技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力电子变流领域，具体涉及一种模块化多电平变换器子模块故障检测方法、系统及介质。
背景技术
[0002] 近年来，模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)因具有很强的整体性和灵活性、模块化程度高、输出
波形质量好、便于四象限运行、器件
开关频率低、故障处理能力强等优点，在柔性直流输电、中高压电力传动及静止无功补偿等领域得到广泛的应用。模块化多电平变换器通过多个子模块级联来获得较高的
电压等级，在实际应用中，模块化多电平变换器每个桥臂中的子模块数量庞大，为了能够获得理想的输出波形、平衡子模块电容电压和桥臂电压，需要对模块化多电平变换器进行控制。传统的模块化多电平变换器控制方法需要给每个子模块配置一个电压互感器，成本较高，大量的数据需要进行采集、处理也增大了控制系统的负担，提高了系统的复杂程度。
[0003] 为了减少电压互感器的数量，国内外学者进行了大量研究，但对于在减少电压互感器的情况下子模块故障检测研究较少。模块化多电平变换器中含有电力电子器件，每个电力电子器件都是潜在的故障点，当电力电子器件发生故障时，子模块的电容电压、桥臂间的环流、桥臂
电流、桥臂电压，都将偏离正常运行的值。若发生故障后，不能及时检测出故障并将故障子模块旁路，会导致子模块电容电压过高、桥臂环流增大、输出谐波含量增加，甚至会导致其他器件损坏，造成巨大的经济损失。
[0004] 如果能在减少电压互感器的情况下对子模块故障检测深入研究，可以大大提高模块化多电平变换器的
稳定性和降低系统成本。因此，有必要设计一种模块化多电平变换器单个桥臂只配置一个电压互感器运行条件下的子模块故障检测方法。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题：针对
现有技术的上述问题，提供一种模块化多电平变换器子模块故障检测方法、系统及介质，本发明能够实现模块化多电平变换器在单个桥臂只配置一个电压互感器运行条件下，在不增加其他
硬件的
基础上实现子模块故障检测。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0007] 一种模块化多电平变换器子模块故障检测方法，实施步骤包括：
[0008] 1)针对模块化多电平变换器的x相y桥臂作为目标桥臂，在第k个控制周期开始时对目标桥臂的电压互感器进行
采样获得电压采样值u(k)xy；
[0009] 2)获得第k个控制周期开始时目标桥臂所有子模块
输出电压之和的理论计算值[0010] 3)根据电压互感器采样值u(k)xy、理论计算值 之间的差值确定故障判定依据λ；
[0011] 4)判断故障判定依据λ的绝对值小于等于预设
阈值是否成立，如果成立则判定目标桥臂未发生子模块故障，否则判定目标桥臂发生子模块故障。
[0012] 优选地，步骤3)中确定故障判定依据λ的函数表达式如式(1)所示；
[0013]
[0014] 式(1)中，u(k)xy为第k个控制周期开始时目标桥臂的电压采样值， 为第k个控制周期开始时目标桥臂所有子模块输出电压之和的理论计算值，Uc为子模块的电容电压额定值。
[0015] 优选地，步骤4)中的预设阈值为2Ψ，Ψ为子模块电容电压
波动幅值与子模块电容电压额定值的比值。
[0016] 优选地，步骤4)中判定目标桥臂发生子模块故障后还包括对故障子模块进行
定位的步骤，详细步骤包括：
[0017] 5.1)判断目标桥臂
中子模块运行状况符合“情况1”或“情况2”，其中“情况1”是指第k个控制周期开始时整个桥臂只有一个子模块投入，“情况2”是指第k个控制周期开始时整个桥臂只有一个子模块状态发生变化，且子模块状态发生变化后整个桥臂处于投入状态的子模块数量不为1；若桥臂中子模块运行状况符合上述“情况1”或“情况2”，跳转执行步骤5.2)；否则，若桥臂中子模块运行状况不符合上述“情况1”或“情况2”，则跳转执行步骤
5.3)；
[0018] 5.2)若目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况1”，此时第j个子模块处于投入状态，可获得目标桥臂中第j个子模块在第k个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k)xy，根据第j个子模块电容电压值判断该子模块是否发生故障；若目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况2”，桥臂上个周期内第j个子模块工作模态发生变化，目标桥臂中第j个子模块在第k个控制周期开始时的电容电压值为uc(j)(k)xy，根据第j个子模块电容电压值判断该子模块是否发生故障，若第j个子模块发生故障，将故障子模块进行旁路，结束并退出；
