基于子模组工况分析的模块化多电平储能系统开路故障诊断方法
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哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院的研究人员毕恺韬、安群涛等，在2018年第6期《电工技术学报》上撰文指出，储能系统中直流变换器的安全性及可靠性直接关系到系统是否正常运行。通过对模块化多电平直流变换器中半桥子模组故障运行工况的分析，提出一种在超级电容模组宽工作电压范围下的快速开路故障诊断方法。
该方法根据正常及故障时半桥子模组下桥臂承受电压的不同，利用简单的硬件检测电路以及基于FPGA的诊断算法实现快速开路故障诊断。硬件检测电路能够实时对半桥子模组运行工况进行检测，FPGA中故障诊断算法则利用检测结果并结合驱动信号在短时间内完成故障诊断。详细给出所提方法的设计原理以及关键参数的选取原则。
该方法避免了复杂的数学运算，容易实现。最后，通过搭建小功率模块化多电平储能系统对所提方法进行了验证。
近年来，模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）因其优越的性能、灵活的组合模式以及高耐压等特点被广泛应用于高电压、大功率等场合[1,2]。模块化多电平变换器作为能量传递的桥梁，在系统中起着至关重要的作用，其安全性及可靠性影响着系统的安全运行。
但是，随着串联半桥变换器数量的增多，模块化多电平变换器出现故障的概率随之增大，因此能快速准确地对系统故障进行实时检测、诊断及定位的方法一直受到学者的广泛关注。
目前已有大量关于功率变换器开路故障诊断的方法被提出。针对整流电路以及三相逆变电路，文献[3,4]对整流器的故障诊断进行了研究，文献[3]从解析模型和具体工作过程出发，详细分析了大功率PWM整流器的故障特征产生原因，研究了故障诊断过程的影响及其解决方法。
文献[5]利用混合逻辑动态分析法对电力电子器件进行模型搭建，在此基础上提出基于故障事件识别向量的方法对逆变电路进行故障诊断，这种故障诊断方式适用于多离散事件电路。文献[6]提出采用变流器输出三相电流信号为特征参数的故障诊断模型，该模型应用于矢量控制的变流器时能够对其典型故障进行有效诊断。文献[7-9]分别对用于不同电机变频驱动系统中的逆变器故障诊断和容错控制技术进行了研究。
随着高压直流输电技术的快速发展，为了提高MMC的可靠性，已有多种故障诊断方式被提出[10-15]。文献[10]首次提出了基于滑模观测器的MMC开路故障检测方法，这种方法根据系统电流的检测值与滑模观测器观测值的差值，判断得出系统当前是否处于故障状态。为了能够避免滑模观测器出现的抖动问题。
文献[11]提出了基于卡尔曼滤波观测器的MMC故障检测方法，该方法利用卡尔曼滤波观测器代替滑模观测器对系统状态进行观测，其故障判断的方式与滑模观测器基本相同，均是利用观测值与实际检测值的残差进行判断。文献[12]对MMC的故障检测以及容错方式进行了深入研究，详细给出了系统故障检测、故障定位以及系统重构的方法，保证MMC在出现故障后能够持续稳定运行。
除此之外，文献[13]针对MMC的容错运行控制策略进行了研究。但是上述故障诊断方式均为基于算法的诊断方式，随着模组串联数量的增多，对控制器的性能要求也随之增加，同时故障诊断速度也受控制器性能的影响。
基于硬件电路的故障检测方法不仅能够摆脱对控制器性能的依赖，同时具有较高的响应速度。文献[16]提出利用硬件电路检测开关管压降并结合驱动信号对变换器故障进行诊断。这种方法具有很高的响应速度以及检测精度同时成本较低，但是要求被检电路工作电压大于检测回路的供电电压。
文献[17]提出利用检测极电压误差的方式进行故障诊断，并由快速A-D转换器以及FPGA来实现。通过建立基于电压以及时间的双重标准值，减小了测量误差以及噪声对故障检测的影响。将故障诊断时间缩短到10s，但是该方法不具备故障定位能力。
在超级电容储能系统中，快速故障诊断、准确故障定位能够大幅度提升系统的安全性以及可靠性。同时，超级电容模组作为储能设备，其电压随系统工作状态不断变化，电压运行范围较宽。因此储能系统的开路故障诊断方法不仅需要具有快速的响应速度，同时也要满足超级电容模组的宽电压运行特性。
针对模块化多电平超级电容储能系统，本文提出了一种快速开路故障诊断方式。这种检测方式由硬件检测电路与现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）诊断算法共同完成，该故障诊断方式的主要优点是能够在超级电容模组宽工作电压范围内实现对系统开路故障的快速诊断。
图1 模块化多电平直流变换器拓扑
图3 开路故障诊断原理
图4 FPGA故障诊断算法结构
结论
本文对储能系统中模块化多电平直流变换器的开路故障进行了详细分析，针对半桥储能模组的开路故障特征，提出了一种采用硬件电路与FPGA诊断算法相结合的开路故障诊断方法，并阐述了诊断原理，给出了硬件检测电路以及软件诊断算法的设计原则，最后通过实验验证了该方法的有效性。
该开路故障诊断方法具有以下优点：
1）通过对采样电阻合理计算取值，能够在超级电容模组宽工作电压范围内实现开路故障诊断。
2）检测方法采用硬件电路与FPGA相结合的方式，诊断速度快。
3）该检测方式不需要占用太多的控制器资源，同时对控制器性能要求较低，适用于多模组串联的中高压储能系统。
4）诊断方式简单可靠、容易实现。