CN108872882B - 一种三电平级联逆变器的故障诊断装置及其诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三电平级联逆变器的故障诊断装置及其诊断方法，涉及电力电器故障诊断技术领域。该方法通过计算开路故障状态在满调制状态下一个桥臂的钳位电压平均值，建立故障数据库。将各桥臂钳位电压实时计算的平均值归算至满调制度，通过故障数据库进行归一化处理。对处理结果设定阈值，根据其是否满足阈值要求及调制波正半周对应钳位电压平均值与负半周对应钳位电压平均值的比较结果进行综合诊断。该方法仅计算在单管及双管故障状态下一个桥臂钳位电压的平均值，建立故障数据库，即可实现级联系统以桥臂为单元的实时故障诊断。对于既有级联逆变器为实现故障诊断仅需对各桥臂钳位点分别增加一个电压传感器，该方法对既有系统改动小成本低。

Description

一种三电平级联逆变器的故障诊断装置及其诊断方法

技术领域

本发明涉及电力电器故障诊断技术领域。

背景技术

三电平级联逆变器由于易于模块化和方便扩展性，且输出电压谐波含量低，减小了输出滤波电感、电容的体积和重量，因此，在高压大功率新能源发电等领域得到了广泛应用。然而，由于级联逆变器采用了较多的功率开关器件，且长期运行于高压、大电流及高温状态，因此，级联系统故障率较高，可靠性低。为了确保级联逆变器的安全可靠运行，对级联逆变器状态的监测不仅能够及时的排除故障，且有利于保证维护人员工作的展开，降低级联逆变器故障工作带来的经济损失。

级联逆变器功率开关器件的故障可分为开路故障和短路故障。功率开关器件的故障主要是由于驱动信号的错误所造成，最频发生的故障是功率开关器件的短路故障和开路故障。由于短路故障存在时间极短(通常在10us以内)而难以被诊断，一般采用硬件电路进行处理或加入快速熔丝将短路故障转化为开路故障，利用开路故障的诊断方法进行处理。因此，目前功率单元故障诊断的研究重点都集中于开关管的开路故障。级联逆变器发生开路故障时，往往可以继续运行一段时间，故障不易被察觉，若系统长期处于开路故障状态下运行，往往使得其它功率开关器件发生过流，进一步引发过热和绝缘损坏，导致系统崩溃。因此，级联逆变器功率开关器件的开路故障也急需处理。

目前，基于电力电子变换器的综合故障诊断方法主要包括：(1)基于特征提取的方法，常采用数学变换或信号处理的方法对变换器提取特征信息，根据特征信息进行故障诊断。频谱分析法和小波分析法是目前最常用的特征提取方法。但频谱分析和小波分析在实际的编程实现中较为困难，因此，目前阶段主要还是停留在理论。(2)模式识别法，是将现代智能识别分类技术应用于电力电子技术中，具有通用性强、故障诊断率高的优点。目前模式识别方法主要有支持向量机、神经网络法、专家系统法。(3)解析模型法，是利用电力电子电路的解析模型求取残差，以便完成故障诊断。但解析模型的方法只适用于特定的电路，通用性较差。(4)基于电量检测的诊断方法，是利用当电路中的某个功率开关器件发生开路故障时，输出电压电流信号将产生畸变的信号特征。根据不同故障模型下输出信号发生的畸变呈现规律性变化，实现故障诊断。