[0019] 5.3)判断第k个控制周期电流采样值i(k)xy小于0是否成立，如果成立则跳转执行步骤5.4)；如果不成立则跳转执行步骤5.9)；
[0020] 5.4)对第k个控制周期开始时处于投入状态的子模块进行标记；
[0021] 5.5)从第k+1个控制周期开始，每半个调制波周期对标记的子模块、未标记的子模块分别按照电容电压值uc(j)(k+i)xy进行一次排序，其中i＝1,2,3...，i表示系统检测到故障后的第i个控制周期；
[0022] 5.6)判断电流采样值i(k+i)xy大于0是否成立，如果成立则进一步判断n-h1≥h是否成立，如果n-h1≥h成立则只投入未标记的子模块，如果n-h1≥h不成立则投入标记的子模块，跳转执行步骤5.5)，n为目标桥臂的子模块总数量，h1为目标桥臂中被标记子模块数量，h为应投入的子模块数量；如果电流采样值i(k+i)xy大于0不成立，则跳转执行步骤5.7)；
[0023] 5.7)判断需投入的子模块数量增加是否成立，如果成立则被标记子模块逐个投入，全部投入后，未标记子模块逐个投入；否则，被标记子模块逐个
切除，全部切除后，未标记子模块逐个切除；此时，目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况1”或“情况2”；若目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况1”，此时第j个子模块处于投入状态，可获得目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k+i)xy；若目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况2”，桥臂上个周期内第j个子模块工作模态发生变化，目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值为uc(j)(k+i)xy；
[0024] 5.8)针对所有标记的子模块，根据步骤5.7)中获得的目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k+i)xy，分别判断条件|uc(j)(k+i)xy-Uc|>2ΨUc是否成立，其中uc(j)(k+i)xy为第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值，Uc为子模块的电容电压额定值，Ψ为子模块电容电压波动幅值与子模块电容电压额定值的比值；如果成立，则判定该子模块发生故障并将故障子模块旁路，结束并退出；否则判定该子模块未发生故障并取消标记；跳转执行步骤5.5)；
[0025] 5.9)对第k个控制周期内处于切除状态的子模块进行标记；
[0026] 5.10)从第k+1个控制周期开始，每半个调制波周期对标记的子模块、未标记的子模块分别按照电容电压值uc(j)(k+i)xy进行一次排序，其中i＝1,2,3...，表示系统检测到故障后的第i个控制周期；
[0027] 5.11)判断电流采样值i(k+i)xy小于0是否成立，如果成立则进一步判断n-h2≥h是否成立，如果n-h2≥h成立则只投入未标记的子模块，如果n-h2≥h不成立则投入标记的子模块，跳转执行步骤5.10)，n为目标桥臂的子模块总数量，h2为目标桥臂中被标记子模块数量，h为应投入的子模块数量；如果电流采样值i(k+i)xy大于0不成立，则跳转执行步骤5.12)；
[0028] 5.12)判断需投入的子模块数量增加是否成立，如果成立则被标记子模块逐个投入，全部投入后，未标记子模块逐个投入；否则，被标记子模块逐个切除，全部切除后，未标记子模块逐个切除；此时，目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况1”或“情况2”；若目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况1”，此时第j个子模块处于投入状态，可获得目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k+i)xy；若目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况2”，桥臂上个周期内第j个子模块工作模态发生变化，目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值为uc(j)(k+i)xy；
