基于重构卸荷电阻的模块化多电平变流器故障定位方法与流程

1.本发明涉及多电平电力电子变流技术领域，具体涉及一种基于重构卸荷电阻的模块化多电平变流器故障定位方法。


背景技术：

2.相对于传统的两电平和三电平换流器，模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)具有效率高、输出交流电压谐波小、正弦度高、高度模块化等特点，因此模块化多电平换流器在高电压、大功率的场合应用越来越广泛，在柔性直流输电、电机驱动等领域也具有广阔的前景。
3.由于mmc的故障来源主要包括：功率半导体器件故障、电容故障、布线及终端故障等。因此运行可靠是mmc技术研究的关键之一，mmc通常包含大量的子模块，其中，每个子模块均包含多个功率半导体器件，而每个功率半导体器件可以被视作一个潜在故障点。功率半导体器件故障通常可以分为短路故障和开路故障。在大多数情况下，短路故障会引起具有强大破坏力的过电流，而mmc门极驱动器通常与短路保护电路集成在一起，当检测到短路故障时立即关闭开关。开路故障破坏力不及短路故障破坏力大，也不易被察觉，但开路故障可能导致其它设备的二次损坏和系统故障。因此，当mmc发生开路故障时，必须找到故障的子模块并将它从系统中旁路掉并及时更换。
4.近些年来，增对mmc子模块开关开路故障检测的文献，都是在接近额定功率运行的情况下进行子模块开路故障检测，并且基于电容电压在故障下不断升高这一故障现象来检测故障子模块。然而，当mmc工作在轻载情况下，故障子模块和正常子模块的电容电压基本保持一致。因此，传统文献中的故障定位方法不适用于工作在轻载工况下的mmc。


技术实现要素：

5.针对上述技术背景提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于重构卸荷电阻的模块化多电平变流器故障定位方法。
6.该方法将原本子模块直流侧的卸荷电阻一分为二，重构卸荷电阻的中点经过一对反并联的光耦和一个限流电阻连接至子模块交流侧的输出端口。该方法通过对两个光耦数字量的输出和子模块开关函数的连续采样，并且采用计数器进行计数以消除开关死区和噪声的影响，从而能够有效地对模块化多电平变流器的子模块开路故障进行检测，解决了现有故障定位方法不适用于工作于轻载模式下的mmc的技术问题
7.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
8.基于重构卸荷电阻的模块化多电平变流器故障定位方法，包括如下电路结构：将子模块直流侧并联的卸荷电阻改进为两个串联的卸荷电阻，其电阻阻值为原本的卸荷电阻的一半；重构卸荷电阻的中点经过一对反并联的光耦和一个限流电阻连接至子模块交流侧的输出端口，两个光耦的数字量输出连接至子模块控制器。
9.基于重构卸荷电阻的模块化多电平变流器故障定位方法，其中上管故障检测包括
如下步骤：对光耦p1的数字量输出o1进行采样，若子模块开关函数s＝1且o1＝0，则用于上管开路故障检测的计数器t
t1
自加一；若子模块产生开通或者关断的动作，则对t
t1
进行清零；若t
t1
超过计数器阈值，则判定子模块上管发生开路故障。
10.基于重构卸荷电阻的模块化多电平变流器故障定位方法，其中下管故障检测包括如下步骤：对光耦p2的数字量输出o2进行采样，若子模块开关函数s＝0且o2＝0，则用于上管开路故障检测的计数器t
t2
自加一；若子模块产生开通或者关断的动作，则对t
t2
进行清零；若t
t2
超过计数器阈值，则判定子模块上管发生开路故障。
11.作为本发明的一种改进，在上述故障检测中计数器阈值的选取方法，具体如下计数器阈值为(t
dead
t
margin
)/t
clk
，其中t
dead
为上下管开关的死区时间，t
margin
为时间裕度，t
clk
为子模块控制器的时钟周期。
12.本发明的有益效果：
13.1、该故障定位方法在mmc工作在轻载还是重载的情况下具有一样的效果，都能实现子模块功率器件的开路故障检测，适用范围更广；国内外很多文献提出的故障定位方法利用其故障子模块的电容电压无法平衡的特点进行定位。由于mmc的故障子模块和正常子模块电容电压在轻载情况下保持近乎一致，因此这些故障定位方法的适用场合有着很大的局限。而本文提出的方法以监测数字量输出为依据进行故障定位，适用于mmc工作在任何工况下，较前人提出的方案有很大的灵活性和实用价值。
14.2、本发明的故障定位方法具有极其快速的检测速度，可以在5～10个微秒检测出子模块开路故障。
15.3、本发明的故障定位方法硬件电路简单，仅需要额外的两个光耦和一个限流电阻。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
17.图1是三相mmc拓扑结构图；
18.图2为本发明所提出的子模块拓扑结构图；
19.图3是本发明所提出故障检测方法示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
21.基于重构卸荷电阻的模块化多电平变流器故障定位方法，本发明针对子模块发生开路故障的问题，提出了适用于mmc的故障定位方法，其中，三相mmc拓扑结构由六个桥臂组成，如图1所示，每个桥臂上包含了n个相同的子模块(submodule，sm)以及一个桥臂电感l
s
。电容电压平衡方法为：根据桥臂参考电压与载波比较得到一个桥臂上需要投入的子模块个
数为j，对所有电容电压排序，当桥臂电流大于零，投入电容电压最低的j个子模块，当桥臂电流小于零，投入电容电压最高的j个子模块。
22.提出的包含重构卸荷电阻的子模块结构如图2所示，每个子模块由两个功率开关t1、t2，两个二极管d1、d2以及一个电容组成，当子模块开关函数s＝1时，t1导通t2关断；当子模块开关函数s＝1时，t1关断t2导通。电容的直流侧并联了重构的卸荷电阻r
b1
和r
b2
，r
b1
和r
b2
的中点经过两个反并联的光耦p1和p2以及限流电阻r
m
连接至交流侧的输出中点。光耦p1和p2的数字量输出o1和o2连接至子模块控制器的输入端口。
23.如图3所示，一种基于重构卸荷电阻的模块化多电平变流器故障定位方法，其中上管故障定位方法包括：对光耦p2的数字量输出o2进行采样，若子模块开关函数s＝0且o2＝0，则用于上管开路故障检测的计数器t
t2
自加一；若子模块产生开通或者关断的动作，则对t
t2
进行清零；若t
t2
超过计数器阈值t
th
，则判定子模块上管发生开路故障。其中下管故障定位方法包括：对光耦p2的数字量输出o2进行采样，若子模块开关函数s＝0且o2＝0，则用于上管开路故障检测的计数器t
t2
自加一；若子模块产生开通或者关断的动作，则对t
t2
进行清零；若t
t2
超过计数器阈值t
th
，则判定子模块下管发生开路故障。计数器阈值t
th
为(t
dead
t
margin
)/t
clk
，其中t
dead
为上下管开关的死区时间，t
margin
为时间裕度，t
clk
为子模块控制器的时钟周期。
24.本发明适用于mmc工作在各种工况下，较传统的故障定位方法，灵活性更大，适用场合更广。
25.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。