发明内容

本发明的目的是提供一种三电平级联逆变器的故障诊断装置，它能有效地解决三电平级联逆变器技术故障的诊断问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，具体方案是：一种三电平级联逆变器的故障检测装置，包括三电平级联逆变器，三电平级联逆变器的具体结构为N个三电平逆变器单元串联，单元1的1a端口与负载的L端口相连，单元1的1b端口与单元2的2a端口相连，单元2的2b端口与单元3的3a端口相连，以此类推；单元i的ia端口与i-1单元的(i-1)b端口相连，单元i的ib端口与单元i+1的(i+1)a端口相连，以此类推，单元N的Na端口与单元N-1的(N-1)b端口相连，单元N的Nb端口与负载G端相连，i∈[1,N]；其特征在于：对N个三电平逆变器单元A相桥臂和B相桥臂的钳位点并接电压传感器，以实现级联逆变器所有桥臂的状态监测；对于三电平逆变器单元i，A相桥臂的钳位点为d_ai点与c_ai点并接电压传感器V_i1，B相桥臂的钳位点为d_bi点与c_bi点并接电压传感器V_i2，i∈[1,N]；首先，核心控制器FPGA独立运行产生驱动信号，并将驱动信号通过驱动电路与桥臂功率开关器件Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3和Sb4连接，控制级联逆变器的正常运行，同时并接在A相桥臂钳位点的电压传感器V_i1和并接在B相桥臂钳位点的电压传感器V_i2用于采集三电平级联逆变器各单元桥臂钳位点的电压信号，将该电压信号输入AD芯片的模拟量输入端口，经过AD芯片的转换，AD的数字信号输出端口与核心控制器FPGA的IO端口连接，核心控制器FPGA将采集到的数字信号利用故障诊断程序对级联逆变器桥臂钳位点的电压量进行处理；核心控制器FPGA将故障诊断结果通过IO口传输至液晶显示屏，实时显示级联逆变器工作状态。

本发明的另一个目的是提供一种三电平级联逆变器的故障诊断方法，它能有效地解决三电平级联逆变器故障诊断的技术问题。

本发明的另一个目的是通过以下技术方案来实现的，具体方案是：一种三电平级联逆变器的故障诊断方法，级联逆变器单元内的A相桥臂的功率开关器件记为Sa1、Sa2、Sa3、Sa4，B相桥臂的功率开关器件记为Sb1、Sb2、Sb3、Sb4；对三电平级联逆变器的单管及双管开路故障以桥臂为基点进行诊断，具体的诊断步骤如下：

a)设三电平级联逆变器的每个逆变器单元内，A相桥臂与B相桥臂采用相同频率载波和调制波，且A相桥臂与B相桥臂的载波和调制波相位相差180°；当A相桥臂与B相桥臂的功率开关器件处于相同运行状态时，两桥臂钳位电压平均值相同；而级联单元之间仅载波移相π/N，N为级联单元个数；由于，级联逆变器单元之间各桥臂的状态相同时，级联逆变器单元间任意两桥臂的钳位电压平均值也相同；故对级联逆变器各单元A相桥臂和B相桥臂的钳位点安装电压传感器对故障信息进行采集；

b)对级联逆变器单元中桥臂钳位点的电压分析，以桥臂为基点，将桥臂功率开关器件的状态分为三类：一、功率开关器件均正常；二、在Sx1和Sx4同时故障或者Sx2和Sx3同时故障的情况下，定义为Ⅰ类故障；三、在Sx1故障与Sx4故障对应或者Sx2故障与Sx3故障对应、Sx1和Sx2同时故障与Sx3和Sx4同时故障对应或者Sx1和Sx3同时故障与Sx2和Sx4同时故障对应的情况下，定义为Ⅱ类故障；其中，x取值a或b，因每种故障类型具有平均值不同的特征，相对应的两种故障类型之间具有平均值相同的特征，而没有对应的故障类型之间具有平均值不同的特征，对三种类型的共十种故障类型的故障状态和正常状态的钳位电压在满调制度下计算平均值，并对Ⅱ类故障中相对应两种故障的类型将调制波正半周对应钳位电压平均值和调制波负半周对应钳位电压平均值的计算结果进行比较，将比较结果和计算得到的平均值存储于控制器作为故障数据库；定义级联逆变器单元中桥臂的功率开关器件函数为：

u_a为调制波，根据级联逆变器单元中桥臂的功率开关器件函数，设t_p为p开关状态切换至+o开关状态时间点；t_+o为+o开关状态切换至-o开关状态时间点；t_-o为-o开关状态切换至n开关状态时间点；t_n为n开关状态切换至p开关状态的时间点；计算钳位电压平均值为：

