[发明专利]一种基于IGBT子模块的MMC回路结构及开路故障诊断方法

说明书

本发明公开了一种基于IGBT子模块的MMC回路结构及开路故障诊断方法，所述MMC回路结构由若干组相桥臂组成；所述相桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂经由电感串联连接；所述相桥臂包括若干级联在一起的IGBT子模块；所述IGBT子模块为半桥拓扑结构，包括IGBT开关管Q₁、Q₂；所述IGBT开关管Q₁与二极管D₁反向并联；IGBT开关管Q₂与二极管D₂反向并联；所述半桥拓扑结构与电容并联构成IGBT子模块；所述诊断方法包括故障检测和故障定位两部分：故障检测通过子模块驱动信号下的开关状态信号S_i与其子模块电容电流信号进行与逻辑判断，满足条件则子模块IGBT发生开路故障；故障定位阶段通过子模块的开关状态信号S_i中的i值为1或0确定发生故障的IGBT子模块。

技术领域

本发明涉及变流器故障诊断，主要涉及一种基于IGBT子模块的MMC回路结构及开路故障诊断方法。

背景技术

MMC具有低开关频率、低开关损耗、高输出电压、高输出功率等级、高效率及四象限运行等优点。MMC因其卓越的优点受到了广泛的研究并且成功应用于高压直流输电、电机驱动等领域。由于MMC随着输出电平数的增加其桥臂子模块串联数量呈正比例线性增加，进而MMC桥臂中使用的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)数量不断增加。当IGBT发生开路故障时，MMC故障子模块的电容电压不断升高并且输出电压和输出电流发生畸变，在缺乏故障诊断方法的前提下，最终会导致MMC的停机甚至损坏。由于功率半导体器件的故障占功率变换器总故障的21％，MMC的可靠性是其面对的最主要挑战。因此，快速准确的故障诊断和定位技术研究对MMC的安全运行有着十分重要的意义。

目前，对于IGBT开路故障诊断和定位的研究方法可以分为以下四类：1)基于硬件电路；2)基于信号处理；3)基于模型；4)基于人工智能算法。以上IGBT开路故障诊断方法对MMC数学模型依赖程度较高，故障诊断效果易受MMC数学模型的精确程度的影响，本发明基于MMC的输出信号进行故障诊断，具有直接、快速、精确的优点，该发明彻底摆脱了对MMC数学模型的依赖。

发明内容

发明目的：针对现有故障诊断方法对MMC数学模型依赖程度高的缺点，本发明提供了一种由IGBT子模块构成的MMC回路结构以及基于MMC输出信号的开路故障诊断方法，兼具直接、快速和精确的优点。。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于IGBT子模块的MMC回路结构，所述MMC回路结构由若干组相桥臂组成；所述相桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂经由电感串联连接；所述相桥臂包括若干级联在一起的IGBT子模块；所述IGBT子模块为半桥拓扑结构，包括IGBT开关管Q₁、Q₂；所述IGBT开关管Q₁与二极管D₁反向并联；IGBT开关管Q₂与二极管D₂反向并联，二者构成半桥拓扑结构；所述半桥拓扑结构与电容并联构成IGBT子模块。

一种基于上述MMC回路结构的IGBT开路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤S1、对相桥臂的桥臂电流信号i_brg(t)、所有子模块的电容电流信号i_{cap_i}(t)与开关状态信号S_i进行采样；定义计数值Count[i]，初始值为0；当满足如下条件(1)或条件(2)时：

(1)S_i＝1i_{cap_i}(t)＝0

(2)S_i＝0i_{cap_i}(t)＝i_brg(t)