CN108963980B - 一种基于故障隔离库的多模态故障隔离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于故障隔离库的多模态故障隔离方法，本方法的驱动信号由同相层叠‑正弦脉宽调制(Phase Disposition‑Sinusoidal Pulse Width Modulation,PD‑SPWM)算法产生。该多模态故障隔离方法是建立在一个故障隔离库的基础上，其中故障类型与故障隔离方法相对应。首先根据故障诊断的结果确定多电平级联逆变器故障IGBT的数量及位置，将故障诊断结果与故障隔离库作比较确定故障类型；此后，针对不同的故障类型按库启用不同的隔离策略。本发明的多模态故障隔离策略可以解决多种不同的故障类型，且针对不同的故障类型有最适合的的隔离方法与其相对应，这种故障与故障隔离方法相对应的策略相对简洁、实施效率高。
Description
技术领域：
本发明涉及电力电子领域中的一种基于故障隔离库的多模态故障隔离方法，尤其涉及到故障库的建立，尤其是针对不同的故障而使用不同的隔离方法的策略。
背景技术：
逆变器是一种通过半导体功率开关的开通和关闭动作，把直流电能转换成交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆变过程。逆变器在发电技术中占据着重要地位，无论是在使用常规化石能源的火力发电，还是使用清洁能源的风能、太阳能发电。随着环境污染和化石燃料危机的加剧，风能、太阳能等清洁能源的发展越发意义重大。因此逆变器在各系统的合理使用也引起越来越多的关注。
多电平级联逆变器含有大量的IGBT，且电平越高IGBT的数量越多。当IGBT发生故障时，逆变器的正常运行将受到影响。这将导致电气设备的电压不平衡和运行不稳定，甚至导致系统崩溃。因此，故障隔离之于多电平逆变器越来越重要。
本发明主要解决多电平逆变器故障隔离过程中遇到的以下问题：
1)某些隔离方法在电压降等方面具有优势，但却无法完成对所有故障类型的隔离；
2)某些隔离方法可以对所有的故障类型进行隔离，但对IGBT的利用率不高，导致其电压降过低；
3)某些隔离方法可以对所有的故障类型进行隔离，但需要额外的开关管(硬件)配合使用以完成隔离。
发明内容：
本发明提出一种基于故障隔离库的多模态故障隔离方法。根据故障隔离库的设置，针对不同的故障群，该方法将采用不同的隔离以实现输出电压的正弦性，最终达到维持系统的稳定性和可靠性的目的。该方法主要包括以下内容：
1.故障隔离库的建立
模态一是针对故障群I的故障，即两个IGBT分别故障在不同H桥、不同桥臂且不同组中。模态二是针对故障群II的故障，即非故障群I对应的故障。且单个H桥内的故障IGBT为1个或2个；若单个H桥内的故障开关管为2个，且此两个故障IGBT不同臂且不同组。模态三是针故障群III的故障，即非故障群I或II对应的故障。
2.模态一隔离策略
该故障隔离方法分为三部分，分别为故障桥内故障臂的隔离、故障桥内健康臂的重构和健康桥的重构。
(1)故障桥的故障桥臂的隔离
针对故障
其故障臂——第i个H桥的第j个故障桥臂的隔离算法如下所示：
其中，urefi表示无故障时第i个H桥的调制波，
表示被隔离后的故障桥臂的调制波。
(2)故障桥的健康桥臂的重构
其中，λi为第i个H桥的故障信号。当H桥故障时，其故障信号λi＝1；反之，则λi＝0。因为该隔离方法针对故障对——两个IGBT分别故障在不同H桥、不同桥臂且不同组中，设第f和g个H桥有故障，且f<g，则λf＝0而λg＝1。
(3)健康桥的重构
其中，
3.模态二隔离策略
该故障隔离方法分为三部分，分别为故障桥的故障IGBT的隔离、故障桥的健康IGBT的开通和健康桥的重构。
(1)故障桥内故障IGBT的隔离算法
针对故障
其故障臂——第i个H桥的第j个故障桥臂的隔离算法如下所示：
(2)故障桥内健康IGBT的开通
(3)健康桥的重构
其中，
3.模态三隔离策略
模态三为算法与硬件开关管结合的隔离方法，主要包括以下内容：
