莫跃，刘明，王健，林康泉，宋海彬，关宇洋

(1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司天生桥局，贵州 兴义 562400；2.贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

电力系统电力电子化的趋势有力地推动着电力系统的技术升级，由此带来的系统装备复杂性也对故障诊断技术提出了更高的要求。模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)具有高度模块化的结构、较低的电压谐波畸变率以及较低的开关损耗，能够方便地应用于各种场合的交/直流电能转换以及柔性互联，因此吸引众多的专家学者对其进行研究[1-7]，得到越来越多的应用[8]。

近年来，MMC的故障诊断问题受到重视，人们在此领域取得了一些研究成果[9-11]。MMC的基本组成部件为功率模块，功率模块的故障检测与隔离技术对保障MMC及所在系统的安全稳定运行至关重要。针对MMC功率模块的故障诊断问题，近年来开展了相关研究[12-16]：文献[12-13]采用滑模观测器对功率模块中IGBT开路故障的诊断方法进行了研究；文献[14]采用无监督学习-最小二乘互信息谱聚类等方法研究功率模块的开路故障；文献[15]通过对排序电容电压平衡算法执行过程的分析，提出一种功率模块单管开路故障的诊断方法。总体来看，研究主要集中在功率元件IGBT的开路损坏的结构性故障方面，缺少对器件性能下降(比如电容器容量减小、电容器漏电阻下降等参数型故障)的研究，而器件性能下降的及早发现，对防止事故发生具有重要意义。

早期的故障诊断方法采用硬件冗余的思路[17-18]，即对可能会发生故障的被监测部件配置一个完全相同的硬件部件，称冗余部件。冗余部件与被监测部件接收同样的激励输入，而它们的输出之差被称为残差。如果被监测部件无故障，则残差为0，否则残差不为0。为了避免设置硬件冗余部件带来的投资及维护成本的增加，人们用软件模型替代硬件冗余部件，称为软件冗余方法，为当代故障诊断技术的主流方法。为了降低模型初始状态及模型误差对故障诊断的影响，用对象模型构造的观测器来代替模型，形成了软件冗余方法里最重要的方法——基于观测器的故障诊断方法。

故障诊断主要包括故障检测、故障隔离和故障辨识3个任务：故障检测用于发现故障，故障隔离用于找到故障的位置或原因，故障辨识用于评估故障的程度。故障诊断方法主要分为基于模型的方法和基于数据驱动的方法[19]。基于数据驱动的方法计算量大，不适合MMC这样的快速动态系统的实时在线故障诊断。基于模型的方法能够深层次地分析故障发生的机理，一直受到人们的重视。在基于模型的方法中，基于自适应观测器的故障隔离技术具有清晰的故障隔离逻辑[20]，在故障隔离的同时能够得到故障参数值，实现故障辨识，具有良好的应用前景。针对MMC功率模块的参数型故障隔离问题，本文采用自适应观测器方法进行研究；针对功率模块的结构性故障，提出建立故障模式观测器进行故障隔离的方法。

为了验证本文方法的有效性，采用硬件电路功率模块进行实验研究。

1 MMC及功率模块简介

MMC分三相，每相分上、下桥臂，共有6个桥臂，每个桥臂由若干个功率模块首尾相连构成[21]。MMC按照一定的电压调制算法分别向桥臂上每个功率模块的上IGBT电子开关T1和下IGBT电子开关T2周期性地发送调制控制脉冲电压信号，控制每个功率模块在不同时刻插入桥臂或者被旁路；同时，控制每个功率模块的电容充放电，使每个桥臂的在线功率模块的电容电压的串联值呈现周期性变化，从而实现交/直流电压的转换。功率模块的主电路如图1所示。功率模块由电容器C、T1、T2、续流二极管D1、续流二极管D2组成，工作于以下状态：①2个IGBT均闭锁，称为闭锁状态，一般出现在启动和故障时；②T1导通，T2闭锁，称为投入状态；③T1闭锁，T2导通，称为切出状态或旁路状态。通过控制功率模块的投入和切出以达到输出多电平阶梯波拟合正弦交流波形。

图1 功率模块主电路图

2 MMC换流器功率模块故障诊断

2.1 功率模块故障

功率模块故障可划分为参数型故障和结构性故障2种类型：

a)参数型故障——元件未完全损坏，但元件电气性能退化。其特征为元件电气参数值偏离其标称值，且偏离的程度已经影响模块正常运行。

b)结构性故障——元件的彻底损坏导致模块电路结构发生了变化，例如IGBT的开路故障、IGBT的短路故障。IGBT不能导通的开路故障和IGBT不能关断的短路故障也有可能由电压调制脉冲控制系统的故障引起，在本文中都将其归结为开路故障和短路故障来诊断。

根据工程经验，本文主要考虑5种故障，见表1。

表1 功率模块故障

2.2 功率模块状态观测器

观测器是本文故障诊断方法的基础。假定线性系统描述为：

(1)

