CN110007183B - 逆变器在线开路故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变器在线开路故障检测方法，首先采集逆变器的两相电流，然后计算得到采样时刻时三相电流的幅值和相位，再据此计算得到采样时刻时三相电流绝对值之和的标幺值，将此标幺值与预设阈值进行比较，判断是否发生开路故障，如果发生再根据三相电流进行故障定位，其具体方法为对三相电流进行标幺化处理，然后对标幺化电流进行过零置“一”处理，计算采样时刻的故障定位标识，将故障定位标识与预设阈值进行比较，实现开路故障相与故障管的定位检测。本发明通过对检测得到的负载电流进行在线处理进行开路故障检测，减小故障检测时间，实现在线故障检测。

Description

逆变器在线开路故障检测方法

技术领域

本发明属于逆变器故障检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种逆变器在线开路故障检测方法。

背景技术

逆变器广泛应用于电网、电机系统和电源等领域，但是系统因半导体功率器件发生故障后所带来的隐患不可忽视，特别是对于不易察觉的逆变器开路故障。目前，通过检测逆变器输出电流，实现快速准确的逆变器故障检测，而且逆变器故障检测和容错控制的关键方法和技术，可以推广到电网逆变器、电机逆变器和电源逆变器故障检测容错中，得到了国内外专家学者的重视。

基于电流的逆变器故障检测方法，通过对已测电流量经过坐标变换、信号处理或者模式识别等技术进行检测以及定位故障。基于负载电流的故障检测方法可以利用电流闭环系统中的传感器，无需额外的电流传感器，但是电流量却是一个状态量，而且容易受到系统运行情况的影响，不能直接及时地将故障信息反映出来，使得其极易受到外界变化的影响，导致错报和漏报故障，抗干扰性能较差，检测可靠性较低。除此之外，基于电流的现有诸多技术在故障检测时间上往往受限于电流基波周期，检测时间通常以电流基波周期为参考，检测时间较长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种逆变器在线开路故障检测方法，通过对检测得到的负载电流进行在线处理进行开路故障检测，减小故障检测时间，实现在线故障检测。

为实现上述发明目的，本发明逆变器在线开路故障检测方法包括以下步骤：

S1：采用传感器采集逆变器的两相电流，分别记为i_a(k)、i_b(k)，k表示传感器的采样时刻；

S2：记第三相电流为i_c(k)，根据以下公式计算采样时刻k时三相电流的幅值I_m和相位ωt：

其中，ω表示电流角频率，t表示时间，与采样时刻k对应；

S3：采用步骤S2计算得到的采样时刻k时三相电流的幅值I_m和相位ωt计算得到采样时刻k时三相电流绝对值之和ρ(k)的标幺值f_ρ(k)：

其中，n是满足式

的正整数；

S4：根据需要设定检测阈值s₁，若f_ρ(k)＞s₁，则说明采样时刻k时逆变器未发生开路故障，不作任何操作，若f_ρ(k)≤s₁，则逆变器开路故障发生，进入步骤S5进行故障定位；

S5：根据以下公式对采样时刻k的三相电流进行标幺化处理，得到标幺化三相电流i_ph(k)：

其中，h＝a,b,c，当h＝a，j＝0，当h＝b，j＝1，当h＝c，j＝2；

S6：根据需要设定阈值s₂，采用以下公式对标幺化电流i_ph(k)进行过零置“一”处理，得到标幺化电流i_ph(k)对应的标志参数σ_h(k)：

S7：采用以下公式计算采样时刻k的故障定位标识δ_h(k)：

其中，L表示一个电流基波周期的采样点数；

S8：根据需要设定检测阈值s₃，若δ_h(k)≤-s₃，则逆变器h相发生上管开路故障；若|δ_h(k)|＜s₃，则逆变器h相未发生开路故障；若δ_h(k)≥s₃，则逆变器h相发生下管开路故障。

本发明逆变器在线开路故障检测方法，首先采集逆变器的两相电流，然后计算得到采样时刻时三相电流的幅值和相位，再据此计算得到采样时刻时三相电流绝对值之和的标幺值，将此标幺值与预设阈值进行比较，判断是否发生开路故障，如果发生再根据三相电流进行故障定位，其具体方法为对三相电流进行标幺化处理，然后对标幺化电流进行过零置“一”处理，计算采样时刻的故障定位标识，将故障定位标识与预设阈值进行比较，实现开路故障相与故障管的定位检测。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明针对现有技术在故障检测时间上往往受限于电流基波周期的问题，利用检测得到的负载电流设置新的变量，使得检测时间仅仅与1/6的电流基波周期相关，减小故障检测时间，提高故障检测的速度，改善故障检测性能；

