莫躍，劉明，王健，林康泉，宋海彬，關宇洋

(1.中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400；2.貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

電力系統(tǒng)電力電子化的趨勢有力地推動著電力系統(tǒng)的技術升級，由此帶來的系統(tǒng)裝備復雜性也對故障診斷技術提出了更高的要求。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)具有高度模塊化的結(jié)構(gòu)、較低的電壓諧波畸變率以及較低的開關損耗，能夠方便地應用于各種場合的交/直流電能轉(zhuǎn)換以及柔性互聯(lián)，因此吸引眾多的專家學者對其進行研究[1-7]，得到越來越多的應用[8]。

近年來，MMC的故障診斷問題受到重視，人們在此領域取得了一些研究成果[9-11]。MMC的基本組成部件為功率模塊，功率模塊的故障檢測與隔離技術對保障MMC及所在系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關重要。針對MMC功率模塊的故障診斷問題，近年來開展了相關研究[12-16]：文獻[12-13]采用滑模觀測器對功率模塊中IGBT開路故障的診斷方法進行了研究；文獻[14]采用無監(jiān)督學習-最小二乘互信息譜聚類等方法研究功率模塊的開路故障；文獻[15]通過對排序電容電壓平衡算法執(zhí)行過程的分析，提出一種功率模塊單管開路故障的診斷方法?？傮w來看，研究主要集中在功率元件IGBT的開路損壞的結(jié)構(gòu)性故障方面，缺少對器件性能下降(比如電容器容量減小、電容器漏電阻下降等參數(shù)型故障)的研究，而器件性能下降的及早發(fā)現(xiàn)，對防止事故發(fā)生具有重要意義。

早期的故障診斷方法采用硬件冗余的思路[17-18]，即對可能會發(fā)生故障的被監(jiān)測部件配置一個完全相同的硬件部件，稱冗余部件。冗余部件與被監(jiān)測部件接收同樣的激勵輸入，而它們的輸出之差被稱為殘差。如果被監(jiān)測部件無故障，則殘差為0，否則殘差不為0。為了避免設置硬件冗余部件帶來的投資及維護成本的增加，人們用軟件模型替代硬件冗余部件，稱為軟件冗余方法，為當代故障診斷技術的主流方法。為了降低模型初始狀態(tài)及模型誤差對故障診斷的影響，用對象模型構(gòu)造的觀測器來代替模型，形成了軟件冗余方法里最重要的方法——基于觀測器的故障診斷方法。

故障診斷主要包括故障檢測、故障隔離和故障辨識3個任務：故障檢測用于發(fā)現(xiàn)故障，故障隔離用于找到故障的位置或原因，故障辨識用于評估故障的程度。故障診斷方法主要分為基于模型的方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法[19]。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法計算量大，不適合MMC這樣的快速動態(tài)系統(tǒng)的實時在線故障診斷?；谀Ｐ偷姆椒軌蛏顚哟蔚胤治龉收习l(fā)生的機理，一直受到人們的重視。在基于模型的方法中，基于自適應觀測器的故障隔離技術具有清晰的故障隔離邏輯[20]，在故障隔離的同時能夠得到故障參數(shù)值，實現(xiàn)故障辨識，具有良好的應用前景。針對MMC功率模塊的參數(shù)型故障隔離問題，本文采用自適應觀測器方法進行研究；針對功率模塊的結(jié)構(gòu)性故障，提出建立故障模式觀測器進行故障隔離的方法。

為了驗證本文方法的有效性，采用硬件電路功率模塊進行實驗研究。

1 MMC及功率模塊簡介

MMC分三相，每相分上、下橋臂，共有6個橋臂，每個橋臂由若干個功率模塊首尾相連構(gòu)成[21]。MMC按照一定的電壓調(diào)制算法分別向橋臂上每個功率模塊的上IGBT電子開關T1和下IGBT電子開關T2周期性地發(fā)送調(diào)制控制脈沖電壓信號，控制每個功率模塊在不同時刻插入橋臂或者被旁路；同時，控制每個功率模塊的電容充放電，使每個橋臂的在線功率模塊的電容電壓的串聯(lián)值呈現(xiàn)周期性變化，從而實現(xiàn)交/直流電壓的轉(zhuǎn)換。功率模塊的主電路如圖1所示。功率模塊由電容器C、T1、T2、續(xù)流二極管D1、續(xù)流二極管D2組成，工作于以下狀態(tài)：①2個IGBT均閉鎖，稱為閉鎖狀態(tài)，一般出現(xiàn)在啟動和故障時；②T1導通，T2閉鎖，稱為投入狀態(tài)；③T1閉鎖，T2導通，稱為切出狀態(tài)或旁路狀態(tài)。通過控制功率模塊的投入和切出以達到輸出多電平階梯波擬合正弦交流波形。

