CN107703415B - 一种两电平三相四线制d-statcom主回路开关器件开路故障定位方法 - Google Patents

一种两电平三相四线制d-statcom主回路开关器件开路故障定位方法 Download PDF

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Abstract

一种两电平三相四线制D‑STATCOM主回路开关器件开路故障定位方法，属于逆变器开关器件故障诊断领域。通过采集D‑STATCOM的三相输出电流和电压信号，并通过三相输出电流和电压信号获得无功功率，将无功功率归一化得到故障特征，与设定阈值进行比较来定位故障所在相。检测步骤简单，检测效率高，不受负载突变的影响，可靠性高，解决了现有方法难以区分IGBT和二极管开路故障的难题。

Description

一种两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件开路故障 定位方法
技术领域
本发明涉及一种两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件开路故障定位方法，属于逆变器故障诊断领域。
背景技术
逆变器在工业生产中的应用越来越广泛。逆变器必然要用到高开关频率的功率开关器件。据一项来自80个公司超过200份调查的统计，功率器件故障占据变频器故障的60％以上，因此对故障功率器件进行快速的定位，对于逆变器至关重要。
目前已经有了很多逆变器功率器件故障诊断方法，以电流检测最为常用，如PARK矢量法、电流矢量轨迹法等。然而这些方法只适用与变频调速系统，不适用于D-STATCOM(静止无功补偿器)，原因是因为变频调速系统其交流侧接的是电机，属于感性负载，而且是三相平衡负载。但对于D-STATCOM，由于低压400V低压配网大量的单相负荷,D-STATCOM大多运行在三相不平衡工况下,故这些判断方法的准确性大大降低了。功率开关器件开路故障包括IGBT开路和续流二极管开路两类，由于上管IGBT和下管二极管的电流方向始终一致，故上述基于电流量的诊断方法无法进一步区分IGBT和二极管的开路故障。因此功率器件故障判断难度很大，目前缺少准确快速判断D-STATCOM主回路开关器件故障的方法。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种方法简单，检测准确效率高，不受负载突变的影响，解决了现有方法难以区分IGBT和二极管开路故障的难题的两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件开路故障定位方法。
为实现上述技术目的，本发明的两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件开路故障定位方法，其步骤如下：
两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件开路故障定位方法，其特征在于步骤如下：
步骤一、采集两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件的模拟量信号：利用电流互感器采集D-STATCOM三相输出电流il(k),(l∈(a,b,c))，利用电压互感器采集交流侧电网三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))，其中il(k)为D-STATCOM的l(l∈(a,b,c))相输出电流，ul(k)为与il(k)同时刻采样的该相网侧电压；
步骤二、将获取的每相l(l∈(a,b,c))网侧电压的一个检测周期平均分成四个区间：区间Ⅰ、区间Ⅱ、区间Ⅲ、区间Ⅳ，四个区间的三相网侧电压分别与三相输出电流相匹配，获得与三相网侧电压四个区间分别对应的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV，利用三相网侧电压四个区间分别对应的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV获得D-STATCOM主回路开关的三相正半波的无功功率Ql +和三相负半波的无功功率Ql -；
步骤三：根据D-STATCOM主回路开关器件的三相正、负半波的无功功率
Figure GDA0001455089030000021
提取故障特征值
Figure GDA0001455089030000022
得到的6个故障特征值
Figure GDA0001455089030000023
都分别对应一个IGBT或二极管的工作状况；
步骤四：根据得到的6个特征值
Figure GDA0001455089030000024
判断故障所在相，当6个特征值
Figure GDA0001455089030000025
任一特征值出现在判断阈值区间内时，则通过出现在阈值区间内的特征值
Figure GDA0001455089030000026
判断当前特征值对应的相故障，否则返回步骤一；
步骤五：利用一个检测周期四个区间的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV计算故障相l电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))，利用故障相l的电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))进一步判断具体是故障相上的IGBT开路或是续流二极管开路故障。
所述每相l(l∈(a,b,c))网侧电压的一个检测周期分成的四个区间，区间I的网侧电压相位为90～180度，区间II的网侧电压相位为180～270度，区间III的网侧电压相位为270～360度，区间IV的网侧电压相位为0～90度。
所述三相正半波的无功功率Ql +和三相负半波的无功功率Ql -通过公式：
Figure GDA0001455089030000027
获得，并且利用如下公式计算D-STATCOM主回路开关器件每相正负半波的无功功率：
Figure GDA0001455089030000028
