CN104849689B - 一种级联多电平变流器直压传感器失灵预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种级联多电平变流器直压传感器失灵预警方法，在传统级联多电平变流器电路中添加高频电压互感器或高频电流互感器，对高频电压互感器或高频电流互感器检测到的信号进行信号调理；将调理后的信号进行AD采样；将采样后的信号进行滑窗FFT分析，提取目标频段信号幅值；确定阈值，判断幅值是否大于阈值，若大于阈值，则判定存在误差过大或失灵的直压传感器，进行停机检修。本发明的硬件部分仅包含一组高频电压互感器或高频电流互感器，结构简单，可靠性高，成本低，易于在老设备上进行此添加改造。本发明中的预警算法物理意义明确，可适用于采用各种不同载波调制方法的级联多电平变流器的直压传感器失灵预警。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子设备技术领域，尤其涉及一种级联多电平变流器直压传感器失灵预警方法。
背景技术
随着柔性直流输电和变频拖动的迅猛发展，大容量电力电子设备的需求日益增多，级联多电平变流器在STATCOM、SVG、中压变频器、大容量APF、UPFC和UPS等领域得到了广泛的应用。级联多电平变流器中各个单元的直流侧电容必须电气独立，这些独立直流电容上电压(直压)的均衡问题是级联多电平变流器的应用和研究过程中的一个不可回避的重要问题。
目前国内外级联多电平变流器均压技术主要包含以下4类：硬件均压、脉冲轮换、调整调制波角度和调整调制波幅值。但是这些均压方法都需要进行含有各单元直压反馈的闭环控制，其中必然需要使用直压传感器。如果直压传感器产生偏差，那么输入到均压控制环的直压反馈信号就和实际的直压值不符合，导致单元电容上的实际直压被控制在一个偏离目标值的水平。当直压传感器的偏差过大时，单元电容上的实际直压将与目标值之间存在较大偏差。并且由于直压传感器是观测直压的唯一方法，其失灵会导致单元电容上实际直压的偏离无法被设备的控制系统察觉，从而会导致运行故障和安全隐患。
由上可见，直压传感器失灵预警对于安全可靠运行的重要性，但是目前缺乏直压传感器失灵预警的相关技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种级联多电平变流器直压传感器失灵预警方法，在较少硬件的情况下提供了物理意义清晰，效果可靠的直压传感器失灵预警方法。
本发明采用的技术方案为：一种级联多电平变流器直压传感器失灵预警方法，依次包括以下步骤：
一，在传统级联多电平变流器的每一相交流输出端口与滤波电抗之间添加高频互感器，构成级联多电平变流器直压传感器失灵预警系统，高频互感器检测的频段涵盖级联多电平变流器单元的开关频率范围；
二，对高频互感器检测到的信号进行信号调理；
三，将调理后的信号进行AD采样；
四，将采样后的信号进行滑窗FFT分析，提取目标频段谐波信号，计算提取的谐波信号模的和，所述目标频段为以单个单元开关频率为中心，带宽为300Hz到单个单元开关频率之间的频段，所述单个单元开关频率为构成级联多电平变流器的一系列H桥单元中的一个单元独立运行时输出的PWM电压频率；
五，确定阈值，判断提取的谐波信号模的和是否大于阈值，若大于阈值，则判定存在误差过大或失灵的直压传感器，进行停机检修，所述的阈值大于在所有单元直压保持一致，级联多电平变流器正常输出时，该级联多电平变流器直压传感器失灵预警系统输出的目标频段谐波信号模之和。
所述的高频互感器为高频电压互感器。
所述的高频互感器为高频电流互感器。
步骤四中谐波信号的模之和采用计算谐波信号均方根的方法求取。
步骤四中谐波信号的模之和采用计算谐波信号平方和的方法代替。
本发明的硬件部分仅包含一组高频互感器，结构简单，可靠性高，成本低，易于在老设备上进行此添加改造。本发明中的预警算法物理意义明确，可适用于采用各种不同载波调制方法的级联多电平变流器的直压传感器失灵预警。
附图说明
图1为本发明添加高频电压互感器的电路原理框图；
图2为本发明添加高频电流互感器的电路原理框图；
图3为本发明的流程图。
具体实施方式
本发明依次包括以下步骤：
一，如图1和图2所示，在传统级联多电平变流器的每一相交流输出端口与滤波电抗L之间添加高频电压互感器或高频电流互感器，构成级联多电平变流器直压传感器失灵预警系统。高频电压互感器或高频电流互感器的检测频段需涵盖级联多电平变流器单元的开关频率范围，为避免由于滤波电抗L滤除检测频段的高频信号而影响分析结果的情况，高频电压互感器或高频电流互感器必须安装在靠近级联H桥单元端；图1和图2中，仅对级联多电平变流器的第一个单元详细画出了其电路结构，其他单元均简单示意，其中，级联多电平变流器中每一单元的直压传感器测得的直流侧电压表示为Udcg，下标dc代表直流，g＝1,2,3…n，n为级联多电平变流器的单元个数。
