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电动汽车驱动 DC-DC变换器 多电平 故障诊断 ★ 5.0

一种采用准两电平调制的模块化多电平DC/DC变换器开路故障诊断与容错运行方法

Fault Diagnosis and Tolerant Operation Method of Open Circuit Fault in Modular Multilevel DC/DC Converter With Quasi-Two-Level Modulation

作者
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 DC-DC变换器 多电平 故障诊断
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 模块化多电平直流变换器 开路故障 准两电平调制 故障诊断 容错运行
语言:

中文摘要

模块化多电平直流-直流变换器(MMDC)是一种典型的高压、大功率直流-直流变换器,它结合了准两电平调制的优势,具有较高的直流电压利用率和较强的功率传输能力,在直流电网中具有广阔的应用前景。MMDC由众多基于绝缘栅双极型晶体管的开关组成,这些开关可能会出现开路故障(OCF)。当MMDC的开关发生开路故障时,其内部电压和电流可能会严重畸变,从而可能影响系统的安全运行。为解决这一问题,本文提出了一种基于准两电平调制的MMDC开路故障诊断与容错运行方法,该方法利用了桥臂电流和桥臂电压调制的信号合成。首先,揭示了故障桥臂电流与调制波之间的关系。在此基础上,提出了一种故障诊断算法,能够准确识别故障桥臂和故障类型,无需额外的传感器或复杂的计算。然后,通过主动修改调制波,使MMDC在提出的容错模式下运行,直到定位并旁路特定的故障子模块,从而减少电压和电流畸变。随后,调制波自动恢复正常,使系统能够快速恢复。验证结果表明,所提出的方法能够准确、快速地诊断开路故障并实现容错运行。

English Abstract

The modular multilevel dc–dc converter (MMDC) is a typical high-voltage, high-power dc–dc converter, combining the advantages of quasi-two-level modulation with high dc voltage utilization and strong power transmission capability, having broad application prospects in dc grids. The MMDC is composed of numerous insulated gate bipolar transistor-based switches, which may impose an open-circuit fault (OCF). When an OCF occurs in the switch of the MMDC, the internal voltage and current may severely distort, potentially affecting the safe operation of the system. To address this issue, this article proposes a quasi-two-level modulation based OCF diagnosis and fault-tolerant operation method for an MMDC, which utilizes the signal synthesis of arm current and arm voltage modulation. First, the relationship between fault arm current and modulation wave is revealed. Based on this, a fault diagnosis algorithm is proposed to accurately identify the faulty arm and the fault type, without requiring additional sensors or complex calculations. The MMDC is then controlled in the proposed fault-tolerant mode by actively modifying the modulation wave until the specific faulty submodule is located and bypassed. This reduces voltage and current distortion. Subsequently, the modulation wave automatically returns to normal, allowing the system to quickly recover. Verification results demonstrate that the proposed method accurately and rapidly diagnoses the OCF and achieve fault-tolerant operation.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,该论文提出的模块化多电平DC/DC变换器(MMDC)开路故障诊断与容错运行方法具有重要的技术价值和应用潜力。

在直流电网和大规模储能系统领域,MMDC是实现高压大功率直流变换的关键设备。该技术采用准两电平调制策略,兼具高直流电压利用率和强功率传输能力,与阳光电源在光储一体化、高压直挂储能系统等产品线的技术路线高度契合。特别是在大型地面电站和工商业储能场景中,系统电压等级不断提升,对DC/DC变换器的可靠性和容错能力提出了更高要求。

该方法的核心价值在于其创新的故障诊断机制:通过桥臂电流与调制波的信号融合,无需额外传感器即可准确识别故障桥臂和故障类型,这显著降低了硬件成本和系统复杂度。更重要的是,其提出的容错运行策略能够在故障发生后主动调整调制波,快速定位并旁路故障子模块,最小化电压电流畸变,保障系统持续运行。这种"诊断-定位-隔离-恢复"的闭环机制,对提升阳光电源储能变流器和DC/DC产品的系统可用性具有直接意义。

从技术成熟度评估,该方法基于成熟的准两电平调制理论,算法复杂度适中,具备较好的工程化基础。然而,实际应用仍需关注几个挑战:多重故障场景下的诊断准确性、不同工况下的容错性能边界、以及与现有保护系统的协调配合。建议阳光电源研发团队可将此技术纳入下一代模块化储能PCS和高压DC/DC产品的预研计划,通过仿真验证和小批量测试评估其在实际工况下的表现,特别关注其在提升系统MTBF(平均故障间隔时间)方面的量化效益。