(2)本发明能够准确定位故障相和故障管，为系统进一步的故障处理提供有效的依据；

(3)本发明不受负载变化的影响，逆变器负载可以是电网、电机、电源等，相比于其它在线检测方法有更好的灵敏度和准确性，非常适用于逆变器快速开路故障在线检测；

(4)本发明适用于三相逆变器单管和多管开路故障的在线监测。

附图说明

图1是本发明逆变器在线开路故障检测方法的具体实施方式流程图；

图2是本实施例中三相逆变器系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明逆变器在线开路故障检测方法的具体实施方式流程图。如图1所示，本发明逆变器在线开路故障检测方法的具体步骤包括：

S101：采集两相电流：

采用传感器采集逆变器的两相电流，分别记为i_a(k)、i_b(k)，k表示传感器的采样时刻。

S102：计算三相电流参数：

记第三相电流为i_c(k)，由于三相电流i_a、i_b、i_c满足等式i_a+i_b+i_c＝0。那么根据以下公式计算采样时刻k时三相电流的幅值I_m和相位ωt：

其中，ω表示电流角频率，t表示时间，与采样时刻k对应。

S103：计算三相电流绝对值之和的标幺值：

记三相电流绝对值之和ρ＝|i_a|+|i_b|+|i_c|，则有：

其中，n是满足式

的正整数。

记T₁为1/6个电流基波周期，则三相电流绝对值之和ρ在每个周期T₁内的平均值<ρ>可以采用以下公式计算：

三相电流绝对值之和ρ可以采用以下公式进行标幺化处理，得到三相电流绝对值之和ρ的标幺值f_ρ：

显然，采用步骤S102计算得到的采样时刻k时三相电流的幅值I_m和相位ωt即可计算得到采样时刻k时三相电流绝对值之和ρ(k)的标幺值f_ρ(k)：

在逆变器正常工作情况下，标幺值f_ρ的取值范围为

可近似认为f_ρ∈(0.9069,1.0472)。当逆变器单桥臂开路故障发生后，标幺值f_ρ将会脱离区间(0.9069,1.0472)。

S104：故障检测：

根据需要设定检测阈值s₁，若f_ρ(k)＞s₁，则说明采样时刻k时逆变器未发生开路故障，不作任何操作，若f_ρ≤s₁，则逆变器开路故障发生，进入步骤S105进行故障定位。

在实际应用时，综合考虑正常与故障情况下标幺值f_ρ的变化，并权衡检测方法的快速性与抗干扰性，避免故障误判的发生，适当选取阈值s₁。根据标幺值f_ρ的取值范围可知，阈值s₁应小于0.9069。经过实验发现，为了兼顾可靠性与检测速度，阈值s₁可在0.5附近进行取值。由于变量f_ρ采用了标准化处理，使得其不依赖于负载，对控制系统参数特征不敏感，故阈值s₁不会因故障的不同而改变。

S105：三相电流标幺化处理：

根据以下公式对采样时刻k的三相电流进行标幺化处理，得到标幺化三相电流i_ph(k)：

其中，h＝a,b,c，当h＝a，j＝0，当h＝b，j＝1，当h＝c，j＝2。

可以得到标幺化三相电流i_pa(k)、i_pb(k)、i_pc(k)的计算公式如下：

S106：标幺化电流过零置“一”处理：

根据需要设定阈值s₂，采用以下公式对标幺化电流i_ph(k)进行过零置“一”处理，得到标幺化电流i_ph(k)对应的标志参数σ_h(k)：

阈值s₂的理论值为0，但是在实际应用中通常取标幺化电流i_ph(k)的最大值

的2％附近，即s₂≈0.01。

S107：计算故障定位标识：

采用以下公式计算采样时刻k的故障定位标识δ_h(k)：

其中，L表示一个电流基波周期的采样点数。

也就是说，本发明对于采样时刻k-L+1至采样时刻k中的每一个采样时刻k′，先根据对应电流基波周期[k′-L+1,k′]内的每个采样时刻k″标幺化电流对应的标志参数计算其参数