圖1 功率模塊主電路圖

2 MMC換流器功率模塊故障診斷

2.1 功率模塊故障

功率模塊故障可劃分為參數(shù)型故障和結(jié)構(gòu)性故障2種類型：

a)參數(shù)型故障——元件未完全損壞，但元件電氣性能退化。其特征為元件電氣參數(shù)值偏離其標稱值，且偏離的程度已經(jīng)影響模塊正常運行。

b)結(jié)構(gòu)性故障——元件的徹底損壞導致模塊電路結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，例如IGBT的開路故障、IGBT的短路故障。IGBT不能導通的開路故障和IGBT不能關斷的短路故障也有可能由電壓調(diào)制脈沖控制系統(tǒng)的故障引起，在本文中都將其歸結(jié)為開路故障和短路故障來診斷。

根據(jù)工程經(jīng)驗，本文主要考慮5種故障，見表1。

表1 功率模塊故障

2.2 功率模塊狀態(tài)觀測器

觀測器是本文故障診斷方法的基礎。假定線性系統(tǒng)描述為：

(1)

則龍伯格狀態(tài)觀測器為：

(2)

在功率模塊的系統(tǒng)中，電容器為唯一的儲能原件，選擇電容器電壓uc為系統(tǒng)的狀態(tài)變量x。按照電路的原理有：

(3)

式中：ic為電容器充放電電流；c為功率模塊電容器的電容值；yc為功率模塊電容器電壓測量值。

根據(jù)功率模塊的工作原理，在功率模塊投入狀態(tài)下有：

ic=i+(1-PT2)+i-PT1.

(4)

(5)

(6)

式(4)—(6)中：PT1為電壓調(diào)制算法對T1的控制作用，0表示關斷，1表示接通；PT2為電壓調(diào)制算法對T2的控制作用，0表示關斷，1表示接通；i+為橋臂正向電流，i-為橋臂負向電流；i為橋臂電流?？梢钥闯鯬T1、PT2將橋臂電流i調(diào)制為電容器充放電電流ic。

由式(3)、(4)得到

(7)

相應的觀測器為：

(8)

式(8)中觀測器增益kc的選擇需要保證殘差的收斂性(在無故障情況下及實際對象模型與其無故障標稱模型吻合情況下)，以及殘差對故障的敏感性(在故障情況下和實際對象模型與其無故障標稱模型不一致情況下)。

2.3 功率模塊自適應觀測器

如果將系統(tǒng)的參數(shù)看成沒有動態(tài)變化的廣義狀態(tài)變量[22]，也納入觀測器的狀態(tài)估計之中，則構(gòu)成了能夠同時估計狀態(tài)和參數(shù)的觀測器，這樣的觀測器稱自適應觀測器。自適應觀測器在同時估計狀態(tài)和參數(shù)時，由于狀態(tài)、參數(shù)估計過程的相互耦合糾纏，其狀態(tài)-參數(shù)聯(lián)合估計比普通狀態(tài)觀測器單純估計狀態(tài)困難，估計的參數(shù)越多，則難度越大。為了保證自適應觀測器的可用性，在基于自適應觀測器的故障隔離方法中，每個自適應觀測器只辨識一個參數(shù)，其前提是假定系統(tǒng)中只有一個參數(shù)發(fā)生了變化，而其余參數(shù)均保持為標稱值，且結(jié)構(gòu)性故障與參數(shù)故障不會同時發(fā)生，也就是說需要假設功率模塊中同一時刻只存在一種故障。

記某自適應觀測器辨識的參數(shù)為θ，將θ看成廣義狀態(tài)變量，則根據(jù)觀測器的原理可以得到對θ進行估計的觀測方程為

(9)

(10)

(11)

估計得到的參數(shù)值將反饋回狀態(tài)估計方程，取代其中的參數(shù)，因此得到自適應觀測器的表達式為：

(12)

觀測器增益kc、kθ的設置目標是確保狀態(tài)估計誤差ec和參數(shù)估計誤差eθ漸進收斂，即

(13)

可以采用極點配置、李雅普諾夫穩(wěn)定性理論等方法設計觀測器增益。

2.4 功率模塊的故障檢測

在本文研究的功率模塊故障檢測與隔離方法中，橋臂電流i和器件T1、T2的調(diào)制脈沖被看作模塊系統(tǒng)的輸入激勵信號，而功率模塊電容電壓作為功率模塊系統(tǒng)的輸出信號。

