[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

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S₁，S₂；所述的IGBT开路故障检测方法如下：

(1)、分别检测每相上、下桥臂的桥臂电流i_u与i_l，并计算出输出电流i_o和桥臂环

流i_c：

i_o＝i_u-i_l

(2)、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，U_dc表示直流侧电压，u_l为下桥臂电压，u_u为上桥臂电压，u_o为输出电压，R表示桥臂等效电阻，L表示桥臂电感量；

(3)、将动态电路方程整理成矩阵形式，得到：

其中，

(4)、依据步骤(3)的动态电路方程以及步骤(1)中得到的输出电流i_o与桥臂环流i_c，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：

(5)当桥臂环流的估计值与检测值误差超出阈值I_th并且持续ΔT₁的时间，则可判断故障发生；

(6)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，以及故障IGBT的类型(S₁或S₂)；

(7)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U_th，并且持续ΔT₂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；

检测到IGBT的开路故障后，将该故障子模块旁路，保证其余子模块的工作不受影响。

步骤(4)中状态观测器的作用是，可计算得到输出电流与桥臂环流的估计值，以用来与实际电流值比较。