式中：k为采集交流侧电网三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))的第k个采样点,il(k),(l∈(a,b,c))为与三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))同时刻采样的三相电流值，每个周期采样点数为N，N为4的倍数。
所述故障特征值
Figure GDA00014550890300000218
通过公式：
Figure GDA0001455089030000029
计算得到6个故障特征值
Figure GDA00014550890300000210
6个故障特征值
Figure GDA00014550890300000211
分别对应一个IGBT或二极管的工作状况，式中m为区分上下开关管的特征量，当m＝+，Fl +对应上管IGBT和下管二极管；当m＝-,
Figure GDA00014550890300000219
对应下管IGBT和上管二极管。
所述判断故障特征值
Figure GDA00014550890300000213
故障所在相的阈值区间α＝0.2，β＝-0.2，当ε<0.8时，若
Figure GDA00014550890300000214
判定l(l∈(a,b,c))相故障，利用公式：
Figure GDA00014550890300000215
计算负荷不平衡度ε，I2为负荷三相电流的负序分量，I1为负荷三相电流的正序分量；
当无故障时，所述6个故障特征值
Figure GDA00014550890300000216
的值在感性工况下近似为1，故障特征值
Figure GDA00014550890300000217
在容性工况下近似为-1；发生开关管开路时，该开关管对应的故障特征值
Figure GDA0001455089030000031
的值接近0，因此，为了保证正确性应当将阈值设置的尽可能小，为避免较小的阈值导致负载突变时的误诊，当设置阈值α＝0.2，β＝-0.2时不受到负载突变的影响。
若-0.2＜Fl +＜0，判断D-STATCOM主回路开关器件为容性工况，l相上管IGBT或下管续流二极管开路；若
Figure GDA0001455089030000033
则判断D-STATCOM主回路开关器件为容性工况，l相下管IGBT或上管续流二极管开路；若0＜Fl +＜0.2，则判断D-STATCOM主回路开关器件为感性工况，l相上管IGBT或下管续流二极管开路；若
Figure GDA0001455089030000035
则判断为感性工况，l相下管IGBT或上管续流二极管开路。
利用公式：
Figure GDA0001455089030000036
计算故障相l电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))，并为无功功率差dlx的阈值区间设定感性容性阈值γ＝0，利用下表：
Figure GDA0001455089030000037
来进一步判断IGBT开路或是续流二极管开路完成诊断。
有益效果：本申请的通过采集两电平三相四线制D-STATCOM的三相输出电流和电压信号，并通过三相输出电流和电压信号获得无功功率，利用无功功率获得故障特征值通过故障特征值的阈值区间判断出静止无功补偿器主回路开关器件的故障原件，检测步骤简单，检测效率高，不受负载突变的影响，可靠性高，解决了现有方法难以区分IGBT和二极管开路故障的难题。
附图说明
图1为本发明的三相四线制两电平D-STATCOM电气拓扑图。
图2为本发明的三相四线制两电平D-STATCOM的发生a相上管IGBT开路时，特征值
Figure GDA0001455089030000038
与负荷率的曲线图。
图3为本发明的三相四线制两电平D-STATCOM的发生a相下管二极管开路时，特征值
Figure GDA0001455089030000039
与负荷率的曲线图。
图4为本发明的三相四线制两电平D-STATCOM在感性工况下，发生a相上管IGBT开路(左)，及a相下管二极管开路(右)时，特征值
Figure GDA0001455089030000041
与不平衡度ε的曲线图。
图5为本发明的三相四线制两电平D-STATCOM在容性工况下，发生a相上管IGBT开路(左)，及a相下管二极管开路(右)时，特征值
Figure GDA0001455089030000042
与不平衡度ε的曲线图。
图6为本发明的三相四线制两电平D-STATCOM的检测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对实施例做进一步说明：
如图1和图6所示，本发明的两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件开路故障定位方法，其步骤如下：
步骤一、采集两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件的模拟量信号：利用电流互感器采集D-STATCOM三相输出电流il(k),(l∈(a,b,c))，利用电压互感器采集交流侧电网三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))，其中il(k)为D-STATCOM的l(l∈(a,b,c))相输出电流，ul(k)为与il(k)同时刻采样的该相网侧电压ul(k)为与il(k)同时刻采样的该相网侧电压，k为第k个采样点,一个周期采样点数为N，为4的倍数；
步骤二、将获取的每相l(l∈(a,b,c))网侧电压的一个检测周期平均分成四个区间：区间Ⅰ、区间Ⅱ、区间Ⅲ、区间Ⅳ，区间I的网侧电压相位为90～180度，区间II的网侧电压相位为180～270度，区间III的网侧电压相位为270～360度，区间IV的网侧电压相位为0～90度，四个区间的三相网侧电压分别与三相输出电流相匹配，获得与三相网侧电压四个区间分别对应的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV，利用三相网侧电压四个区间分别对应的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV获得D-STATCOM主回路开关的三相正半波的无功功率Ql +和三相负半波的无功功率Ql -；
