榮飛,孫克強(qiáng)
(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)
由于“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出,“十四五”期間以風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電技術(shù)仍將繼續(xù)快速發(fā)展,裝機(jī)容量和發(fā)電量占比仍將持續(xù)提高。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷攀升,多電平變換器成為風(fēng)機(jī)并網(wǎng)研究的熱點(diǎn)[1-4]。
文獻(xiàn)[5]提出了一種新型六邊形模塊化多電平變流器(H-MMC)并闡述了其工作原理。HMMC只使用6個(gè)橋臂直接連接兩個(gè)不同頻率和電壓幅值的三相交流系統(tǒng),大大降低了設(shè)備體積和生產(chǎn)成本。文獻(xiàn)[6]采用雙pr控制跟蹤兩種頻率的電流,實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)最大功率跟蹤控制,利用環(huán)流和中性點(diǎn)電壓實(shí)現(xiàn)無功平衡。多電平變換器全橋子模塊(FBSM)中IGBT頻繁開通和關(guān)斷,使得IGBT容易發(fā)生短路或開路故障。IGBT短路故障需要在10μs內(nèi)完成故障檢測(cè)并關(guān)斷IGBT,以避免直通故障,所以短路故障一般都由硬件電路完成檢測(cè)及實(shí)施保護(hù)。開路故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)立刻崩潰,但會(huì)使電流失真,甚至其他組件發(fā)生二次故障。因此故障診斷定位技術(shù)能夠提高系統(tǒng)可靠性[7-10]。
文獻(xiàn)[11]采用簡單硬件電路檢測(cè)子模塊運(yùn)行工況結(jié)合驅(qū)動(dòng)信號(hào)快速完成故障診斷。文獻(xiàn)[12]提出了一種利用棧式稀疏自動(dòng)編碼器作為學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò),利用深度學(xué)習(xí)方式分類、提取原始故障數(shù)據(jù)特征,輸入Softmax分類器得到故障分類結(jié)果。文獻(xiàn)[13]運(yùn)用小波包分解(WPD)與主成分分析(PCA)的方法,提取子模塊電容電壓為故障參量,利用改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障定位。文獻(xiàn)[14-15]高度依賴大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,計(jì)算成本很高,增加了控制器計(jì)算負(fù)擔(dān),在線實(shí)現(xiàn)困難。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于自適應(yīng)觀測(cè)器的故障檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[17-19]采用卡爾曼濾波器理論,將預(yù)測(cè)估計(jì)值與檢測(cè)值進(jìn)行比較,判斷IGBT是否發(fā)生開路故障,但是設(shè)計(jì)過程較為復(fù)雜且計(jì)算量比較大。
綜上所述,本文對(duì)全橋子模塊中IGBT開路故障特性進(jìn)行分析,提出基于NLM調(diào)制策略的IGBT開路故障診斷定位方法。根據(jù)NLM調(diào)制策略對(duì)子模塊電容電壓采樣值的排序,計(jì)算其中位數(shù)作為同一橋臂子模塊電容電壓預(yù)測(cè)值,與實(shí)測(cè)值對(duì)比,獲得診斷判據(jù),在診斷出FBSM發(fā)生故障后,改變FBSM工作狀態(tài),根據(jù)子模塊電容電壓值的變化進(jìn)行故障IGBT定位。
全橋子模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示,T1—T4為可關(guān)斷器件(IGBT),D1—D4為反并聯(lián)二極管,UC為子模塊電容電壓,ip為輸入電流。通過改變FBSM四個(gè)IGBT的開關(guān)信號(hào),可以控制FBSM輸出3種工作狀態(tài)。
圖1 全橋子模塊示意圖
1) 正投入:T1=1,T2=0,T3=0,T4=1(“1”為IGBT導(dǎo)通,“0”為IGBT斷開),輸出電壓為+UC。
2)負(fù)投入:T1=0,T2=1,T3=1,T4=0,輸出電壓為-UC。
3)切除:T1=1,T2=1,T3=0,T4=0或T1=0,T2=0,T3=1,T4=1,輸出電壓為0。
調(diào)制策略采用最近電平逼近調(diào)制策略(NLM)實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡控制,橋臂投入子模塊個(gè)數(shù)Num為:
