CN110333427A - 柔性直流输电系统送端换流器igbt开路故障诊断方法 - Google Patents

柔性直流输电系统送端换流器igbt开路故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法，其步骤为：1、实时采集送端换流器输入端三相电流信号、三相电压信号，送端换流器直流侧直流电压信号以及IGBT开关管驱动信号；2、利用所采集的信号计算三相电压残差特征值；3、通过设置阈值和故障标志实现单桥臂IGBT开关管开路故障和双桥臂IGBT开关管开路故障的诊断。本发明能快速实现单桥臂IGBT开关管开路故障和双桥臂IGBT开关管开路故障的诊断，便于故障的快速有效处理。

Description

柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法
技术领域
本发明属于电力系统故障诊断领域，具体涉及一种柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法。
背景技术
较之传统的高压直流输电技术，以电压源换流器为核心部件的柔性直流输电技术，具有可实现有功无功独立控制、可向无源网络供电以及潮流反转方便可靠等优点，在大规模可再生能源并网、孤岛供电等领域具有广阔的应用前景。在柔性直流输电系统中，送端换流器将三相交流电转换为直流电，电能经过输电线路传输，受端换流器再将直流电进行逆变为三相交流电，电能送入受电端的交流系统。
送端换流器由于与送端电源连接，长期在高功率和强电磁干扰的环境下工作，其关键组成元件IGBT开关管容易发生开路故障。IGBT开路故障虽不会导致柔性直流系统立即崩溃停运，但将引起系统的电压或者电流失真，导致正常的IGBT开关管或者柔性直流输电系统的其它设备过载，从而可能引发二次故障，严重时将可能导致柔性直流输电系统停运，影响电网的安全稳定运行。因此，有必要研究柔性直流输电系统送端换流器IGBT开关管的开路故障诊断方法，以提高对柔性直流输电系统的运营维护效率，从而保障设备安全以及系统的可靠稳定运行。
发明内容
为提高对柔性直流输电系统的运营维护效率，从而保障设备安全以及系统的可靠稳定运行。本发明提供一种柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法。
本发明的技术方案具体为：
一种柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法，步骤如下：
A：信号的实时采集
实时采集送端换流器信号数据，包括输入端的三相电流：A相电流ia、B相电流ib与C相电流ic；换流器直流侧的直流电压Udc；换流器六个桥臂IGBT开关管VT1～VT6的驱动信号S1～S6；换流器输入端与变压器二次侧中性点之间的三相电压：A相电压ua、B相电压ub、C相电压uc。
B：三相电压残差特征值的计算
B1：对采集的ia、ib与ic进行方向判断，当判断k相电流ik为正方向，令k相电流方向指示信号δk＝1；当判断ik为负方向，令δk＝0；其中k为a、b或c；k相电流流进送端换流器的方向为ik的正方向；
B2：计算A相电压估计值ua *、B相电压估计值ub *与C相电压估计值uc *：
其中与分别为δa、δb与δc的逻辑非，与分别为S2、S4与S6的逻辑非；
B3：计算A相电压残差Δua＝ua *-ua、B相电压残差Δub＝ub *-ub与C相电压残差Δuc＝uc *-uc；
B4：计算A相电压残差特征值Δuas、B相电压残差特征值Δubs与C相电压残差特征值Δucs，具体计算公式如下：
C：IGBT开关管的开路故障诊断
C1：实时将Δuas与阈值H进行比较，若在时间t内Δuas存在5次大于H的情况，则令与A相相连的上桥臂IGBT开关管VT1的故障标志F1＝1，否则令F1＝0，并判断VT1正常；若在时间t内Δuas存在5次小于-H的情况，则令与A相相连的下桥臂IGBT开关管VT2的故障标志F2＝1，否则令F2＝0，并判断VT2正常；
C2：实时将Δubs与阈值H进行比较，若在时间t内Δubs存在5次大于H的情况，则令与B相相连的上桥臂IGBT开关管VT3的故障标志F3＝1，否则令F3＝0，并判断VT3正常；若在时间t内Δubs存在5次小于-H的情况，则令与B相相连的下桥臂IGBT开关管VT4的故障标志F4＝1，否则令F4＝0，并判断VT4正常；