為了消除標稱系統(tǒng)(參數(shù)為名義值時的系統(tǒng))的模型誤差、漂移以及初值對標稱系統(tǒng)的狀態(tài)影響，標稱系統(tǒng)由標稱模型構(gòu)成的觀測器來代替，稱為故障檢測觀測器：

(14)

在實際系統(tǒng)不存在故障的情況下，實際系統(tǒng)與標稱模型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)相同，因此在故障檢測觀測器增益kc合理設置的情況下，標稱系統(tǒng)構(gòu)成的故障檢測觀測器的狀態(tài)和輸出變量將收斂到實際系統(tǒng)的對應變量，故障檢測殘差ec將收斂到0附近并維持在殘差閾值區(qū)間之內(nèi)，故障檢測系統(tǒng)不發(fā)出故障報警。如果實際系統(tǒng)發(fā)生了故障，則實際系統(tǒng)的參數(shù)將發(fā)生變化而偏離標稱系統(tǒng)的參數(shù)，故障檢測觀測器的殘差將不等于0并將跑到殘差閾值區(qū)間之外。因此，一旦故障檢測觀測器殘差曲線穿出殘差閾值區(qū)間，就發(fā)出故障報警。本文研究所采用的閾值為最大值的±10%，應用中根據(jù)實際工程需要修訂。

2.5 功率模塊故障隔離與辨識

本文采用自適應觀測器、故障模式觀測器對MMC的功率模塊進行故障隔離。

2.5.1 功率模塊結(jié)構(gòu)性故障故障模式觀測器

根據(jù)功率模塊的原理，可以得到不同故障模式下的功率模塊模型，進而設計出相應的故障模式觀測器。

a)T1不能觸發(fā)導通的故障模式觀測器：

(15)

b)T1不能關斷的故障模式觀測器：

(16)

式中ic,cut為電容器短路放電電流。

c)T2 不能觸發(fā)導通的故障模式觀測器：

(17)

d)T2 不能關斷的故障模式觀測器：

(18)

2.5.2 功率模塊參數(shù)型故障自適應觀測器

以電容器電容量衰減為例，其他參數(shù)偏移引起的故障與之類似。令

(19)

則自適應觀測器為：

(20)

(21)

定義李雅普諾夫函數(shù)

(22)

(23)

(24)

(25)

26)

3 實驗研究

3.1 實驗環(huán)境設計

采用硬件電路對本文的方法進行實驗研究。

采用IGBT、電容器、續(xù)流二極管、光電隔離器、功率放大器、受控恒流源、正負直流穩(wěn)壓電源等器件搭建功率模塊實物電路，如圖2所示。

圖2 功率模塊實物圖

硬件功率模塊元器件及相關參數(shù):①IGBT型號FQP34N20，額定電流31 A，額定電壓200 V；②電容器型號EPCOS，電容值為1 mF和2 mF)；③續(xù)流二極管型號SB5200，額定電流15 A，額定電流200 V；④光電隔離器型號PC817C，正向電流50 mA；⑤受控恒流源型號OPA549，電壓范圍 ±4 V～±30 V，恒流±8 A；⑥負載電阻10 Ω；⑦正負直流穩(wěn)壓電源±15 V。

在“MATLAB+RTLAB”故障診斷系統(tǒng)中，針對每一種實驗的結(jié)構(gòu)性故障，設置一個對應的故障模式觀測器。本實驗中，共假定2種結(jié)構(gòu)性故障：①IGBT不能導通，由封鎖T1的觸發(fā)信號PT1實現(xiàn)；②IGBT不能導通，由封鎖T2的觸發(fā)信號PT2實現(xiàn)。針對每一種實驗的參數(shù)型故障，設置一個自適應觀測器。作為例子，本實驗中以電容器電容量的減小作為實驗的參數(shù)型故障，由切掉并聯(lián)電容器實現(xiàn)。

硬件功率模塊電路的激勵信號由“MATLAB+RTLAB”構(gòu)建的MMC主系統(tǒng)仿真過程給出。其中，T1的觸發(fā)脈沖PT1和T2的觸發(fā)脈沖PT2采自MMC主系統(tǒng)仿真系統(tǒng)中與硬件功率模塊孿生的功率模塊，由RTLAB主機發(fā)出經(jīng)開關量輸出口輸出，經(jīng)光電隔離器隔離后加到IGBT的柵極與源極之間。橋臂電流i的信號采自MMC主系統(tǒng)仿真系統(tǒng)中的橋臂電流，由RTLAB主機發(fā)出，經(jīng)功率放大器放大，由受控恒流源變?yōu)榕cMMC主系統(tǒng)仿真過程一致的實際電流i加到功率模塊電路。為了保證橋臂電流i的雙極性，功率放大器和受控恒流源均采用雙極性，并配置了正負直流穩(wěn)壓電源。

