,为HVDC换流站的设计提供了技术参考。     

具有故障穿越能力的T型桥臂交替多电平换流器及其调制策略

针对常规模块化多电平换流器(MMC)难以兼顾直流故障穿越能力与系统经济性的问题,提出一种T型桥臂交替多电平换流器(T-AAMC)及其调制策略,其直流桥臂采用半桥子模块并配合桥臂移相的新型调制策略,有效降低换流器建造成本与运行损耗,同时由全桥子模块串联组成的交流桥臂实现了直流故障穿越.首先,介绍了T-AAMC的拓扑结构,再基于各桥臂能量平衡条件,明确T-AAMC的桥臂移相调制策略,进而分析了T-AAMC的运行参数与硬件配置;同时,设计闭环控制系统,实现交直流桥臂能量的动态平衡;然后,将T-AAMC与现有的MMC进行了对比,相比于混合型MMC,T-AAMC在子模块数量、功率器件数量、电容取值上均实现了削减;最后,在MATLAB/Simulink中搭建仿真平台,验证了拓扑、调制与控制设计的有效性.所提T-AAMC在正常工况下能够实现宽范围、高效率的能量转换,同时具有直流故障穿越能力,可保障系统持续可靠运行.     

低压直流母线AC-DC电力电子变压器及其短路故障穿越方法

传统的基于半桥型模块化多电平电力电子变压器使用大量的开关器件和无源元件,限制了其功率密度和效率的提高。提出了一种组合全桥型模块化多电平换流器(MMC)和输入侧间接串联型输入串联输出并联DC-DC变换器的电力电子变压器拓扑,MMC输出等级较低的中压直流母线,可减少隔离级DC-DC模块数量,且可以实现故障时的自阻断功能。通过改变DC-DC变换器模块输入侧的串联连接方式,可有效避免中压直流端口短路时导致DC-DC变换器输入侧电容短路问题。该电力电子变压器拓扑同时具备中压和低压直流端口,且可以有效降低开关器件、无源元件、高频变压器以及DC-DC变换器模块数量,提高电力电子变压器的功率密度、效率和故障穿越能力。最后基于MATLAB/Simulink,搭建了该电力电子变压器的仿真模型,仿真结果验证了该拓扑的可行性。     

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。     

基于龙伯格观测器的MMC子模块故障检测方法

模块化多电平换流器(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。SM功率开关开路故障和短路故障严重影响了MMC的可靠性,给MMC稳定运行带了巨大挑战。因此,为了快速地检测出故障SM,文中提出一种基于龙伯格观测器的SM功率开关故障检测方法。首先,分析SM故障特性,根据SM电容电压变化的数学关系,建立龙伯格观测器模型;然后,通过龙伯格观测器计算SM电容电压估计值,比较电容电压估计值与测量值,实现SM功率开关故障检测;最后,在PSCAD/EMTDC中搭建MMC系统仿真平台,并在实验室搭建MMC实验平台进行验证。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,验证了该故障检测方法的可行性与有效性,但要对每个SM进行监测。     

一种基于载波移相调制的模块化多电平换流器冗余策略

现有载波移相调制(CPS-SPWM)的模块化多电平换流器(MMC)冗余策略在切除故障子模块的过程中冗余子模块电容电压恢复缓慢,针对此问题,本文提出了一种MMC子模块电容电压热冗余策略。该策略在非故障运行状态下,按照一定的时间间隔从所有子模块中按规律选择正常运行个数的子模块,其余子模块则处于冗余状态,以使得所有子模块电容电压都维持在参考值附近。当子模块发生故障时,切除故障子模块,剩余子模块仍按非故障运行状态运行,无需单独为冗余子模块充电。同时针对含有冗余模块的MMC系统,提出了分组预充电策略,在控制系统复杂度较小的条件下,通过调节每组充电的子模块个数,使得所有的子模块电容电压都能够充至额定值。在PSCAD/EMTDC中建立了双端MMC模型验证了所提出策略的有效性与实用性。