二，对高频电压互感器或高频电流互感器检测到的信号进行信号调理，去掉白噪声等干扰，把处理后的信号幅值变小到适合AD芯片采样的范围；
三，将调理后的信号进行AD采样；
四，将采样后的信号进行滑窗FFT分析，提取目标频段谐波信号，计算提取的谐波信号模的和，所述目标频段为以单个单元开关频率为中心，带宽为300Hz到单个单元开关频率之间的频段，所述单个单元开关频率为构成级联多电平变流器的一系列H桥单元中的一个单元独立运行时输出的PWM电压频率；
信号调理、AD采样和滑窗FFT分析方法均为现有技术。目前的级联多电平变流器采用的调制方法包括单极性倍频调制、单极性调制和双极性调制三种方法，虽然调制方法不同将使得谐波分布不同，但不改变谐波分布的基本特性，也不改变本专利方法的适用性。在此以在传统级联多电平变流器的每一相交流输出端口与滤波电抗L之间添加高频电压互感器作为示例，以最常用的单极性倍频调制方法为基础进行解释：
1)对采样后的信号进行双重傅里叶级数展开；
将在单极性倍频调制中使用的三角波载波用分段函数表示，且级联多电平变流器每一单元中两个桥臂的载波等大反相，故载波表示为：
其中，下标C代表载波；UC是三角载波的幅值；uC1是第一三角载波；uC2是第二三角载波；ωc是三角载波的角频率；αc是三角载波的初始相位；t是时间变量；h＝0,1,2,3…。
两个桥臂所使用的调制波信号相同，用正弦函数表示为：
uS＝USsin(ωSt+αS)
其中，下标S代表调制波；US是调制波的幅值；ωs是调制波的角频率；αs是调制波的初始相位，t是时间变量。
通过以上三角载波和调制波的数学表达式，可以求出级联多电平变流器中H桥单元输出的电压的PWM波表达式，进而进行双重傅里叶级数展开为：
其中，g＝1,2,3…n，n为级联多电平变流器的单元个数；ug是第g个H桥单元输出的PWM电压；M＝US/UC是调制比；UC是三角载波的幅值；US是调制波的幅值；下标dc代表直流，Udcg是第g个H桥单元的直流侧电压；ωs是调制波的角频率；ωc是三角载波的角频率；αs是调制波的初始相位；αc是三角载波的初始相位；Jk是k阶第一类Bessel函数；k＝±1,±3,±5…；m＝1,2,3…；m＝1时对应的最低次谐波带是以单个单元的开关频率2fc为中心的一组边频谐波，fc＝ωc/2π，fc是三角载波频率。
2)为使用向量图分析在多个单元级联后采用载波移向调制时的谐波消除原理，在此将级联多电平变流器中H桥输出的角频率为(2mωc+kωs)的谐波分量在以(2mωc+kωs)角频率同频旋转的坐标系中记为以下向量形式：
其中，附属下标ω＝2mωc+kωs表示角频率为(2mωc+kωs)的谐波；是角频率为(2mωc+kωs)的电压谐波向量；αcg是第g个单元的三角载波初始相位；αsg是第g个单元的调制波初始相位；g＝1,2,3…n，n为级联多电平变流器的单元个数。
3)由于级联之后的总输出电压是单个单元输出电压叠加的结果，因而得出输出电压中角频率为(2mωc+kωs)的谐波表达式为：
其中，Uo是级联多电平变流器总输出中一个单元的电压向量。
4)将3)中得到的总输出谐波中特定频段作为目标频段，该目标频段是：以单个单元开关频率2fc为中心，带宽为300Hz到2fc之间的频段。经过步骤四中的滑窗FFT变换，可以在工程上获得总输出信号的全部频谱信息；然后提取目标频段的谐波信号，求提取出的谐波信号模的和。
对于级联多电平变流器总输出电压中目标频段的谐波分量而言，在直压传感器正常工作时和直压传感器失灵时，表现出来的特性存在一定差异，下面对直压传感器失灵与否的两种情况分别进行阐述：
当直压传感器正常工作时，在均压控制的作用下，所有单元的直压基本相同，且各单元的调制波也几乎相同，那么在同一个谐波角频率(2mωc+kωs)下，所有单元输出的电压谐波幅值相同。当m≠n时，均匀载波移相调制使得所有谐波向量的角度均匀分布在一个圆周上，从而使得所有向量的和为0，意味着输出电压中角频率为(2mωc+kωs)的谐波信号被抵消。当m＝n时，所有谐波信号向量的角度相同，从而使得谐波信号向量的和为各个谐波信号向量幅值的线性叠加，输出电压中对应的谐波信号也是线性叠加关系。所以，在这种情况下等效开关频率可被提高到2nfc，因此单元开关频率次的谐波会被消除，即4)中提取的目标频段的谐波信号被消除，求得的目标频段谐波信号模之和很小。