则龙伯格状态观测器为：

(2)

在功率模块的系统中，电容器为唯一的储能原件，选择电容器电压uc为系统的状态变量x。按照电路的原理有：

(3)

式中：ic为电容器充放电电流；c为功率模块电容器的电容值；yc为功率模块电容器电压测量值。

根据功率模块的工作原理，在功率模块投入状态下有：

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

(4)

(5)

(6)

式(4)—(6)中：PT1为电压调制算法对T1的控制作用，0表示关断，1表示接通；PT2为电压调制算法对T2的控制作用，0表示关断，1表示接通；i+为桥臂正向电流，i-为桥臂负向电流；i为桥臂电流。可以看出PT1、PT2将桥臂电流i调制为电容器充放电电流ic。

由式(3)、(4)得到

(7)

相应的观测器为：

(8)

式(8)中观测器增益kc的选择需要保证残差的收敛性(在无故障情况下及实际对象模型与其无故障标称模型吻合情况下)，以及残差对故障的敏感性(在故障情况下和实际对象模型与其无故障标称模型不一致情况下)。

2.3 功率模块自适应观测器

如果将系统的参数看成没有动态变化的广义状态变量[22]，也纳入观测器的状态估计之中，则构成了能够同时估计状态和参数的观测器，这样的观测器称自适应观测器。自适应观测器在同时估计状态和参数时，由于状态、参数估计过程的相互耦合纠缠，其状态-参数联合估计比普通状态观测器单纯估计状态困难，估计的参数越多，则难度越大。为了保证自适应观测器的可用性，在基于自适应观测器的故障隔离方法中，每个自适应观测器只辨识一个参数，其前提是假定系统中只有一个参数发生了变化，而其余参数均保持为标称值，且结构性故障与参数故障不会同时发生，也就是说需要假设功率模块中同一时刻只存在一种故障。

记某自适应观测器辨识的参数为θ，将θ看成广义状态变量，则根据观测器的原理可以得到对θ进行估计的观测方程为

(9)

(10)

(11)

估计得到的参数值将反馈回状态估计方程，取代其中的参数，因此得到自适应观测器的表达式为：

(12)

观测器增益kc、kθ的设置目标是确保状态估计误差ec和参数估计误差eθ渐进收敛，即

(13)

可以采用极点配置、李雅普诺夫稳定性理论等方法设计观测器增益。

2.4 功率模块的故障检测

在本文研究的功率模块故障检测与隔离方法中，桥臂电流i和器件T1、T2的调制脉冲被看作模块系统的输入激励信号，而功率模块电容电压作为功率模块系统的输出信号。

为了消除标称系统(参数为名义值时的系统)的模型误差、漂移以及初值对标称系统的状态影响，标称系统由标称模型构成的观测器来代替，称为故障检测观测器：

(14)

在实际系统不存在故障的情况下，实际系统与标称模型的结构、参数相同，因此在故障检测观测器增益kc合理设置的情况下，标称系统构成的故障检测观测器的状态和输出变量将收敛到实际系统的对应变量，故障检测残差ec将收敛到0附近并维持在残差阈值区间之内，故障检测系统不发出故障报警。如果实际系统发生了故障，则实际系统的参数将发生变化而偏离标称系统的参数，故障检测观测器的残差将不等于0并将跑到残差阈值区间之外。因此，一旦故障检测观测器残差曲线穿出残差阈值区间，就发出故障报警。本文研究所采用的阈值为最大值的±10%，应用中根据实际工程需要修订。

2.5 功率模块故障隔离与辨识

本文采用自适应观测器、故障模式观测器对MMC的功率模块进行故障隔离。

2.5.1 功率模块结构性故障故障模式观测器

根据功率模块的原理，可以得到不同故障模式下的功率模块模型，进而设计出相应的故障模式观测器。

a)T1不能触发导通的故障模式观测器：

(15)

b)T1不能关断的故障模式观测器：

(16)

式中ic,cut为电容器短路放电电流。

c)T2 不能触发导通的故障模式观测器：

(17)

d)T2 不能关断的故障模式观测器：

(18)

2.5.2 功率模块参数型故障自适应观测器

以电容器电容量衰减为例，其他参数偏移引起的故障与之类似。令

(19)

则自适应观测器为：

(20)

(21)

定义李雅普诺夫函数

(22)

(23)

(24)

(25)

26)

3 实验研究

3.1 实验环境设计

采用硬件电路对本文的方法进行实验研究。

采用IGBT、电容器、续流二极管、光电隔离器、功率放大器、受控恒流源、正负直流稳压电源等器件搭建功率模块实物电路，如图2所示。

图2 功率模块实物图

硬件功率模块元器件及相关参数:①IGBT型号FQP34N20，额定电流31 A，额定电压200 V；②电容器型号EPCOS，电容值为1 mF和2 mF)；③续流二极管型号SB5200，额定电流15 A，额定电流200 V；④光电隔离器型号PC817C，正向电流50 mA；⑤受控恒流源型号OPA549，电压范围 ±4 V～±30 V，恒流±8 A；⑥负载电阻10 Ω；⑦正负直流稳压电源±15 V。