(1)故障桥的算法隔离
针对故障
其故障臂——第i个H桥的第j个故障桥臂的隔离算法如下所示：
(2)故障桥的硬件隔离
将故障H桥所对应的开关管Vj导通，以保证电路回路；
(3)健康桥的重构
其中，
附图说明：
图1是本发明基于故障隔离为的多模态故障隔离方法的系统结构示意图
图2是本发明所建立的单相级联七电平逆变器的仿真模型示意图
图3是本发明在验证隔离方法模态一对故障群I有效性时设置H2S2和H3S1故障后采用隔离方法模态一的仿真结果图
图4是本发明在验证隔离方法模态二对故障群I有效性时设置H2S2和H3S1故障时采用隔离方法模态二的仿真结果图
图5是本发明在验证隔离方法模态三对故障群I有效性时设置H2S2和H3S1故障时采用隔离方法模态三的仿真结果图
图6是本发明在验证隔离方法模态二对故障群II有效性时设置H3S1故障时采用隔离方法模态二的仿真结果图
图7是本发明在验证隔离方法模态三对故障群II有效性时设置H3S1故障时采用隔离方法模态三的仿真结果图
图8是本发明在验证隔离方法模态三对故障群III有效性时设置H3S1、H3S2和H2S1故障时采用隔离方法模态三的仿真结果图
具体实施方式：
步骤一：模型构建：
(一)模型特点：
(1)根据图一所示的系统结构示意图建立模型；
(2)采用Matlab/Simulink找对仿真平台；
(3)搭建一个单相级联H桥七电平逆变系统模型，结构示意如图2所示；
(4)本模型利用PD-SPWM进行控制；
(二)仿真参数
(1)调制波频率为50Hz；
(2)载波频率为3kHz；
(3)采样频率为50kHz；
步骤二：根据模型设置故障：
(一)当图2模型出现H2S2和H3S1故障时，根据前述所建立的故障隔离库可知其故障群为I。
(二)当图2模型出现H3S1故障时，根据前述所建立的故障隔离库可知其故障群为II。
(三)当图2出现H3S1，H3S2和H2S1时，根据前述所建立的故障隔离库可知其故障群为III。
步骤三：针对不同的故障群实施不同的隔离模态策略：
(一)针对故障群I的故障实施隔离方法模态一。
(二)针对故障群II的故障实施隔离方法模态二。
(三)针对故障群III的故障实施隔离方法模态三
步骤四：仿真验证
(一)因隔离算法本身的性质，故障群I的故障也可由故障隔离方法模态二与三隔离，只是隔离后结果不同。同样的，故障群II的故障除开可由故障隔离方法模态二隔离外，也可由模态三隔离，而故障群III的故障则只能由故障隔离方法模态三实现故障后隔离。各仿真结果图与故障群、故障隔离方法对应表如下表2所示
表2故障群、隔离方法与仿真图示对应表
(二)各仿真结果图在不同时间段的工作状态由下图3表示。
(三)表4展示了不同故障群下采用不同隔离方法后的输出结果。从表4可以看出，在故障群I对应的故障下，采用隔离方法模态二与三输出的电压电平数比采用模态一输出的电平数低，且模态三还需硬件辅助隔离，因此对故障群I最优的隔离方法为模态一；在故障群II的时候，虽然采用隔离方法模态二与三输出电平数相同，但模态三除算法控制外还需硬件辅助隔离，因此对于故障群II最优的隔离方法为模态二；故障群III对应的故障只能由模态三实现隔离。
表3仿真结果图状态描述
表4不同故障群所用隔离方法与结果比较分析
综上所述，采用隔离算法模态一隔离故障群I的故障、模态二隔离故障群II的故障、模态三隔离故障群III的故障是最优的隔离选择，同时说明了该故障群分类的有效性。即前述所建立的故障群与故障隔离方法对应的故障隔离库是合理有效的。
以上描述表示了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，比如可应用的逆变器的并不局限于七电平。上述实例和说明书中的描述只是基本原理，在不脱离本发明主要特征和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进。这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (1)