所述三相正半波的无功功率Ql +和三相负半波的无功功率Ql -通过公式：
Figure GDA0001455089030000043
获得，并且利用如下公式计算D-STATCOM主回路开关器件每相正负半波的无功功率：
Figure GDA0001455089030000044
式中：k为采集交流侧电网三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))的第k个采样点,il(k),(l∈(a,b,c))为与三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))同时刻采样的三相电流值，每个周期采样点数为N，N为4的倍数；
步骤三：根据D-STATCOM主回路开关器件的三相正、负半波的无功功率Ql +，Ql -提取故障特征值
Figure GDA00014550890300000524
得到的6个故障特征值
Figure GDA0001455089030000052
都分别对应一个IGBT或二极管的工作状况；所述故障特征值
Figure GDA0001455089030000053
通过公式：
Figure GDA0001455089030000054
计算得到6个故障特征值
Figure GDA0001455089030000055
6个故障特征值
Figure GDA0001455089030000056
分别对应一个IGBT或二极管的工作状况，式中m为区分上下开关管的特征量，当m＝+，Fl +对应上管IGBT和下管二极管；当m＝-,
Figure GDA0001455089030000058
对应下管IGBT和上管二极管；
步骤四：根据得到的6个特征值
Figure GDA0001455089030000059
判断故障所在相，当6个特征值
Figure GDA00014550890300000510
任一特征值出现在判断阈值区间内时，则通过出现在阈值区间内的特征值
Figure GDA00014550890300000511
判断当前特征值对应的相故障，否则返回步骤一；所述判断故障特征值
Figure GDA00014550890300000512
故障所在相的阈值区间α＝0.2，β＝-0.2，当ε<0.8时，若
Figure GDA00014550890300000513
判定l(l∈(a,b,c))相故障，利用公式：
Figure GDA00014550890300000514
计算负荷不平衡度ε，I2为负荷三相电流的负序分量，I1为负荷三相电流的正序分量；
当无故障时，所述6个故障特征值
Figure GDA00014550890300000515
的值在感性工况下近似为1，故障特征值
Figure GDA00014550890300000516
在容性工况下近似为-1；发生开关管开路时，该开关管对应的故障特征值
Figure GDA00014550890300000517
的值接近0，因此，为了保证正确性应当将阈值设置的尽可能小，为避免较小的阈值导致负载突变时的误诊，当设置阈值α＝0.2，β＝-0.2时不受到负载突变的影响；
若
Figure GDA00014550890300000518
判断D-STATCOM主回路开关器件为容性工况，l相上管IGBT或下管续流二极管开路；若
Figure GDA00014550890300000519
则判断D-STATCOM主回路开关器件为容性工况，l相下管IGBT或上管续流二极管开路；若
Figure GDA00014550890300000520
则判断D-STATCOM主回路开关器件为感性工况，l相上管IGBT或下管续流二极管开路；若
Figure GDA00014550890300000521
则判断为感性工况，l相下管IGBT或上管续流二极管开路；
除轻载状态下，当不平衡度ε<0.8时,均可以准确判断故障所在相，但无法进一步定位IGBT开路或是二极管开路，见图2、图3、图4和图5；
步骤五：利用一个检测周期四个区间的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV计算故障相l电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))，利用故障相l的电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))进一步判断具体是故障相上的IGBT开路或是续流二极管开路故障；
利用公式：
Figure GDA00014550890300000522
计算故障相l电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))，并为无功功率差dlx的阈值区间设定感性容性阈值γ＝0，利用下表：
Figure GDA00014550890300000523
Figure GDA0001455089030000061
来进一步判断IGBT开路或是续流二极管开路完成诊断。
以三相中的a相上管IGBT开路和下管二极管开路为例，如步骤二所述，将一个周期的ia(k)依据a相电压的相位划分为I,II,III,IV4个区间。感性工况下，发生上管IGBT开路时，区间I的电流基本为0，区间II只有少部分电流由二极管续流,此时，必有da0>0。而当下二极管开路时，则有区间II的电流基本为0，但区间I有少许经上管IGBT导通的正向电流，此时，必有da0<0。同理，容性工况下，当发生上管IGBT开路时，区间IV的电流几乎为0，区间III有少许经下二极管开路续流的正向电流，与感性工况不同，容性工况下计算所得无功功率为负，故此时，必有da1>0；当发生下二极管开路时，区间III的电流几乎为0，区间IV有少许由上管IGBT导通的正向电流，故此时有da1<0。除去轻载状态下，在不平衡度ε<0.8时，本方法均可按照上表所述区分IGBT和二极管的开路故障，见图4和图5。a相下管IGBT开路和上二极管开路时，判断方法类似，不再赘述。