调制波正半周对应的钳位电压平均值为：

调制波负半周对应的钳位电压平均值为：

其中，m_f为载波比，为求和上界，j＝1为求和下界，T为调制波周期，V_cd(t)为钳位点电压实时值，V_{cd_mean}为钳位电压平均值，V_{cd_mean_P}为调制波正半周对应的钳位电压平均值，V_{cd_mean_N}为调制波负半周对应的钳位电压平均值；

c)通过对钳位电压进行实时检测，首先将计算得到的平均值进行调制度归算，即将计算得到的平均值与级联逆变器的调制度作除法运算，归算至该状态下满调制度对应平均值；其次，将归算以后的平均值与系统故障数据库中所有故障数据依次作除法运算进行归一化处理，并考虑平均值计算误差，设定上限为1.1，下限为0.9的阈值；当归一化得到的数值属于Ⅰ类故障时，即表明桥臂处于Ⅰ类故障中某一具体故障状态，输出故障诊断结果；当归一化得到的数值属于Ⅱ类故障时，再根据一个调制波周期内正半周期对应的钳位电压平均值与负半周期对应的钳位电压平均值的比较结果，调用系统故障数据库中相对应的两种类型故障的预期比较结果，对Ⅱ类故障类型中相对应的两种故障进一步诊断，得到并输出故障诊断结果。

与现有技术相比，本发明的显著增益效果是：

1、与硬件诊断相比，均值计算方法只需要在既有级联逆变器系统上增加电压传感器，因此对于既有运行系统无需增加复杂的电路结构，改动较小成本较低；

2、与其它软件诊断方法相比，如神经网络等，该方法计算量小，且对于整个级联系统只需在故障状态下对一个桥臂的钳位电压进行平均值计算建立故障数据库，即可完成整个级联逆变器系统以桥臂为单元的所有单管和双管开路故障诊断；

3、仅对桥臂钳位电压实时检测并计算平均值，即可实现级联逆变器实时的在线故障诊断。

4、该装置可将三电平级联逆变器各桥臂的钳位电压进行监控，并将各桥臂的状态数据显示于显示屏上，便于查看级联逆变器的状态。

附图说明

图1是本发明所应用的三电平级联逆变器拓扑结构图。

图2是本发明所应用的三电平级联逆变器故障诊断流程图。

图3是本发明故障诊断装置结构框图。

图4是本发明桥臂的钳位电压的仿真波形图，其中图4(a)为正常情况下A相桥臂的钳位电压；图4(b)为Sa1故障时，A相桥臂的钳位电压；图4(c)为Sa2故障时，A相桥臂的钳位电压；图4(d)为Sa3故障时，A相桥臂的钳位电压；图4(e)为Sa4故障时，A相桥臂的钳位电压；图4(f)为Sa1和Sa2故障时，A相桥臂的钳位电压；图4(g)为Sa1和Sa3故障时，A相桥臂的钳位电压；图4(h)为Sa1和Sa4故障时，A相桥臂的钳位电压；图4(i)为Sa2和Sa3故障时，A相桥臂的钳位电压；图4(j)为Sa2和Sa4故障时，A相桥臂的钳位电压；图4(k)为Sa3和Sa4故障时，A相桥臂的钳位电压。

图5是本发明故障诊断波形图，其中图5(a)为Sa1故障时，故障诊断结果；图5(b)为Sa2故障时，故障诊断结果；图5(c)为Sa3故障时，故障诊断结果；图5(d)为Sa4故障时，故障诊断结果；图5(e)为Sa1和Sa2故障时，故障诊断结果；图5(f)为Sa1和Sa3故障时，故障诊断结果；图5(g)为Sa1和Sa4故障时，故障诊断结果；图5(h)为Sa2和Sa3故障时，故障诊断结果；图5(i)为Sa2和Sa4故障时，故障诊断结果；图5(j)为Sa3和Sa4故障时，故障诊断结果。