式中,round為四舍五入取整函數(shù);Ucref為FBSM電容電壓參考值,V;uref為橋臂參考電壓,V。
Num為正時(shí)FBSM正投入,Num為負(fù)時(shí)FBSM負(fù)投入,跟據(jù)ip方向和子模塊電容電壓排序結(jié)果,選擇性投切子模塊,實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓的平衡[20]。
FBSM中IGBT開路故障分為以下3種:正投入狀態(tài)下發(fā)生故障;負(fù)投入狀態(tài)下發(fā)生故障;切除狀態(tài)下發(fā)生故障(以下簡稱“正投入故障”“負(fù)投入故障”“切除故障”)。IGBT開路故障運(yùn)行狀態(tài)見表1。
表1 IGBT開路故障運(yùn)行狀態(tài)
1)正投入故障:當(dāng)ip>0時(shí),F(xiàn)BSM正常運(yùn)行;當(dāng)ip<0時(shí),T1或T4發(fā)生開路故障,F(xiàn)BSM電容放電失敗,F(xiàn)BSM電容電壓值保持不變。
2)負(fù)投入故障:當(dāng)ip>0時(shí),T2或T3發(fā)生開路故障,F(xiàn)BSM電容放電失敗,F(xiàn)BSM電容電壓值保持不變;當(dāng)ip<0時(shí),F(xiàn)BSM正常運(yùn)行。
3)切除故障:當(dāng)ip>0時(shí),T2或T3發(fā)生開路故障,F(xiàn)BSM電容切除失敗,電容充電造成電壓值快速升高;當(dāng)ip<0時(shí),與T1或T4發(fā)生開路故障時(shí)同理。
由故障特性分析可知,IGBT開路故障對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,都發(fā)生在橋臂子模塊放電周期。故障FBSM電容電壓值UC會(huì)因放電失敗保持不變或切除狀態(tài)下充電使FBSM電容電壓實(shí)際值高于正常工作狀態(tài)下UC。因此可以通過監(jiān)測(cè)FBSM實(shí)際UC與期望電壓值的差異程度,當(dāng)差值超過所設(shè)定閾值β時(shí),判定該FBSM發(fā)生故障。
根據(jù)NLM調(diào)制策略的原理可知,采用NLM調(diào)制策略可以使同一橋臂各FBSM的UC保持高度一致。因此可以利用NLM調(diào)制策略對(duì)子模塊電容電壓值的排序,計(jì)算其中位數(shù)作為FBSM期望電壓值α,不需要占用過多的計(jì)算資源。
在單個(gè)NLM調(diào)制周期內(nèi),F(xiàn)BSM的UC最大變化量為ΔUC:
式中,C為FBSM電容容值,F(xiàn);ibmax為橋臂電流最大值,A;T為NLM調(diào)制周期,s。
根據(jù)NLM調(diào)制原理建立模型模擬計(jì)算過程,NLM模型計(jì)算流程如圖2所示。將N個(gè)FBSM電容電壓賦不同的初始值,模擬電容充電C次的過程對(duì)電容電壓從小到大排序,相對(duì)較低電壓的An個(gè)電容充電值設(shè)為Kn;模擬電容放電H次的過程對(duì)電容電壓從大到小排序,相對(duì)較高電壓的Bn個(gè)電容放電值設(shè)為Pn;計(jì)算每一次電容電壓排序后最大值與最小值的差值并記錄,圖中函數(shù)rand為在輸入的數(shù)值區(qū)間內(nèi)隨機(jī)生成一個(gè)整數(shù),UCi(i=1,2,…,N)由小到大或由大到小排序后重新按i=1,2,…,N的順序賦值完成加或減運(yùn)算,函數(shù)max為求取數(shù)值的輸入數(shù)值的最大值。
圖2 NLM模型計(jì)算流程
根據(jù)流程圖2進(jìn)行仿真,設(shè)置N=40、UCi(i=1,2,…,N)=100±20、ΔUC=5,得到仿真波形如圖3所示。N1為計(jì)算次數(shù),從圖中可以看出UCi(i=1,2,…,N) 最大值Ucmax和最小值Ucmin的差值Y為:
圖3 NLM調(diào)制最大差值波形
因此考慮噪聲、裕度等因素選取閾值β:
FTSM故障診斷流程如圖4所示,同一橋臂FBSM電容電壓值經(jīng)NLM調(diào)制排序后,計(jì)算出期望電壓值α,各電容電壓值依次與α做差,當(dāng)差值超過所設(shè)定閾值β時(shí),判定該子模塊發(fā)生開路故障。為了避免噪聲干擾造成誤判斷,當(dāng)故障信號(hào)產(chǎn)生并持續(xù)周期數(shù)大于z(z=5)時(shí),判斷該FBSM發(fā)生故障,進(jìn)入IGBT開路故障定位環(huán)節(jié)。
圖4 FTSM故障診斷流程
IGBT故障定位流程如圖5所示。圖中,F(xiàn)1、F2、F3、F4分別為T1、T2、T3、T4的故障診斷信號(hào),其值為1表示IGBT故障,其值為0表示IGBT正常。iarm為故障橋臂電流,UC(k-1)為診斷出故障FBSM所在控制周期的電容電壓值,UCk和UC(k+1)為改變子模塊為切除狀態(tài)后下一控制周期故障FBSM的電容電壓值。
圖5 IGBT故障定位流程