[0029] 5.13)针对所有标记的子模块，根据步骤5.12)中获得的目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k+i)xy，分别判断条件|uc(j)(k+i)xy-Uc|>2ΨUc是否成立，其中uc(j)(k+i)xy为目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值，Uc为子模块的电容电压额定值，Ψ为子模块电容电压波动幅值与子模块电容电压额定值的比值；如果成立，则判定该子模块发生故障并将故障子模块旁路，结束并退出；否则判定该子模块未发生故障并取消标记，跳转执行步骤5.10)。
[0030] 优选地，步骤5.2)中根据第j个子模块电容电压值判断该子模块是否发生故障包括：将目标桥臂中第j个子模块在第k个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k)xy、子模块的电容电压额定值Uc进行比较，判断条件|uc(j)(k)xy-Uc|>2ΨUc是否成立，其中uc(j)(k)xy为目标桥臂中第j个子模块在第k个控制周期开始时的电容电压值，Uc为子模块的电容电压额定值，Ψ为子模块电容电压波动幅值与子模块电容电压额定值的比值。
[0031] 优选地，步骤2)中第k个控制周期开始时目标桥臂所有子模块输出电压之和的理论计算值 的计算函数表达式如式(2)所示；
[0032]
[0033] 式(2)中，n为目标桥臂中子模块数量，S(j)(k-1)xy为目标桥臂中第j个子模块在第k-1个周期的开关状态，uc(j)(k-1)xy为目标桥臂中第j个子模块在第k+1个控制周期开始时的电容电压值，i(k-1)xy为目标桥臂在第k-1个控制周期开始时的电流采样值。
[0034] 本发明还提供一种模块化多电平变换器子模块故障检测系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行所述模块化多电平变换器子模块故障检测方法的步骤。
[0035] 本发明还提供一种模块化多电平变换器子模块故障检测系统，包括计算机设备，该计算机设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行所述模块化多电平变换器子模块故障检测方法的
计算机程序。
[0036] 本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述模块化多电平变换器子模块故障检测方法的计算机程序。
[0037] 本发明还提供一种模块化多电平变换器子模块故障检测系统，包括：
[0038]
数据采集程序单元，用于针对模块化多电平变换器的x相y桥臂作为目标桥臂，在第k个控制周期开始时对目标桥臂的电压互感器进行采样获得电压采样值u(k)xy；
[0039] 总电压理论值计算程序单元，用于获得第k个控制周期开始时目标桥臂所有子模块输出电压之和的理论计算值
[0040] 判定依据计算程序单元，用于根据电压互感器采样值u(k)xy、理论计算值 之间的差值确定故障判定依据λ；
[0041] 故障判断程序单元，用于判断故障判定依据λ的绝对值小于等于预设阈值是否成立，如果成立则判定目标桥臂未发生子模块故障，否则判定目标桥臂发生子模块故障。
[0042] 和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明的模块化多电平变换器模块子模块故障检测方法，每个桥臂只用一个电压互感器，降低了系统的成本，简化了系统，在故障发生后能够检测出故障子模块，提高了系统的稳定性。与传统模块化多电平变换器相比，本发明每个桥臂只用一个电压互感器，在发生故障的情况下能够识别故障并对子模块故障定位，提高系统稳定性。本发明能够在不增加硬件基础上实现了子模块故障检测，降低系统成本，对系统进行简化的同时，提高了系统的稳定性。
附图说明
[0043] 图1为本发明
实施例中应用的模块化多电平变换器的拓扑结构图。
[0044] 图2为本发明实施例方法的基本流程示意图。
[0045] 图3为本发明实施例方法中故障定位的基本流程示意图。
具体实施方式
[0046] 图1所示为本发明模块化多电平变换器子模块故障检测方法、系统及介质所应用的示例性的模块化多电平变换器的拓扑结构图，该模块化多电平变换器采用三相六桥臂结构；A、B、C三相中每相均包括上、下两个桥臂，每个桥臂由n个子模块与一个电感L
串联而成，每相上桥臂的n个子模块依次记为SMp1，SMp2，…，SMpn，每相下桥臂的n个子模块依次记为SMn1，SMn2，…，SMnn；每个子模块是一个半桥变流器，由两个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)T1和T2、两个反并联