在“MATLAB+RTLAB”故障诊断系统中，针对每一种实验的结构性故障，设置一个对应的故障模式观测器。本实验中，共假定2种结构性故障：①IGBT不能导通，由封锁T1的触发信号PT1实现；②IGBT不能导通，由封锁T2的触发信号PT2实现。针对每一种实验的参数型故障，设置一个自适应观测器。作为例子，本实验中以电容器电容量的减小作为实验的参数型故障，由切掉并联电容器实现。

硬件功率模块电路的激励信号由“MATLAB+RTLAB”构建的MMC主系统仿真过程给出。其中，T1的触发脉冲PT1和T2的触发脉冲PT2采自MMC主系统仿真系统中与硬件功率模块孪生的功率模块，由RTLAB主机发出经开关量输出口输出，经光电隔离器隔离后加到IGBT的栅极与源极之间。桥臂电流i的信号采自MMC主系统仿真系统中的桥臂电流，由RTLAB主机发出，经功率放大器放大，由受控恒流源变为与MMC主系统仿真过程一致的实际电流i加到功率模块电路。为了保证桥臂电流i的双极性，功率放大器和受控恒流源均采用双极性，并配置了正负直流稳压电源。

硬件功率模块的电容电压uc由RTLAB主机的模拟量输入口实时采集，硬件功率模块的实际电流i由取样电阻转换为电压值，经RTLAB主机的模拟量输入口实时采集。模拟量输入口采集的电容器电压信号uc和模块实际电流(桥臂电流)信号i供“MATLAB+RTLAB”构建的软件冗余故障诊断系统使用。

3.2 实验结果

a)T1不能触发导通故障。采用式(14)的观测器作为故障检测观测器，采用式(15)的故障模式观测器进行故障隔离，假定时间t=23.02 s以后T1不能被触发导通。

在t=23.02 s以前，故障检测观测器未检测到故障，故障模式观测器工作于式(14)无故障正常模式，因此不断在线跟踪估计实际功率模块的电容电压值。在t=23.02 s以后，故障检测观测器检测到故障，从而将故障模式观测器切换为式(15)的故障模式。

实验结果如图3所示。可以看出，在t=23.02 s之前，残差曲线维持在0附近，表示功率模块无故障。而在t=23.02 s之后，残差偏移0，然后重新收敛到零附近，说明功率模块的故障为该故障模式观测器代表的故障，即T1不能触发导通。

图3 T1不能触发故障模式下的结果

图4为该故障情况下，T2不能触发导通故障模式的观测器式(17)的结果，可以看出，残差曲线在发生故障后不能重新收敛回0，因此功率模块的故障不是T2不能触发导通。

图4 T2不能触发故障模式的结果

b)电容器电容量衰减故障。采用式(14)的观测器作为故障检测观测器，采用式(20)的自适应观测器进行故障隔离与辨识，假定t=9.15 s以后电容器电容量由原来的2 mF衰减到1 mF。

在t=9.15 s以前，故障检测观测器未检测到故障，自适应观测器工作于式(14)观测器模式，不进行参数在线辨识，观测器的功率模块电容器电容值取其标称值2 mF，观测器不断在线跟踪估计实际功率模块的电容电压值。在t=9.15 s以后，故障检测观测器检测到故障，从而将自适应观测器切换为式(20)在线估计电容器电容参数值方式。

实验结果如图5所示。可以看出，在t=9.15 s之前，残差曲线维持在0附近，表示功率模块无故障。在t=9.15 s之后，残差离开0，然后重新逐渐收敛到0附近，说明功率模块的故障为该自适应观测器代表的故障，即电容器电容量的变化。

图5 电容器电容量衰减故障的实验结果

自适应观测器残差收敛到0附近后，其估计的电容器电容值为1 mF。通过比较估计得到的电容器电容值与其标称值，可知故障的电容值变化幅度为Δc=2 mF-1 mF=1 mF,从而实现故障辨识。

4 结束语

针对MMC换流器功率模块故障诊断提出了基于观测器、自适应观测器的故障检测与隔离方法。采用标称观测器实现功率模块的故障检测，采用自适应观测器对参数型故障进行故障隔离，采用故障模式观测器对结构性故障进行故障隔离。采用李雅普诺夫稳定性理论设计电容器参数型故障自适应观测器，保证观测器状态-参数联合估计的收敛性。采用硬件电路系统对本文方法进行实验研究，实验结果验证了方法的良好性能。本研究成果被用于中国南方电网有限责任公司“鲁西站柔直功率模块故障诊断技术研究”项目中开发超高压输电换流站换流阀故障诊断模块。IGBT的结构性故障除了因为元件的彻底损坏引起外，也有可能由电压调制脉冲控制系统的故障引起，IGBT结构性故障的进一步细化隔离是今后探讨的课题。