由故障特性分析可知,正投入故障只發(fā)生在iarm<0時(shí),負(fù)投入故障只發(fā)生在iarm>0時(shí)。因此可以通過FBSM發(fā)生故障時(shí)橋臂電流方向來縮小發(fā)生故障IGBT的范圍。同時(shí),根據(jù)IGBT故障造成FBSM的UC快速升高作為判別依據(jù),實(shí)現(xiàn)故障IGBT的定位。
全橋子模塊三種運(yùn)行模式,當(dāng)一種運(yùn)行模式發(fā)生開路故障時(shí),只使用另外兩種運(yùn)行模式,改變NLM排序方式實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。其中T1或T2發(fā)生故障時(shí),切除狀態(tài)觸發(fā)T3和T4;T3或T4發(fā)生故障時(shí),切除狀態(tài)觸發(fā)T1和T2。
根據(jù)上述分析,如圖6所示,UCF為故障FBSM電容電壓值,UCi(i=1,2,…,N-1)按照升序排列。以發(fā)生負(fù)投入故障為例(正投入故障同理):在正投入周期內(nèi),按照正常NLM調(diào)制策略進(jìn)行調(diào)制;在負(fù)投入周期和iarm>0時(shí),UCF不參與排序,投入子模塊電容電壓值最高的k個(gè)FBSM,故障FBSM一直保持切除狀態(tài);iarm<0時(shí),UCF排序在最后,投入子模塊電容電壓值最低的k個(gè)FBSM,只在子模塊需要全部投入時(shí),投入FBSM進(jìn)行短暫的充電。
圖6 故障容錯(cuò)控制的NLM排序
在Matlab/Simulink軟件中搭建了基于H-MMC的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型驗(yàn)證IGBT開路故障診斷策略,設(shè)置仿真時(shí)間1s時(shí),橋臂1中第一個(gè)FBSM開關(guān)管T1發(fā)生開路故障。仿真參數(shù)見表2。
表2 仿真參數(shù)
橋臂電流波形如圖7所示,仿真運(yùn)行在1~1.034 s時(shí),橋臂電流為ip>0;當(dāng)仿真運(yùn)行到1.034 s時(shí),ip<0并運(yùn)行在正投入周期。
圖7 橋臂電流波形
子模塊電容電壓波形如圖8所示,仿真運(yùn)行在1~1.034 s時(shí),由于ip>0,開關(guān)管T1發(fā)生開路故障,但是故障特性并沒有顯現(xiàn),各FBSM的電容電壓值保持高度一致。當(dāng)仿真運(yùn)行到1.034 s時(shí),ip<0并運(yùn)行在正投入周期,第一個(gè)FBSM電容電壓UC1因放電失敗保持不變,故障特性開始顯現(xiàn),驗(yàn)證了前文IGBT開路故障特性分析。仿真運(yùn)行到1.039 s時(shí),電容電壓UC1與橋臂子模塊電容電壓中位數(shù)差值超過設(shè)定閾值,完成對(duì)故障子模塊的診斷。故障特性顯現(xiàn)至診斷完成,時(shí)間小于4 ms,相較于文獻(xiàn)[17]故障診斷速度較快。同時(shí)進(jìn)入故障定位模式,將IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)置為T1=1、T3=0、T2=0、T4=0后,UC1再次升高,判別T1為故障開關(guān)管,完成故障定位。
圖8 子模塊電容電壓波形
未采用容錯(cuò)控制電容電壓仿真曲線如圖9所示,發(fā)生開路故障后未采用容錯(cuò)控制,故障子模塊的電壓快速上升,極易造成其他組件二次故障。
圖9 未采用容錯(cuò)控制電容電壓仿真曲線
采用容錯(cuò)控制電容電壓仿真曲線如圖10所示,當(dāng)故障診斷和定位后,采取容錯(cuò)控制,故障子模塊正負(fù)投入運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)閱我贿\(yùn)行方式,電容電壓仍然能夠保持平衡。子模塊電壓波動(dòng)范圍增大,波動(dòng)率維持在5%以內(nèi)。故障子模塊電容電壓在正常投入時(shí)可以快速跟蹤上橋臂各子模塊電容電壓,當(dāng)強(qiáng)制切除時(shí),電容電壓保持不變。
圖10 采用容錯(cuò)控制電容電壓仿真曲線
本文針對(duì)全橋子模塊IGBT開路故障特性進(jìn)行分析,提出根據(jù)子模塊電容電壓值中位數(shù)與電容電壓實(shí)測(cè)值的差值作為診斷判據(jù)的故障診斷方法,該方法不需要占用過多的計(jì)算資源,同時(shí)能夠快速地實(shí)現(xiàn)故障診斷。提出故障子模塊診斷后,改變FBSM工作狀態(tài),根據(jù)子模塊電容電壓值的變化進(jìn)行故障IGBT定位的方法,能夠快速定位子模塊故障IGBT。給出了將故障子模塊正負(fù)投入運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)閱我贿\(yùn)行方式的容錯(cuò)控制策略。仿真驗(yàn)證了對(duì)IGBT開路故障特性的分析和所提出故障診斷與定位方法和容錯(cuò)控制策略的有效性。