二极管D1和D2、高速旁路开关K1、压装晶闸管K2及一个直流电容C组成，T1的发射极与T2的集
电极相连，并引出子模块的输出正极，T2的发射极引出子模块的输出负极。上桥臂和下桥臂之间的连接点引出A、B、C三相的相线，直流侧电源中点接地，模块化多电平变换器每个桥臂配置一个电压互感器和一个电流互感器。本实施例中每个桥臂中子模块个数n取值为20，每个子模块的电容C大小为6800uF，子模块电容电压额定值Ucref为1000V，直流侧电压额定值Udc为20KV，电感L大小为10mH，负载
电阻R取值为30Ω，负载电感L取值为
0.1H，Ψ为0.15，采样周期T取值为0.0002秒。本发明模块化多电平变换器子模块故障检测方法、系统及介质所应用的模块化多电平变换器每个桥臂只需配置一个电压互感器，对模块化多电平变换器每个桥臂的调制电压采用现有的最近电平逼近调制策略。
[0047] 该模块化多电平变换器的六个桥臂的控制方法均为：对该桥臂调制电压采用最近电平逼近的方式进行调制，将其控制周期分为投入过程和切除过程；在每个控制周期采集并记录电压采样值、电流采样值、每个子模块的开关状态；根据采集的
信号和存储的子模块电容电压值，利用特定的
算法对子模块电容电压值进行估算，通过对子模块电容电压估算值进行判定，判断子模块是否发生故障，如果发生故障，将发生故障的子模块切除；并根据子模块电容电压估算利用最近电平逼近进行调制，输出各相各个子模块的开关信号。
[0048] 下面以A相的上桥臂为例，对于本发明模块化多电平变换器子模块故障检测方法、系统及介质进行进一步的详细说明。
[0049] 如图2所示，本实施例模块化多电平变换器子模块故障检测方法的实施步骤包括：
[0050] 1)针对模块化多电平变换器的x相y桥臂作为目标桥臂，在第k个控制周期开始时对目标桥臂的电压互感器进行采样获得电压采样值u(k)xy；
[0051] 2)获得第k个控制周期开始时目标桥臂所有子模块输出电压之和的理论计算值[0052] 3)根据电压采样值u(k)xy、理论计算值 之间的差值确定故障判定依据λ；
[0053] 4)判断故障判定依据λ的绝对值小于等于预设阈值是否成立，如果成立则判定目标桥臂未发生子模块故障，否则判定目标桥臂发生子模块故障。
[0054] 本实施例中，步骤1)中在每个控制周期开始时，进行信号采样，包括：电压采样值u(k)xy，电流采样值i(k)xy；u(k)xy为模块化多电平变换器目标桥臂(x相y桥臂)第k个控制周期电压采样值，i(k)xy为模块化多电平变换器目标桥臂(x相y桥臂)第k个控制周期电流采样值，其中k＝0,1,2,3,4......，表示第k个控制周期，x＝A、B、C，分别表示ABC三相，y＝p、n，分别表示上桥臂、下桥臂。
[0055] 在第k个控制周期开始采样获得的电压采样值u(k)xy是第k-1个控制周期结束时的整个桥臂所有子模块输出电压之和，可表达为如式(1)所示函数表达式；
[0056]
[0057] 式(1)中，S(j)(k-1)xy为目标桥臂中第j个子模块在第k-1个周期的开关状态，S(j)(k-1)xy＝1，代表该子模块在第k-1个周期处于投入状态，S(j)(k-1)xy＝0，代表该子模块第k-1个周期处于切除状态；uc(j)(k)xy为目标桥臂中第j个子模块在第k个控制周期开始时的电容电压值，j＝1,2,3…n，表示第j个子模块。k＝0表示初始状态，k＝1表示系统运行第一个周期，规定S(j)(0)xy＝0，uc(j)(0)xy＝Uc，Uc为子模块电容电压额定值；当k≥1时，S(j)(k)xy由最近电平逼近的方式获得，uc(j)(k)xy由现有的子模块电容电压计算方法获得，详见参考文献Rong Fei,Gong Xichang,Li Xing,et al.A new voltage measure method for MMC based on sample delay compensation[J].IEEE Transactions Power Electronics,2018,33(7):5712-5723.。
[0058] 根据采集到的信息和上个周期存储的信息，计算出整个控制周期桥臂所有子模块输出电压之和的变化量Δu(k)xy，Δu(k)xy包括：投入、切除子模块产生的电压变化量，子模块电容因充、放电引起的电压变化量，Δu(k)xy可表示如式(2)所示；
[0059] Δu(k)xy＝u(k)xy-u(k-1)xy (2)