1.一种基于故障隔离库的多模态故障隔离方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：故障隔离库的建立如下所示：
(一)对不同故障IGBT数量及位置的特点进行故障分类：
(1)第一种故障类型特点为每两个IGBT分别故障在不同H桥、不同臂且不同组中；
(2)第二种故障类型特点为：
(a)非第一种故障；
(b)单个H桥内的故障IGBT数量为1个或两个；
(c)若单个H桥内的故障IGBT为2个，则此两个故障IGBT不同臂且不同组；
(3)第三种故障类型即为非第一或第二种故障的其他故障类型；
(二)故障隔离库的建立如下所示：
(1)将第一种故障类型设为故障群I，其对应的故障隔离方法为模态一；
(2)将第二种故障类型设为故障群I，其对应的故障隔离方法为模态二；
(3)将第三种故障类型设为故障群I，其对应的故障隔离方法为模态三；
步骤二：隔离方法模态一为算法隔离，主要包含以下步骤：
(一)根据故障诊断结果确定故障IGBT的数量及位置，以此来确定为故障群I；
(1)接收故障信号并分析；
(2)确认每两个IGBT分别开路在不同H桥、不同桥臂且不同组中；
(二)确认故障属于故障群I时，实施模态一算法隔离策略，主要包含以下内容：
(1)故障H桥故障臂的隔离策略如下：
(a)对于单相n个H桥组成的(2n-1)电平逆变器，则位于第i个H桥的第j个桥臂第k组的故障IGBTHiAjGk的隔离算法如下所示：
(b)对于(1)中公式，urefi表示无故障时第i个H桥的调制波，urefi *表示被隔离后的故障桥IGBT的调制波；
(2)故障H桥健康臂的重构策略如下：
(a)设λi为第i个H桥的故障信号；当H桥故障时，其故障信号λi＝1；反之，则λi＝0；
(b)因为该隔离算法针对两个IGBT分别故障在不同H桥、不同桥臂且不同组中，设第f和g个H桥有故障，且f<g，则λf＝0而λg＝1；
(c)基于以上步骤一中(2)和(3)的假设，故障桥的健康桥臂的重构算法如下：
(3)无故障的健康桥的重构算法如下所示：
(a)对于无故障的H桥的重构算法如下式所示：
(b)针对以上步骤二(二)中(1)中的矩阵为
步骤三：隔离方法模态二为算法隔离，主要包含以下步骤：
(一)根据故障诊断结果确定故障IGBT的数量及位置，以此来确定为故障群II；
(1)接收故障信号并分析；
(2)确认非故障群I的故障类型；
(3)单个H桥内的故障IGBT数量为1个或两个；
(4)若单个H桥内的故障IGBT为2个，则此两个故障IGBT不同臂且不同组；
(二)确认故障属于故障群II时，实施模态二算法隔离策略，主要包含以下内容：
(1)故障H桥故障臂的隔离策略如下：
(a)对于单相n个H桥组成的(2n-1)电平逆变器，则位于第i个H桥的第j个桥臂第k组的故障IGBTHiAjGk的隔离算法如下所示：
(2)故障H桥健康IGBT的重构策略如下：
(3)无故障的健康桥的重构算法如下所示：
(a)对于无故障的H桥的重构算法如下式所示：
(b)针对以上步骤三(二)中(1)中的矩阵为
步骤四：隔离方法模态三为算法隔离，主要包含以下步骤：
(一)根据故障诊断结果确定故障IGBT的数量及位置，以此来确定为故障群III；
(1)接收故障信号并分析；
(2)确认非故障群I或故障群II的故障类型；
(二)：确认故障属于故障群III时，实施模态三算法隔离策略，主要包含以下内容：
(1)故障H桥故障臂的隔离策略如下：
(a)对于单相n个H桥组成的(2n-1)电平逆变器，则位于第i个H桥的第j个桥臂第k组的故障IGBTHiAjGk的隔离算法如下所示：
(2)故障H桥的硬件隔离策略如下：
将故障H桥所对应的IGBT导通，以保证电路回路；
(3)无故障的健康桥的重构算法如下所示：
(a)对于无故障的H桥的重构算法如下式所示：
(b)针对以上步骤四(二)中(1)中的矩阵为
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