当直压传感器失灵时，在得不到正确反馈的均压控制的作用下，直压传感器失灵的单元的直压与其他单元的直压将存在较大差异。那么在同一个角频率(2mωc+kωs)下，不同单元输出电压中同一频率的谐波信号幅值不再一致。即使通过均匀载波移相调制使得所有谐波信号向量在一个圆周上均匀分布，但是其和向量并不为零，因此任何频率的谐波信号都无法被消除，特别是单元开关频率附近的边频谐波信号幅值会较大，即4)中提取的目标频段的谐波信号没有被消除，求得的目标频段谐波信号模之和较大。
因此可用单个单元开关频率附近的边频谐波信号的幅值作为判断直压传感器是否失灵的依据。本发明的硬件结构部分中的高频电压互感器和预警算法中的滑窗FFT分析、目标频段谐波信号提取与求提取的谐波信号模之和就是为了获取单元开关频率附近的边频谐波信号的幅值。
五，确定阈值，判断提取的谐波信号模的和是否大于阈值，若大于阈值，则判定存在误差过大或失灵的直压传感器，进行停机检修，所述的阈值大于在所有单元直压保持一致，级联多电平变流器正常输出时，该级联多电平变流器直压传感器失灵预警系统输出的目标频段谐波信号模之和。
本发明阈值的确定涉及到实际现场中的很多因素，包括设备的硬件配置、所在环境的电磁干扰水平、传感器的精度、AD采样的精度、安全保护要求等等。实际操作中可以在设备安装就绪之后，正常启动设备，在确保级联多电平变流器各个单元实际直压一致的情况下，观察该级联多电平变流器直压传感器失灵预警系统输出的目标频段谐波信号模之和的值，将阈值设置得比该值大即可，考虑到抗干扰性能，建议阈值取为该值的两倍以上为宜。阈值的具体大小可依据不同级联多电平变流器硬件配置、调制方法、现场环境和安全保护要求等具体情况进行设置。
求目标频段谐波信号模之和只是获取目标频段谐波总大小指标的一种方法。利用滑窗FFT的结果求取目标频段谐波信号总大小指标的方法较多，除了求取模之和外还有求取目标频段谐波平方和、均方根等办法，采用不同的方法并不影响该专利的实质内容，均在该发明涵盖范围之内。
图3是本发明一种级联多电平变流器直压传感器失灵预警方法的预警算法示意图。其中输入电压信号U(或电流信号I)是图1或图2中高频电压互感器采集得到的信号。在U(或I)进行数字处理前需进行信号调理，具体调理过程不需要详述，本行业从业人员可以通过多种手段轻松实现。对U(或I)进行滑窗FFT分析后，提取以单元开关频率2fc为中心、带宽为300Hz到2fc之间的频带中的各次边频谐波，然后求该目标频段谐波模信号之和作为判断指标。例如：单元载波频率为600Hz,则单元的开关频率为1200Hz，则可提取FFT结果中频率为600Hz到1800Hz之间的谐波求取谐波信号模之和的值。当该目标频段谐波模之和的值超过设置的阈值时，判断存在直压传感器失灵的单元，需进行停机检修。
Claims (5)
1.一种级联多电平变流器直压传感器失灵预警方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
一，在级联多电平变流器的每一相交流输出端口与滤波电抗之间添加高频互感器，构成级联多电平变流器直压传感器失灵预警系统，高频互感器检测的频段涵盖级联多电平变流器单元的开关频率范围；
二，对高频互感器检测到的信号进行信号调理；
三，将调理后的信号进行AD采样；
四，将采样后的信号进行滑窗FFT分析，提取目标频段谐波信号，计算提取的谐波信号模的和，所述目标频段为以单个单元开关频率为中心，带宽为300Hz到单个单元开关频率之间的频段，所述单个单元开关频率为构成级联多电平变流器的一系列H桥单元中的一个单元独立运行时输出的PWM电压频率；
五，确定阈值，判断提取的谐波信号模的和是否大于阈值，若大于阈值，则判定存在误差过大或失灵的直压传感器，进行停机检修，所述的阈值大于在所有单元直压保持一致，级联多电平变流器正常输出时，该级联多电平变流器直压传感器失灵预警系统输出的目标频段谐波信号模之和。
2.根据权利要求1所述的一种级联多电平变流器直压传感器失灵预警方法，其特征在于：所述的高频互感器为高频电压互感器。
3.根据权利要求1所述的一种级联多电平变流器直压传感器失灵预警方法，其特征在于：所述的高频互感器为高频电流互感器。
4.根据权利要求1、2或3任一项所述的一种级联多电平变流器直压传感器失灵预警方法，其特征在于：步骤四中谐波信号的模之和采用计算谐波信号均方根的方法求取。
5.根据权利要求1、2或3任一项所述的一种级联多电平变流器直压传感器失灵预警方法，其特征在于：步骤四中谐波信号的模之和采用计算谐波信号平方和的方法求取。
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