[0060] 式(2)中，u(k)xy是第k个控制周期开始时的电压采样值，u(k-1)xy是第k-1个控制周期开始时的电压采样值。根据子模块电容的充放电模型，目标桥臂中第j个子模块在第k个周期的电容电压值uc(j)(k)xy可表示如式(3)所示；
[0061]
[0062] 式(3)中，uc(j)(k-1)xy为目标桥臂中第j个子模块在第k-1个周期的电容电压值，T为采样周期；C为子模块电容容值，其值由所采用的换流
阀确定；S(j)(k-1)xy为x相y桥臂第j个子模块第k-1个周期的开关状态，i(k-1)xy为目标桥臂在第k-1个控制周期的桥臂电流。
[0063] 目标桥臂在第k个周期内可能存在下述情况：
[0064] 情况1：控制周期开始时整个桥臂只有一个子模块投入时：
[0065] 在第k-1个控制周期开始时，只有一个子模块工作于投入状态，其余子模块都工作于切除状态，投入的子模块为第j个子模块，j＝1,2,3…n，表示第j个子模块；第k个控制周期开始时该桥臂电压的采样值为第j个子模块电容电压值，可以对子模块电压值进行校正，减小误差；目标桥臂中第j个子模块在第k个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k)xy如式(4)所示；
[0066] uc(j)(k)xy＝u(k)xy (4)
[0067] 式(4)中，u(k)xy是第k个控制周期开始时的电压采样值。
[0068] 情况2：控制周期开始时整个桥臂只有一个子模块状态发生变化，且子模块状态发生变化后整个桥臂处于投入状态的子模块数量不为1时：
[0069] 在第k-1个控制周期开始时，第j个子模块的工作状态发生变化：
[0070] 若第j个子模块工作状态从切除变为投入时，则子模块电容电压可表示如式(5)所示；
[0071]
[0072] 式(5)中，Δu(k)xy为第k个周期整个控制周期桥臂所有子模块输出电压之和的变化量，C为子模块电容容值，S(j)(k-2)xy为目标桥臂第j个子模块在第k-2个控制周期的开关状态，i(k-1)xy为目标桥臂在第k-1个控制周期的电流采样值。
[0073] 若第j个子模块工作状态从投入变为切除时，则子模块电容电压可表示如式(6)所示；
[0074]
[0075] 式(6)中，Δu(k)xy为第k个周期整个控制周期桥臂所有子模块输出电压之和的变化量，C为子模块电容容值，S(j)(k-1)xy为目标桥臂第j个子模块第k-1个周期的开关状态，i(k-1)xy为目标桥臂在第k-1个控制周期的电流采样值。
[0076] 此时能够较为准确计算出第j个子模块电容电压值。
[0077] 其余情况：根据电容的充、放电模型，对子模块电容电压进行估算如式(7)所示；
[0078]
[0079] 式(7)中，uc(j)(k-1)xy为目标桥臂中第j个子模块在第k-1个周期的电容电压值，C为子模块电容容值，S(j)(k-1)xy为目标桥臂第j个子模块第k-1个周期的开关状态，i(k-1)xy为目标桥臂在第k-1个控制周期的电流采样值。
[0080] 本实施例中，步骤2)中第k个控制周期开始时目标桥臂所有子模块输出电压之和的理论计算值 的计算函数表达式如式(2)所示；
[0081]
[0082] 式(2)中，n为目标桥臂中子模块数量，S(j)(k-1)xy为目标桥臂中第j个子模块在第k-1个控制周期的开关状态，uc(j)(k-1)xy为目标桥臂中第j个子模块在第k-1个控制周期开始时的电容电压值，i(k-1)xy为目标桥臂在第k-1个控制周期开始时的电流采样值。根据上述子模块电容电压计算值、第k-1个控制周期电压采样值、电流采样值、子模块工作状态，获得第k个控制周期开始时目标桥臂所有子模块输出电压之和的理论计算值
[0083] 本实施例中，步骤3)中确定故障判定依据λ的函数表达式如式(1)所示；
[0084]
[0085] 式(1)中，u(k)xy为第k个控制周期开始时目标桥臂的电压采样值， 为第k个控制周期开始时目标桥臂所有子模块输出电压之和的理论计算值，Uc为子模块的电容电压额定值。根据λ的大小可判断子模块是否发生故障，多个子模块同时发生故障的几率极小，这里只讨论单个子模块发生故障，电力电子器件的
短路故障一般由外围硬件进行检测，这里只讨论电力电子器件发生开路故障的情况。本实施例中，步骤4)中的预设阈值为2Ψ，Ψ为子模块电容电压波动幅值与子模块电容电压额定值的比值。|λ|≤2Ψ时，认为桥臂所有子模块正常运行；|λ|>2Ψ时，认为桥臂中存在子模块发生故障，Ψ为子模块电容电压波动幅值与子模块电容电压额定值的比值，由所采用换流阀决定。
[0086] 如图3所示，本实施例步骤4)中判定目标桥臂发生子模块故障后还包括对故障子模块进行定位的步骤，详细步骤包括：
