[發明專利]基于狀態觀測器的模塊化多電平換流器IGBT開路故障的檢測方法

有效

• 申請號: 201510084814.2
• 申請日: 2015-02-16
• 公開（公告）號: CN104597370B
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 徐殿國;李彬彬;張一博;楊榮峰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01R31/02
• 分類號: G01R31/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及電力電子技術、柔性直流輸電故障檢測領域，具體涉及一種基于狀態觀測器的模塊化多電平換流器中子模塊IGBT開路故障的檢測方法。

背景技術

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)由于具有非常高的轉換效率、極低的輸出電壓諧波含量、很小的濾波器體積、模塊化特點、安裝維護容易等諸多優點獲得了人們的廣泛關注，使其十分適用于柔性直流輸電等高壓大功率電能變換的場合。

模塊化多電平換流器的拓撲結構是由若干個相同的子模塊單元堆疊而成，子模塊中的功率元件通常采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)。由于實際應用中模塊化多電平換流器中往往采用上百個子模塊，因而IGBT成為了其最可能發生的故障的元件。IGBT的故障可歸類為兩類：短路故障與開路故障。雖然IGBT短路故障的危害較大，目前IGBT的集成驅動器中都已配備了完善的短路故障的檢測與保護功能，能夠在故障發生的幾個微秒內將該IGBT快速關閉。然而，IGBT的開路故障則往往能夠保持長時間不被發現。對于模塊化多電平換流器，倘若一個子模塊中的IGBT發生了開路故障，將會導致整個換流器的輸出電壓電流波形發生畸變，甚至會造成過壓、過流等其他更加嚴重的故障。

因此，當模塊化多電平換流器中某個子模塊發生IGBT開路故障時，必須能夠快速診斷出該故障的發生，同時能準確定位出發生故障的子模塊并將其旁路，保證其他正常模塊的穩定運行。現有技術中沒有給出這樣的技術方案。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于狀態觀測器的模塊化多電平換流器IGBT開路故障的檢測方法(一種模塊化多電平換流器中IGBT開路故障的檢測方法)，以針對MMC中可能發生的IGBT開路故障，能夠快速診斷出該故障的發生，同時能準確定位出發生故障的位置。

本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：

一種模塊化多電平換流器中IGBT開路故障的檢測方法，該MMC換流器每一相包含上下兩個橋臂，每個橋臂由一個電感器和若干個結構相同的子模塊串聯而成，每個子模塊包括一個半橋功率單元和一個電容器，每個半橋功率單元由兩個IGBT構成S₁，S₂；所述的IGBT開路故障檢測方法如下：

(1)、分別檢測每相上、下橋臂的橋臂電流i_u與i_l，并計算出輸出電流i_o和橋臂環

流i_c：

i_o＝i_u-i_l

(2)、依據輸出電流與橋臂環流，構建模塊化多電平換流器的動態電路方程：

式中，U_dc表示直流側電壓，u_l為下橋臂電壓，u_u為上橋臂電壓，u_o為輸出電壓，R表示橋臂等效電阻，L表示橋臂電感量；

(3)、將動態電路方程整理成矩陣形式，得到：

其中，

(4)、依據步驟(3)的動態電路方程以及步驟(1)中得到的輸出電流i_o與橋臂環流i_c，分別構建輸出電流與橋臂環流的狀態觀測器，得到輸出電流與橋臂環流的估計值：

其中，“^”意為該物理量的估計值，K為放大倍數矩陣，其值為：

(5)當橋臂環流的估計值與檢測值誤差超出閾值I_th并且持續ΔT₁的時間，則可判斷故障發生；

(6)檢測出故障發生后，分別比較橋臂電流與輸出電流的估計值與實際值之間的大小關系，即可判定出故障發生在哪個橋臂，以及故障IGBT的類型(S₁或S₂)；

(7)監測各子模塊電容器的電壓，若某個子模塊電容器高于電壓閾值U_th，并且持續ΔT₂的時間，則可最終定位該子模塊中相應類型的IGBT發生了故障；

檢測到IGBT的開路故障后，將該故障子模塊旁路，保證其余子模塊的工作不受影響。

步驟(4)中狀態觀測器的作用是，可計算得到輸出電流與橋臂環流的估計值，以用來與實際電流值比較。