具体实施方式

本发明所提供的一种三电平级联逆变器的故障诊断装置，包括三电平级联逆变器，图1所示的三电平级联逆变器的具体结构为N个三电平逆变器单元串联，单元1的1a端口与负载的L端口相连，单元1的1b端口与单元2的2a端口相连，单元2的2b端口与单元3的3a端口相连，以此类推；单元i的ia端口与i-1单元的(i-1)b端口相连，单元i的ib端口与单元i+1的(i+1)a端口相连，以此类推，单元N的Na端口与单元N-1的(N-1)b端口相连，单元N的Nb端口与负载G端相连，i∈[1,N]；对N个三电平逆变器单元A相桥臂或B相桥臂的钳位点并接电压传感器，以实现级联逆变器所有桥臂的状态监测；对于三电平逆变器单元i，A相桥臂的钳位点为d_ai点与c_ai点并接电压传感器V_i1，B相桥臂的钳位点为d_bi点与c_bi点并接电压传感器V_i2(LV25-P)，i∈[1,N]；其故障诊断装置结构框图如图3所示，首先，核心控制器FPGA(CoreEP4CE10)独立运行产生驱动信号，并将该驱动信号通过驱动电路与桥臂功率开关器件Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3和Sb4连接，控制级联逆变器的正常运行。同时，并接在A相桥臂钳位点的电压传感器V_i1和并接在B相桥臂钳位点的电压传感器V_i2是用于采集三电平级联逆变器各单元桥臂钳位点的电压信号，将该电压信号输入AD芯片(AD7606)的模拟量输入端口，经过AD芯片的转换，AD的数字信号输出端口与核心控制器FPGA的IO端口连接，核心控制器FPGA将采集到的数字信号利用故障诊断程序对级联逆变器桥臂钳位点的电压量进行处理；核心控制器FPGA将故障诊断结果通过IO口传输至液晶显示屏(RisymLCD12864)，实时显示级联逆变器工作状态。

本发明所提供的一种三电平级联逆变器的故障诊断方法，其应用的拓扑结构图为图1所示，单元1的1a端口相连负载的L端口，单元1的1b端口相连单元2的2a端口，单元2的2b端口相连单元3的3a端口，以此类推；单元i的ia端口相连i-1单元的(i-1)b端口，单元i的ib端口相连单元i+1的(i+1)a端口，以此类推；单元N的Na端口相连单元N-1的(N-1)b端口，单元N的Nb端口相连负载G端。对于任意单元i，A相桥臂的钳位电压为d_ai点与c_ai点之间的电压，B相桥臂的钳位电压为d_bi点与c_bi点之间的电压，i∈[1,N]。图2为级联逆变器任意桥臂功率开关器件故障诊断流程图。图4为各故障状态下桥臂钳位点电压的仿真波形，桥臂功率开关器件的状态类型如表1所示，定义级联逆变器单元中桥臂开关函数为：

u_a为调制波，根据级联逆变器单元中桥臂的开关函数，设t_p为p开关状态切换至+o开关状态时间点；t_+o为+o开关状态切换至-o开关状态时间点；t_-o为-o开关状态切换至n开关状态时间点；t_n为n开关状态切换至p开关状态的时间点。计算钳位电压平均值为：

调制波正半周对应的钳位电压平均值为：

调制波负半周对应的钳位电压平均值为：

其中，m_f为载波比，为求和上界；j＝1为求和下界，T为调制波周期，V_cd为钳位点电压实时值，V_{cd_mean}为钳位电压平均值，V_{cd_mean_P}为调制波正半周对应的钳位电压平均值，V_{cd_mean_N}为调制波负半周对应的钳位电压平均值。

表1

通过计算所有故障类型在满调制度状态下的平均值，建立故障数据库。对桥臂的钳位电压实时检测并进行均值计算，并将平均值通过系统调制度归算到满调制度状态下的平均值。然后将归算后的平均值与故障数据库的所有故障数据进行归一化处理，并考虑实际情况下均值计算等的误差，设定一定的阈值。当故障判定为Ⅰ类故障时，直接输出诊断结果；当判定为Ⅱ类故障时，对调制波正半周对应的钳位电压平均值与调制波负半周对应的钳位电压平均值比较结果进行分析，进一步判定故障类型，最终精确输出诊断结果。诊断结果如图5所示，图中①表示故障发生时间点，②表示正常状态切换至故障状态输出信号，③表示故障桥臂的钳位电压，④表示级联系统输出电压。S1表示Sa1故障诊断输出信号，S2表示Sa2故障诊断输出信号，S3表示Sa3故障诊断输出信号，S4表示Sa4故障诊断输出信号，S1、S2表示Sa1、Sa2同时故障诊断输出信号，S1、S3表示Sa1、Sa3同时故障诊断输出信号，S1、S4表示Sa1、Sa4同时故障诊断输出信号，S2、S3表示Sa2、Sa3同时故障诊断输出信号，S2、S4表示Sa2、Sa4同时故障诊断输出信号，S3、S4表示Sa3、Sa4同时故障诊断输出信号。