[0087] 5.1)判断目标桥臂中子模块运行状况符合“情况1”或“情况2”，其中“情况1”是指第k个控制周期开始时整个桥臂只有一个子模块投入，“情况2”是指第k个控制周期开始时整个桥臂只有一个子模块状态发生变化，且子模块状态发生变化后整个桥臂处于投入状态的子模块数量不为1；若桥臂中子模块运行状况符合上述“情况1”或“情况2”，跳转执行步骤5.2)；否则，若桥臂中子模块运行状况不符合上述“情况1”或“情况2”，则跳转执行步骤
5.3)；
[0088] 5.2)若目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况1”，此时第j个子模块处于投入状态，可获得目标桥臂中第j个子模块在第k个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k)xy，根据第j个子模块电容电压值判断该子模块是否发生故障；若目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况2”，桥臂上个周期内第j个子模块工作模态发生变化，目标桥臂中第j个子模块在第k个控制周期开始时的电容电压值为uc(j)(k)xy，根据第j个子模块电容电压值判断该子模块是否发生故障，若第j个子模块发生故障，将故障子模块进行旁路，结束并退出；本实施例中，步骤5.2)中根据第j个子模块电容电压值判断该子模块是否发生故障包括：将目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k)xy、子模块的电容电压额定值Uc进行比较，判断条件|uc(j)(k+i)xy-Uc|>2ΨUc是否成立，其中uc(j)(k)xy为目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值，Uc为子模块的电容电压额定值，Ψ为子模块电容电压波动幅值与子模块电容电压额定值的比值。
[0089] 5.3)判断第k个控制周期电流采样值i(k)xy小于0是否成立，如果成立则跳转执行步骤5.4)；如果不成立则跳转执行步骤5.9)；
[0090] 本实施例中，步骤1)～4)的子模块故障检测位于一个控制周期内，前文表述为第k个控制周期；而对故障子模块进行定位的步骤则在第k个控制周期之后还需要多个控制周期。步骤5.3)中的电流采样值i(k)xy为检测到发生故障这一控制周期(第k个控制周期)的电流采样值，子模块在工作过程中，处于2种工作模态。投入和切除，检测到故障后，需要根据电流是否大于0进行判断。(I)电流i(k)xy<0时，是处于投入的子模块中某个子模块发生了故障，故障类型是TI开路故障(子模块有2个开关管，TI和T2，可见图1)，TI开路故障时，当桥臂电流小于0时才表现出故障，桥臂电流大于0时仍然可以正常工作。(II)电流i(k)xy>0时，是处于切除的子模块中某个子模块发生了故障，故障类型是T2开路故障，T2开路故障时，当桥臂电流大于0时才表现出故障，桥臂电流小于0时仍然可以正常工作。因此，本实施例步骤5.3)中根据故障发生时桥臂电流的大小，进行故障分类判定，对子模块进行标记分组，这样做可以缩小范围，加快故障定位速度。
[0091] 5.4)对第k个控制周期开始时处于投入状态的子模块进行标记；
[0092] 5.5)从第k+1个控制周期开始，每半个调制波周期对标记的子模块、未标记的子模块分别按照电容电压值uc(j)(k+i)xy进行一次排序，其中i＝1,2,3...，i表示系统检测到故障后的第i个控制周期；本实施例中，半个调制波周期为0.01秒，正常运行时需要每个控制周期排序一次，一般情况下，控制频率都在1000Hz以上，即控制周期小于0.001秒。
[0093] 5.6)判断电流采样值i(k+i)xy大于0是否成立，如果成立则进一步判断n-h1≥h是否成立，如果n-h1≥h成立则只投入未标记的子模块，如果n-h1≥h不成立则投入标记的子模块，跳转执行步骤5.5)，n为目标桥臂的子模块总数量，h1为目标桥臂中被标记子模块数量，h为应投入的子模块数量，应投入的子模块数量h为模块化多电平变换器的现有调度策略(最近电平逼近调至策略)计算得到的变量；如果电流采样值i(k+i)xy大于0不成立，则跳转执行步骤5.7)；
[0094] 模块化多电平变换器在工作过程中，桥臂电流有时大于0、有时小于0；子模块发生T1开路故障后，当桥臂电流小于0时才表现出故障，桥臂电流大于0时仍然可以正常工作，所以只能在桥臂电流小于0时进行故障定位；步骤5.6)中的电流采样值i(k+i)xy是在故障定位过程中第k+i个控制周期的桥臂电流。步骤5.6)中，n-h1为目标桥臂中未标记子模块的数量；n-h1≥h成立时，只将未标记的子模块投入，未标记的子模块都为未发生故障的子模块；n-h1≥h不成立时，未标记子模块已全部投入，此时将标记子模块投入；