硬件功率模塊的電容電壓uc由RTLAB主機的模擬量輸入口實時采集，硬件功率模塊的實際電流i由取樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)RTLAB主機的模擬量輸入口實時采集。模擬量輸入口采集的電容器電壓信號uc和模塊實際電流(橋臂電流)信號i供“MATLAB+RTLAB”構(gòu)建的軟件冗余故障診斷系統(tǒng)使用。

3.2 實驗結(jié)果

a)T1不能觸發(fā)導通故障。采用式(14)的觀測器作為故障檢測觀測器，采用式(15)的故障模式觀測器進行故障隔離，假定時間t=23.02 s以后T1不能被觸發(fā)導通。

在t=23.02 s以前，故障檢測觀測器未檢測到故障，故障模式觀測器工作于式(14)無故障正常模式，因此不斷在線跟蹤估計實際功率模塊的電容電壓值。在t=23.02 s以后，故障檢測觀測器檢測到故障，從而將故障模式觀測器切換為式(15)的故障模式。

實驗結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，在t=23.02 s之前，殘差曲線維持在0附近，表示功率模塊無故障。而在t=23.02 s之后，殘差偏移0，然后重新收斂到零附近，說明功率模塊的故障為該故障模式觀測器代表的故障，即T1不能觸發(fā)導通。

圖3 T1不能觸發(fā)故障模式下的結(jié)果

圖4為該故障情況下，T2不能觸發(fā)導通故障模式的觀測器式(17)的結(jié)果，可以看出，殘差曲線在發(fā)生故障后不能重新收斂回0，因此功率模塊的故障不是T2不能觸發(fā)導通。

圖4 T2不能觸發(fā)故障模式的結(jié)果

b)電容器電容量衰減故障。采用式(14)的觀測器作為故障檢測觀測器，采用式(20)的自適應觀測器進行故障隔離與辨識，假定t=9.15 s以后電容器電容量由原來的2 mF衰減到1 mF。

在t=9.15 s以前，故障檢測觀測器未檢測到故障，自適應觀測器工作于式(14)觀測器模式，不進行參數(shù)在線辨識，觀測器的功率模塊電容器電容值取其標稱值2 mF，觀測器不斷在線跟蹤估計實際功率模塊的電容電壓值。在t=9.15 s以后，故障檢測觀測器檢測到故障，從而將自適應觀測器切換為式(20)在線估計電容器電容參數(shù)值方式。

實驗結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯趖=9.15 s之前，殘差曲線維持在0附近，表示功率模塊無故障。在t=9.15 s之后，殘差離開0，然后重新逐漸收斂到0附近，說明功率模塊的故障為該自適應觀測器代表的故障，即電容器電容量的變化。

圖5 電容器電容量衰減故障的實驗結(jié)果

自適應觀測器殘差收斂到0附近后，其估計的電容器電容值為1 mF。通過比較估計得到的電容器電容值與其標稱值，可知故障的電容值變化幅度為Δc=2 mF-1 mF=1 mF,從而實現(xiàn)故障辨識。

4 結(jié)束語

針對MMC換流器功率模塊故障診斷提出了基于觀測器、自適應觀測器的故障檢測與隔離方法。采用標稱觀測器實現(xiàn)功率模塊的故障檢測，采用自適應觀測器對參數(shù)型故障進行故障隔離，采用故障模式觀測器對結(jié)構(gòu)性故障進行故障隔離。采用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論設計電容器參數(shù)型故障自適應觀測器，保證觀測器狀態(tài)-參數(shù)聯(lián)合估計的收斂性。采用硬件電路系統(tǒng)對本文方法進行實驗研究，實驗結(jié)果驗證了方法的良好性能。本研究成果被用于中國南方電網(wǎng)有限責任公司“魯西站柔直功率模塊故障診斷技術研究”項目中開發(fā)超高壓輸電換流站換流閥故障診斷模塊。IGBT的結(jié)構(gòu)性故障除了因為元件的徹底損壞引起外，也有可能由電壓調(diào)制脈沖控制系統(tǒng)的故障引起，IGBT結(jié)構(gòu)性故障的進一步細化隔離是今后探討的課題。