CN110244167B - 三相逆变器短路故障的检测方法 - Google Patents

三相逆变器短路故障的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相逆变器短路故障的检测方法，其包括采集三相逆变器中的线电压，并将线电压转换为相电压；对线电压和相电压进行DQ解耦处理，分别得到线电压和相电压对应的有功分量检测值、无功分量检测值以及零序分量检测值；根据具体逆变器设定三相逆变器正常工作时的线电压和相电压对应的有功分量标准值、无功分量标准值以及零序分量标准值；比较线电压对应的检测值和标准值及相电压对应的检测值和标准值，根据比较结果确定三相逆变器是否出现故障；若未出现故障，三相逆变器继续运行；若出现故障，则根据相电压和线电压及其对应的检测值，确定故障的发生位置；根据故障的发生位置，执行开关的脉冲封锁保护或断开主接触器停机逆变器操作，并结束检测。

Description

三相逆变器短路故障的检测方法
技术领域
本发明涉及电力系统中的故障检测方法，具体涉及一种三相逆变器短路故障的检测方法。
背景技术
随着我国铁路行业的飞速发展，列车上用电设备趋于多样化和复杂化，使得铁路运输系统的正常运行离不开辅助变流器，并且对辅助供电系统的电源质量、可靠性提出了更高的要求。当列车的辅助逆变器出现相间短路或是接地短路时，开关管短时通过电流的压力增大，极可能造成开关管烧毁。并且逆变器输出电流剧增，使得故障瞬间连在辅助变流器上的用电器全部损坏。这是逆变器应用中极其严重的故障，当出现相应故障时，有效地判断出故障点以对故障点进行保护是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的三相逆变器短路故障的检测方法能够通过DQ解耦后的数据快速地进行短路故障的检测。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种三相逆变器短路故障的检测方法，其包括：
采集三相逆变器中的线电压，并将线电压转换为相电压；
对线电压和相电压进行DQ解耦处理，分别得到线电压和相电压对应的有功分量检测值、无功分量检测值以及零序分量检测值；
获取三相逆变器正常工作时的线电压和相电压对应的有功分量标准值、无功分量标准值以及零序分量标准值；
比较线电压对应的检测值和标准值及相电压对应的检测值和标准值，根据比较结果确定三相逆变器是否出现故障；
若未出现故障，则三相逆变器继续正常运行；若出现故障，则根据相电压和线电压及其对应的检测值，对三相逆变器进行保护，并确定故障的发生位置；
根据故障的发生位置，执行开关的脉冲封锁保护或断开主接触器停机逆变器操作，并结束检测。
进一步地，所述线电压包括A相和B相之间的线电压、B相和C相之间的线电压及C相和A相之间的线电压。
进一步地，三相逆变器启动并进入稳定状态后，进入故障诊断阶段。
进一步地，比较线电压对应的检测值和标准值及相电压对应的检测值和标准值，根据比较结果确定三相逆变器是否出现故障进一步包括：
判断相电压的零序分量检测值是否大于预设阈值，若大于等于，则三相逆变器存在单相接地短路故障；
判断线电压的有功分量检测值与线电压有功分量标准值间的差异是否小于三相逆变器设定值；若大于等于，则三相逆变器存在相间短路故障。
进一步地，根据相电压和线电压及其对应的检测值，确定故障的发生位置进一步包括：
当为单相接地短路故障时，判断相电压对应的零序分量检测值的相位是否等于A相、B相或C相对应的参考电压的相位；若零序分量检测值等于其中一相对应的参考电压的相位，则相应相发生接地短路故障；
当为相间短路故障时，将三个线电压进行两两相加，并判断两两相加后的和是否等于零，若任意两个线电压相加等于零，则剩下的一个线电压对应的两相之间发生相间短路故障。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用对三相相电压和线电压进行解耦控制，将交流量转换为了直流量，直接判断直流量的变化情况，判断标志更容易设定。与现有对交流电压电流进行判断技术相比，交流信号属于时变的判断信号以及存在过零点，因此判断标志不直观，不易设定，判断时间长，本发明判断短路的方式更容易实现。
本方案通过对DQ解耦出三个量同时进行判断，因此可以根据三个量的变化特性判断出相间短路、对地短路，并且结合三个量的变化现象判断出相间短路位置或对地短路位置，与其它保护与检测方式相比，本方法可以精确地判断出短路类型以及短路位置，方便后续对逆变器进行检修。
另外，本方案在保护过程中不存在断路器等其它辅助短路保护硬件，只需要在故障时对逆变器开关管的脉冲进行封锁，与其它保护方式相比，不需要辅助硬件进行输出保护，并且可以实现大容量三相逆变器软关断，不会瞬间形成极大电流变化，感生出极大的压降，使得三相逆变器尤其是能量及其庞大的大容量三相逆变器不会由于发生短路故障造成极其严重的影响。
附图说明
图1为三相逆变器短路故障的检测方法的流程图。
图2为三相逆变器中两相间的短路情况，其中(a)为AB相间短路情况；(b)为BC相间短路情况；(c)为CA相间短路情况。
图3为三相逆变器中单线接地短路情况，其中(a)为A相接地短路情况；(a)为B相接地短路情况；(c)为C相接地短路情况。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，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。
参考图1，图1示出了三相逆变器短路故障的检测方法；如图1所示，该方法100包括步骤101至步骤106。
在步骤101，采集三相逆变器中的线电压，并将线电压转换为相电压；实施时，本方案优选采用电压传感器进行线电压的采集，其中线电压包括A相和B相之间的线电压、B相和C相之间的线电压及C相和A相之间的线电压。
将线电压转换为相电压可以采用现有技术中比较常规的处理方法，比如通过锁相环锁定相电压相位，将采样得到的线电压幅值转化为相电压幅值并乘上对应相电压的相位等方式。
在步骤102，对线电压和相电压进行DQ解耦处理，分别得到线电压和相电压对应的有功分量检测值、无功分量检测值以及零序分量检测值。
具体地，三个线电压和三个相电压各为一组，进行DQ解耦处理后，三个线电压对应一组检测值，三个相电压对应一组检测值。
在步骤103，获取三相逆变器正常工作时的线电压和相电压对应的有功分量标准值、无功分量标准值以及零序分量标准值，这些标准值均是根据三相逆变器的具体型号设定。
本方案在三相逆变器启动并进入稳定状态后，方才进入故障诊断阶段。