Claims (6)

1.一种两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件开路故障定位方法，其特征在于步骤如下：
步骤一、采集两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件的模拟量信号：利用电流互感器采集D-STATCOM三相输出电流il(k),(l∈(a,b,c))，利用电压互感器采集交流侧电网三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))，其中il(k)为D-STATCOM的l(l∈(a,b,c))相输出电流，ul(k)为与il(k)同时刻采样的该相网侧电压；
步骤二、将获取的每相l(l∈(a,b,c))网侧电压的一个检测周期平均分成四个区间：区间Ⅰ、区间Ⅱ、区间Ⅲ、区间Ⅳ，四个区间的三相网侧电压分别与三相输出电流相匹配，获得与三相网侧电压四个区间分别对应的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV，利用三相网侧电压四个区间分别对应的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV获得D-STATCOM主回路开关的三相正半波的无功功率Ql +和三相负半波的无功功率Ql -；
步骤三：根据D-STATCOM主回路开关器件的三相正、负半波的无功功率Ql +,Ql -提取故障特征值Fl m，得到的6个故障特征值Fl m都分别对应一个IGBT或二极管的工作状况；
步骤四：根据得到的6个特征值Fl m判断故障所在相，当6个特征值Fl m任一特征值出现在判断阈值区间内时，则通过出现在阈值区间内的特征值Fl m判断当前特征值对应的相故障，否则返回步骤一；
步骤五：利用一个检测周期四个区间的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV计算故障相l电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))，利用故障相l的电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))进一步判断具体是故障相上的IGBT开路或是续流二极管开路故障；
利用公式：
Figure FDA0002286298930000011
计算故障相l电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))，并为无功功率差dlx的阈值区间设定感性容性阈值γ＝0，利用下表：
Figure FDA0002286298930000012
来进一步判断IGBT开路或是续流二极管开路完成诊断。
2.根据权利要求1所述的两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件开路故障定位方法，其特征在于：所述每相l(l∈(a,b,c))网侧电压的一个检测周期分成的四个区间，区间I的网侧电压相位为90～180度，区间II的网侧电压相位为180～270度，区间III的网侧电压相位为270～360度，区间IV的网侧电压相位为0～90度。
3.根据权利要求1所述的两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件开路故障定位方法，其特征在于：所述三相正半波的无功功率Ql +和三相负半波的无功功率Ql -通过公式：
Figure FDA0002286298930000021
获得，并且利用如下公式计算D-STATCOM主回路开关器件每相正负半波的无功功率：
Figure FDA0002286298930000022
式中：k为采集交流侧电网三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))的第k个采样点,il(k),(l∈(a,b,c))为与三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))同时刻采样的三相电流值，每个周期采样点数为N，N为4的倍数。
4.根据权利要求1所述的两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件开路故障定位方法，其特征在于所述故障特征值Fl m通过公式：
Figure FDA0002286298930000023
计算得到6个故障特征值Fl m，6个故障特征值Fl m分别对应一个IGBT或二极管的工作状况，式中m为区分上下开关管的特征量，当m＝+，Fl +对应上管IGBT和下管二极管；当m＝-,Fl -对应下管IGBT和上管二极管。
5.根据权利要求1所述的两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件开路故障定位方法，其特征在于：所述判断故障特征值Fl m故障所在相的阈值区间α＝0.2，β＝-0.2，当ε<0.8时，若β<Fl m<α，判定l(l∈(a,b,c))相故障，利用公式：
Figure FDA0002286298930000024
计算负荷不平衡度ε，I2为负荷三相电流的负序分量，I1为负荷三相电流的正序分量；
当无故障时，所述6个故障特征值Fl m的值在感性工况下近似为1，故障特征值Fl m在容性工况下近似为-1；发生开关管开路时，该开关管对应的故障特征值Fl m的值接近0，因此，为了保证正确性应当将阈值设置的尽可能小，为避免较小的阈值导致负载突变时的误诊，当设置阈值α＝0.2，β＝-0.2时不受到负载突变的影响。
6.根据权利要求5所述的两电平三相四线制D-STATCOM主回路开关器件开路故障定位方法，其特征在于：若-0.2<Fl +<0，判断D-STATCOM主回路开关器件为容性工况，l相上管IGBT或下管续流二极管开路；若-0.2<Fl -<0，则判断D-STATCOM主回路开关器件为容性工况，l相下管IGBT或上管续流二极管开路；若0<Fl +<0.2，则判断D-STATCOM主回路开关器件为感性工况，l相上管IGBT或下管续流二极管开路；若0<Fl -<0.2，则判断为感性工况，l相下管IGBT或上管续流二极管开路。
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