Claims (1)

1.一种三电平级联逆变器的故障诊断方法，级联逆变器单元内的A相桥臂的功率开关器件记为Sa1、Sa2、Sa3、Sa4，B相桥臂的功率开关器件记为Sb1、Sb2、Sb3、Sb4；对三电平级联逆变器的单管及双管开路故障以桥臂为基点进行诊断，具体的诊断步骤如下：

a)设三电平级联逆变器的每个逆变器单元内，A相桥臂与B相桥臂采用相同频率载波和调制波，且A相桥臂与B相桥臂的载波和调制波相位相差180°；当A相桥臂与B相桥臂的功率开关器件处于相同运行状态时，两桥臂钳位电压平均值相同；而级联单元之间仅载波移相π/N，N为级联单元个数；由于，级联逆变器单元之间各桥臂的状态相同时，级联逆变器单元间任意两桥臂的钳位电压平均值也相同；故对级联逆变器各单元A相桥臂和B相桥臂的钳位点安装电压传感器对故障信息进行采集；

b)对级联逆变器单元中桥臂钳位点的电压分析，以桥臂为基点，将桥臂功率开关器件的状态分为三类：一、功率开关器件均正常；二、在Sx1和Sx4同时故障或者Sx2和Sx3同时故障的情况下，定义为Ⅰ类故障；三、在Sx1故障与Sx4故障对应或者Sx2故障与Sx3故障对应、Sx1和Sx2同时故障与Sx3和Sx4同时故障对应或者Sx1和Sx3同时故障与Sx2和Sx4同时故障对应的情况下，定义为Ⅱ类故障；其中，x取值a或b，因每种故障类型具有平均值不同的特征，相对应的两种故障类型之间具有平均值相同的特征，而没有对应的故障类型之间具有平均值不同的特征，对三种类型的共十种故障类型的故障状态和正常状态的钳位电压在满调制度下计算平均值，并对Ⅱ类故障中相对应两种故障的类型将调制波正半周对应钳位电压平均值和调制波负半周对应钳位电压平均值的计算结果进行比较，将比较结果和计算得到的平均值存储于控制器作为故障数据库；定义级联逆变器单元中桥臂的功率开关器件函数为：

u_a为调制波，根据级联逆变器单元中桥臂的功率开关器件函数，设t_p为p开关状态切换至+o开关状态时间点；t_+o为+o开关状态切换至-o开关状态时间点；t_-o为-o开关状态切换至n开关状态时间点；t_n为n开关状态切换至p开关状态的时间点；计算钳位电压平均值为：

调制波正半周对应的钳位电压平均值为：

调制波负半周对应的钳位电压平均值为：

其中，m_f为载波比，为求和上界，j＝1为求和下界，T为调制波周期，V_cd(t)为钳位点电压实时值，V_{cd_mean}为钳位电压平均值，V_{cd_mean_P}为调制波正半周对应的钳位电压平均值，V_{cd_mean_N}为调制波负半周对应的钳位电压平均值；

c)通过对钳位电压进行实时检测，首先将计算得到的平均值进行调制度归算，即将计算得到的平均值与级联逆变器的调制度作除法运算，归算至该状态下满调制度对应平均值；其次，将归算以后的平均值与系统故障数据库中所有故障数据依次作除法运算进行归一化处理，并考虑平均值计算误差，设定上限为1.1，下限为0.9的阈值；当归一化得到的数值属于Ⅰ类故障时，即表明桥臂处于Ⅰ类故障中某一具体故障状态，输出故障诊断结果；当归一化得到的数值属于Ⅱ类故障时，再根据一个调制波周期内正半周期对应的钳位电压平均值与负半周期对应的钳位电压平均值的比较结果，调用系统故障数据库中相对应的两种类型故障的预期比较结果，对Ⅱ类故障类型中相对应的两种故障进一步诊断，得到并输出故障诊断结果。