(k′)：

然后将采样时刻k-L+1至采样时刻k中的每一个采样时刻k′对应的

求和后再平均，从而得到故障定位标识δ_h(k)。

S108：故障定位：

根据需要设定检测阈值s₃，若δ_h(k)≤-s₃，则逆变器h相发生上管开路故障；；若|δ_h(k)|＜s₃，则逆变器h相未发生开路故障；若δ_h(k)≥s₃，则逆变器h相发生下管开路故障。从而实现开路故障相与故障管的定位检测。

阈值s₃的取值应小于1，实际应用时为了兼顾可靠性与检测速度，可以0.5附近进行取值。

为了更好地说明本发明的技术效果，采用一个具体实例对本发明进行详细说明。图2是本实施例中三相逆变器系统结构图。如图2所示，本实施例中三相逆变器包括由功率MOS管T1-T6构成的三相全桥电路，以及三相负载。图2中N为星形联结的三相负载中点，G为直流侧的接地点，L1-L3为电感，C1-C3为电容，共同构成滤波电路，C4和C5为直流侧的等值分压电容，O为分压电容的中点。

为了便于构建开路故障检测表，在故障检测时，若f_ρ(k)＞s₁，令故障检测标志F_ρ＝0，若f_ρ≤s₁，令故障检测变量标志F_ρ＝1。在故障定位时，若δ_h(k)≤-s₃，令故障定位标志Δ_h＝1，若|δ_h(k)|＜s₃，令故障定位标志Δ_h＝0，若δ_h(k)≥s₃，令故障定位标志Δ_h＝-1。表1是本实施例中三相逆变器的开路故障检测表。

故障功率管	F<sub>ρ</sub>	Δ<sub>a</sub>	Δ<sub>b</sub>	Δ<sub>c</sub>
					正常	0	0	0	0
T1	1	1	0	0
					T2	1	-1	0	0
T3	1	0	1	0
					T4	1	0	-1	0
T5	1	0	0	1
					T6	1	0	0	-1
T1&T4	1	1	-1	0
					T1&T6	1	1	0	-1
T2&T3	1	-1	1	0
					T2&T5	1	-1	0	1
T3&T6	1	0	1	-1
					T4&T5	1	0	-1	1

表1

根据表1所示的开路故障检测表，可以实现开路故障相与故障管的定位检测。表1中，“&”表示“与”，即故障同时发生。比如：若检测结果出现F_ρ＝1，Δ_a＝0，Δ_b＝-1，Δ_c＝0，则T4发生开路故障；如果F_ρ＝1，Δ_a＝1，Δ_b＝-1，Δ_c＝0，则T1和T4同时开路故障。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种逆变器在线开路故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采用传感器采集逆变器的两相电流，分别记为i_a(k)、i_b(k)，k表示传感器的采样时刻；

S2：记第三相电流为i_c(k)，根据以下公式计算采样时刻k时三相电流的幅值I_m和相位ωt：

其中，ω表示电流角频率，t表示时间；

S3：采用步骤S2计算得到的采样时刻k时三相电流的幅值I_m和相位ωt计算得到采样时刻k时三相电流绝对值之和ρ(k)的标幺值f_ρ(k)：

其中，n是满足式

的正整数；

S4：根据需要设定检测阈值s₁，若f_ρ(k)＞s₁，则说明采样时刻k时逆变器未发生开路故障，不作任何操作，若f_ρ(k)≤s₁，则逆变器开路故障发生，进入步骤S5进行故障定位；

S5：根据以下公式对采样时刻k的三相电流进行标幺化处理，得到标幺化三相电流i_ph(k)：

其中，h＝a,b,c，当h＝a，j＝0，当h＝b，j＝1，当h＝c，j＝2；

S6：根据需要设定阈值s₂，采用以下公式对标幺化电流i_ph(k)进行过零置“一”处理，得到标幺化电流i_ph(k)对应的标志参数σ_h(k)：

S7：采用以下公式计算采样时刻k的故障定位标识δ_h(k)：

其中，L表示一个电流基波周期的采样点数；

S8：根据需要设定检测阈值s₃，若δ_h(k)≤-s₃，则逆变器h相发生上管开路故障；若|δ_h(k)|＜s₃，则逆变器h相未发生开路故障；若δ_h(k)≥s₃，则逆变器h相发生下管开路故障。

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