在步骤104，比较线电压对应的检测值和标准值及相电压对应的检测值和标准值，根据比较结果确定三相逆变器是否出现故障；
在本发明的一个实施例中，比较线电压对应的检测值和标准值及相电压对应的检测值和标准值，根据比较结果确定三相逆变器是否出现故障进一步包括：
判断相电压的零序分量检测值是否大于预设阈值；若大于等于，则三相逆变器存在单相接地短路故障；否则，相电压的零序分量检测值处于正常范围内。
判断线电压的有功分量检测值与线电压有功分量标准值间的差异是否小于三相逆变器设定值；若大于等于，则三相逆变器存在相间短路故障，否则线电压的有功分量检测值处于正常范围内。
在步骤105，若未出现故障，则三相逆变器继续正常运行；若出现故障，则根据相电压和线电压及其对应的检测值，确定故障的发生位置；
实施时，本方案优选根据相电压和线电压及其对应的检测值，确定故障的发生位置进一步包括：
当为单相接地短路故障时，判断相电压对应的零序分量检测值u0ref1的相位是否等于A相、B相或C相对应的参考电压的相位；若零序分量检测值的相位等于其中一相对应的参考电压的相位，则相应相发生接地短路故障；
具体地，若u0ref1的相位等于A相参考电压相则说明发生了A相接地短路故障，若u0ref1的相位等于B相参考电压相则说明发生了B相接地短路故障，若u0ref1的相位等于C相参考电压相则说明发生了C相接地短路故障。
当为相间短路故障时，将三个线电压(uab,ubc,uca)进行两两相加，并判断两两相加后的和是否等于零，若任意两线电压相加之和等于零，则剩下的一个线电压对应的两相之间发生相间短路故障。
具体地，若uab+ubc＝0，则AC相之间发生了相间短路故障，若ubc+uca＝0，则AB相之间发生了相间相间短路故障，uca+uab＝0，则BC相之间发生了相间短路故障。
在步骤106，根据故障的发生位置，执行开关的脉冲封锁保护或断开主接触器停机逆变器操作，并结束检测；
当三相逆变器正常工作时，三相电压uabc经归一化后从abc三相静止坐标系转换到两相旋转dq0坐标系的关系时，D轴分量为1，Q轴和零轴分量为0。
如图2中的(a)所示，当发生AB两相相间短路时，通过对三相逆变器三相电压解耦进行故障判断，对三相电压进行采样，三相逆变器正常工作时三相电压分别为UmaxCos(wt)，UmaxCos(wt-120°)，UmaxCos(wt+120°)，其中Umax为三相输出电压幅值。
当发生A相和B相相间短路时，A相端口电压与B相端口电压相等，且A相开关函数与B相开关函数相同，即Sa＝Sb且Sc＝Sa+Sb＝2Sa，(S为某相的开关函数)。此时在相间短路条件下的A，B，C相端口电压为A相电压与B相电压相等，且三相电压之和为零，即C相电压相位与A相电压，B相电压相反，幅值为它们的两倍。
通过三相静止坐标系abc到两相旋转坐标系dq0的坐标变换之后，得到Udq0line电压为：
Figure BDA0002126134910000061
其中，Udq0line为线电压DQ变换后矩阵；Tabc-dq0为DQ变换矩阵；uabc为三相电压；w为逆变器输出角频率；t为时间；f(Sb)为B相的开关函数方程；Sb为B相开关函数；Vdc为直流电压。
通过三相abc坐标系到两相旋转dq0坐标系的转换，最终得到的ud和uq的表达形式，以最低次频率为正弦频率的2倍进行脉动，并且此时脉动的相位和C相电压相位相同，因此可以检测出此时发生两相相间短路。
如图2中的(b)所示，当发生B相和C相相间短路时，B相端口电压与C相端口电压相等，且B相开关函数与C相开关函数相同，即Sb＝Sc且Sa＝Sb+Sc＝2Sb。此时在相间短路条件下的A，B，C相端口电压为B相电压与C相电压相等，且三相电压之和为零。即A相电压相位与B相电压，C相电压相反，幅值为它们的两倍。
通过三相静止坐标系abc到两相旋转坐标系dq0的坐标变换之后，得到Udq0电压为：
Figure BDA0002126134910000071
通过三相abc坐标系到两相旋转dq0坐标系的转换，最终得到的ud和uq的表达形式，以最低次频率为正弦频率的2倍进行脉动，并且此时脉动的相位与A相电压相位相同，因此可以检测出此时发生两相相间短路。
如图2中的(c)所示，当发生C相和A相相间短路时，C相端口电压与A相端口电压相等，且C相开关函数与A相开关函数相同，即Sa＝Sc且Sb＝Sa+Sc＝2Sc。此时在相间短路条件下的A，B，C相端口电压为A相电压与C相电压相等，且三相电压之和为零。即B相电压相位与A相电压，C相电压相反，幅值为它们的两倍。
通过三相静止坐标系abc到两相旋转坐标系dq0的坐标变换之后，得到Udq0电压为：
Figure BDA0002126134910000081
通过三相abc坐标系到两相旋转dq0坐标系的转换，最终得到的ud和uq的表达形式，以最低次频率为正弦频率的2倍进行脉动，并且此时脉动的相位与B相电压相位相同。因此可以检测出此时发生两相相间短路。如图3中的(a)所示，当发生A相接地短路时，此时三相电压uabc为：
Figure BDA0002126134910000082
通过三相静止坐标系abc到两相旋转坐标系dq0的坐标变换之后，得到Udq0电压为：
Figure BDA0002126134910000083
通过计算和仿真可以得出，当发生A相接地短路时，D轴分量和Q轴分量并不特殊，但解耦量中U0ref与A相参考电压同相位。因此当检测到零轴分量不为0，且是与A相参考电压同相位的正弦波形时，发生A相接地短路。
如图3中的(b)所示，当发生B相接地短路时，此时三相电压uabc为：
Figure BDA0002126134910000091
通过三相静止坐标系abc到两相旋转坐标系dq0的坐标变换之后，得到Udq0电压为：
Figure BDA0002126134910000092
同A相发生单相接地短路时，当检测到零轴分量不为0，且是与B相参考电压同相位的正弦波形时，发生B相接地短路。
如图3中的(c)所示，当发生C相接地短路时，此时三相电压uabc为：
Figure BDA0002126134910000093
通过三相静止坐标系abc到两相旋转坐标系dq0的坐标变换之后，得到Udq0电压为：
Figure BDA0002126134910000094
同A相和B相发生单相接地短路时，当检测到零轴分量不为0，且是与C相参考电压同相位的正弦波形时，发生C相接地短路。
综上所述，本方案通过对DQ解耦出三个量进行判断，可以根据三个量的变化现象判断出相间短路或对地短路及位置，且判断过程快速、准确。