[0095] 5.7)判断需投入的子模块数量增加是否成立，如果成立则被标记子模块逐个投入，全部投入后，未标记子模块逐个投入；否则，被标记子模块逐个切除，全部切除后，未标记子模块逐个切除；此时，目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况1”或“情况2”；若目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况1”，此时第j个子模块处于投入状态，可获得目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k+i)xy；若目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况2”，桥臂上个周期内第j个子模块工作模态发生变化，目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值为uc(j)(k+i)xy；
[0096] 步骤5.7)的目的就是为了将子模块的投入或切除都符合上述“情况1”或“情况2”，这样可以获得较为准确的子模块电容电压值。模块化多电平变换器的子模块投入数量一直在变化，由0增加到n，再减少到0，但是常规运行时，每个控制周期都会进行排序，子模块的投入或切除情况符合“情况1”或“情况2”出现的次数不多，这样做可以强制增加“情况1”或“情况2”出现的次数，加快故障定位速度，但会影响模块化多电平变换器输出波形质量，但由于发生故障时输出质量比较差，步骤5.7)的做法在故障定位时对模块化多电平变换器输出波形质量影响不大。按照步骤5.7)，模块化多电平变换器的子模块投入数量发生变化时，即可较为准确的获得一个子模块的电容电压，即可检测一个子模块是否发生故障。
[0097] 5.8)针对所有标记的子模块，根据步骤5.7)中获得的目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k+i)xyy，分别判断条件|uc(j)(k+i)xy-Uc|>2ΨUc是否成立，其中uc(j)(k+i)xy为第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值，Uc为子模块的电容电压额定值，Ψ为子模块电容电压波动幅值与子模块电容电压额定值的比值；如果成立，则判定该子模块发生故障并将故障子模块旁路，结束并退出；否则判定该子模块未发生故障并取消标记；跳转执行步骤5.5)；
[0098] 每次子模块应投入数量发生变化时，才能够对子模块进行故障判断。子模块应投入的数量在0.02秒内，由0增加到n，再由n减少到0。按照步骤5.7)，每次子模块应投入数量变化时，就会出现符合“情况1”或“情况2”，即可对子模块判定是否发生故障。调制波周期为0.02秒，n为20，需要过几个控制周期才会出现一次子模块应投入的数量变化。步骤5.8)中每次只能判定一个子模块是否发生故障，故障子模块在标记组内，对标记组中子模块逐一判定，找到故障子模块就可以退出故障定位了。除了上述实施方式以外，如果考虑到系统出现BUG，则在判断后可以采用下述可选的实施方式：如果成立，则判定该子模块发生故障并将故障子模块旁路，结束并退出，否则判定该子模块未发生故障并取消标记；最终判断标记的子模块数量是否为0，如果为0则结束并退出，否则跳转执行步骤5.5)。
[0099] 5.9)对第k个控制周期开始时处于切除状态的子模块进行标记；
[0100] 5.10)从第k+1个控制周期开始，每半个调制波周期对标记的子模块、未标记的子模块分别按照电容电压值uc(j)(k+i)xy进行一次排序，其中i＝1,2,3...，表示系统检测到故障后的第i个控制周期；
[0101] 5.11)判断电流采样值i(k+i)xy小于0是否成立，如果成立则进一步判断n-h2≥h是否成立，如果n-h2≥h成立则只投入未标记的子模块，如果n-h2≥h不成立则投入标记的子模块，跳转执行步骤5.10)，n为目标桥臂的子模块总数量，h2为目标桥臂中被标记子模块数量，h为应投入的子模块数量，应投入的子模块数量h为模块化多电平变换器的现有调度策略(最近电平逼近调至策略)计算得到的变量；如果电流采样值i(k+i)xy大于0不成立，则跳转执行步骤5.12)；
[0102] 模块化多电平变换器在工作过程中，桥臂电流有时大于0、有时小于0。子模块发生T2开路故障后，当桥臂电流大于0时才表现出故障，桥臂电流小于0时仍然可以正常工作，所以只能在桥臂电流大于0时进行故障定位。步骤5.11)中的电流采样值i(k+i)xy是在故障定位过程中第k+i个控制周期的桥臂电流。步骤5.11)中，n-h2为目标桥臂中未标记子模块的数量；n-h2≥h成立时，只将未标记的子模块投入，未标记的子模块都为未发生故障的子模块；n-h1≥h不成立时，未标记子模块已全部投入，此时将标记子模块投入；
[0103] 5.12)判断需投入的子模块数量增加是否成立，如果成立则被标记子模块逐个投入，全部投入后，未标记子模块逐个投入；否则，被标记子模块逐个切除，全部切除后，未标记子模块逐个切除；；此时，目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况1”或“情况2”；若目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况1”，此时第j个子模块处于投入状态，可获得目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k+i)xyy；若目标桥臂中子模块运行状况符合上述“情况2”，桥臂上个周期内第j个子模块工作模态发生变化，目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值为uc(j)(k+i)xy；
[0104] 和步骤5.7)相似，步骤5.12)的目的就是为了将子模块的投入或切除都符合上述“情况1”或“情况2”，这样可以获得较为准确的子模块电容电压值。
[0105] 5.13)针对所有标记的子模块，根据步骤5.12)中获得的目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值uc(j)(k+i)xy，分别判断条件|uc(j)(k+i)xy-Uc|>2ΨUc是否成立，其中uc(j)(k+i)xy为目标桥臂中第j个子模块在第k+i个控制周期开始时的电容电压值，Uc为子模块的电容电压额定值，Ψ为子模块电容电压波动幅值与子模块电容电压额定值的比值；如果成立，则判定该子模块发生故障并将故障子模块旁路，结束并退出；否则判定该子模块未发生故障并取消标记，跳转执行步骤5.10)。
[0106] 参见步骤5.1)～5.13)可知，本实施例中根据桥臂电流i(k)xy的大小和子模块的工作状态，将子模块进行分组，分为被标记和未标记；每半个调制波周期对被标记的子模块、未标记的子模块分别进行电容电压排序，按照最近电平逼近调至策略计算出桥臂应投入子模块数量为h；未标记子模块和被标记子模块的投、切顺序为：当i(k)xy<0时，当桥臂投入子模块数量增加时，按照子模块电容电压从大到小的顺序投入，当桥臂投入子模块数量减少时，按照子模块电容电压从小到大的顺序切除；当i(k)xy>0时，当桥臂投入子模块数量增加时，按照子模块电容电压从小到大的顺序投入，当桥臂投入子模块数量减少时，按照子模块电容电压从大到小的顺序切除。
[0107] 综上所述，采用本实施例模块化多电平变换器子模块故障检测方法，模块化多电平变换器每个桥臂只配置一个电压互感器，简化了系统，大大降低了所需采集信息的数量，并检测子模块是否发生故障，对故障子模块进行定位，提高了系统的可靠性。
[0108] 此外，本实施例还提供一种模块化多电平变换器子模块故障检测系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行前述模块化多电平变换器子模块故障检测方法的步骤。此外，本实施例还提供一种模块化多电平变换器子模块故障检测系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行前述模块化多电平变换器子模块故障检测方法的计算机程序。此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行前述模块化多电平变换器子模块故障检测方法的计算机程序。
[0109] 此外，本实施例还提供一种模块化多电平变换器子模块故障检测系统，包括：
[0110] 数据采集程序单元，用于针对模块化多电平变换器的x相y桥臂作为目标桥臂，在第k个控制周期开始时对目标桥臂的电压互感器进行采样获得电压采样值u(k)xy；
[0111] 总电压理论值计算程序单元，用于获得第k个控制周期开始时目标桥臂所有子模块输出电压之和的理论计算值
[0112] 判定依据计算程序单元，用于根据电压采样值u(k)xy、理论计算值 之间的差值确定故障判定依据λ；
[0113] 故障判断程序单元，用于判断故障判定依据λ的绝对值小于等于预设阈值是否成立，如果成立则判定目标桥臂未发生子模块故障，否则判定目标桥臂发生子模块故障。
[0114] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