Claims (3)

1.三相逆变器短路故障的检测方法，其特征在于，包括：
采集三相逆变器中的线电压，并将线电压转换为相电压；
对线电压和相电压进行DQ解耦处理，分别得到线电压和相电压对应的有功分量检测值、无功分量检测值以及零序分量检测值；
获取三相逆变器正常工作时的线电压和相电压对应的有功分量标准值、无功分量标准值以及零序分量标准值；
比较线电压对应的检测值和标准值及相电压对应的检测值和标准值，根据比较结果确定三相逆变器是否出现故障；
若未出现故障，三相逆变器继续正常工作；若出现故障，则根据相电压和线电压及其对应的检测值，确定故障的发生位置；
根据故障的发生位置，执行开关的脉冲封锁保护或断开主接触器停机逆变器操作，并结束检测；
比较线电压解耦后对应的检测值和标准值及相电压解耦后对应的检测值和标准值，根据比较结果确定三相逆变器是否出现故障进一步包括：
判断相电压的零序分量检测值是否大于预设阈值，若大于等于，则三相逆变器存在单相接地短路故障；
判断线电压的有功分量检测值与线电压有功分量标准值间的差异是否小于三相逆变器设定值；若大于等于，则三相逆变器存在相间短路故障；
根据相电压和线电压及其对应的检测值，确定故障的发生位置进一步包括：
当为单相接地短路故障时，判断相电压对应的零序分量检测值的相位是否等于A相、B相或C相对应的参考电压的相位；若零序分量检测值等于其中一相对应的参考电压的相位，则相应相发生接地短路故障；
当为相间短路故障时，将三个线电压进行两两相加，并判断两两相加后的和是否等于零，若任意两个线电压相加等于零，则剩下的一个线电压对应的两相之间发生相间短路故障。
2.根据权利要求1所述的三相逆变器短路故障的检测方法，其特征在于，所述线电压包括A相和B相之间的线电压、B相和C相之间的线电压及C相和A相之间的线电压。
3.根据权利要求1所述的三相逆变器短路故障的检测方法，其特征在于，三相逆变器启动并进入稳定状态后，进入故障诊断阶段。
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