C3：实时将Δucs与阈值H进行比较，若在时间t内Δucs存在5次大于H的情况，则令与C相相连的上桥臂IGBT开关管VT5的故障标志F5＝1，否则令F5＝0，并判断VT5正常；若在时间t内Δucs存在5次小于-H的情况，则令与C相相连的下桥臂IGBT开关管VT6的故障标志F6＝1，否则令F6＝0，并判断VT6正常；
C4：判断故障标志为1的个数N<3是否成立，若是，则判断故障标志为1的桥臂IGBT开关管发生开路故障，若否，则判断同为上桥臂或同为下桥臂且故障标志为1的桥臂IGBT开关管发生开路故障。
进一步的，步骤A对信号的采集频率为20kHz。
进一步的，步骤C中的阈值H＝krel×1/3Udc，其中krel为可靠系数，取为1.5，即阈值H＝0.5Udc。
进一步的，步骤C中的时间t为2ms。
本发明的有益技术效果为：
(1)本发明能够在柔性直流输电送端换流器的桥臂IGBT开关管发生开路故障后，快速实现单桥臂IGBT开关管开路故障和双桥臂IGBT开关管开路故障的诊断，便于故障的快速有效处理。
(2)本发明通过实时测量的信号计算三相电压残差特征值，从而基于电压残差特征值实现IGBT开关管的开路故障诊断，不受负载变化、闭环控制以及故障发生时刻的影响。
(3)本发明电压残差特征值在2ms时间内存在5次大于H或者小于-H的情况，才令相应桥臂的IGBT开关管的故障标志为1，可以避免某一时刻的测量误差或干扰引起的误判。
附图说明
图1为本发明的故障诊断流程图；
图2为柔性直流输电系统送端换流器连接示意图；
图3为VT1开路故障的仿真结果；
图4为VT1与VT2开路故障的仿真结果；
图5为VT1与VT3开路故障的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和仿真实验对本发明作进一步详细说明。
一种柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法，流程图如图1所示，其所在柔性直流输电系统送端换流器连接示意图如图2所示，步骤具体如下：
A：信号的实时采集
实时采集送端换流器信号数据。采集频率为20kHz；采集的数据包括输入端的三相电流：A相电流ia、B相电流ib与C相电流ic；换流器直流侧的直流电压Udc；换流器六个桥臂IGBT开关管VT1～VT6的驱动信号S1～S6；换流器输入端与变压器二次侧中性点之间的三相电压：A相电压ua、B相电压ub、C相电压uc。
B：三相电压残差特征值的计算
B1：对采集的ia、ib与ic进行方向判断，当判断k相电流ik为正方向，令k相电流方向指示信号δk＝1；当判断ik为负方向，令δk＝0；其中k为a、b或c；k相电流流进送端换流器的方向为ik的正方向；
B2：计算A相电压估计值ua *、B相电压估计值ub *与C相电压估计值uc *：
其中与分别为δa、δb与δc的逻辑非，与分别为S2、S4与S6的逻辑非；
B3：计算A相电压残差Δua＝ua *-ua、B相电压残差Δub＝ub *-ub与C相电压残差Δuc＝uc *-uc；
B4：计算A相电压残差特征值Δuas、B相电压残差特征值Δubs与C相电压残差特征值Δucs，具体计算公式如下：
C：IGBT开关管的开路故障诊断
C1：实时将Δuas与阈值H(阈值H＝0.5Udc，下同)进行比较，若在2ms内Δuas存在5次大于H的情况，则令与A相相连的上桥臂IGBT开关管VT1的故障标志F1＝1，否则令F1＝0，并判断VT1正常；若在2ms内Δuas存在5次小于-H的情况，则令与A相相连的下桥臂IGBT开关管VT2的故障标志F2＝1，否则令F2＝0，并判断VT2正常；
C2：实时将Δubs与阈值H进行比较，若在2ms内Δubs存在5次大于H的情况，则令与B相相连的上桥臂IGBT开关管VT3的故障标志F3＝1，否则令F3＝0，并判断VT3正常；若在2ms内Δubs存在5次小于-H的情况，则令与B相相连的下桥臂IGBT开关管VT4的故障标志F4＝1，否则令F4＝0，并判断VT4正常；
C3：实时将Δucs与阈值H进行比较，若在2ms内Δucs存在5次大于H的情况，则令与C相相连的上桥臂IGBT开关管VT5的故障标志F5＝1，否则令F5＝0，并判断VT5正常；若在2ms内Δucs存在5次小于-H的情况，则令与C相相连的下桥臂IGBT开关管VT6的故障标志F6＝1，否则令F6＝0，并判断VT6正常；
C4：判断故障标志为1的个数N<3是否成立，若是，则判断故障标志为1的桥臂IGBT开关管发生开路故障，若否，则判断同为上桥臂或同为下桥臂且故障标志为1的桥臂IGBT开关管发生开路故障。
仿真实验：
本实施例中，分别对上桥臂IGBT开关管开路故障、同相上下桥臂IGBT开关管开路故障和两上桥臂IGBT开关管开路故障进行了仿真验证。仿真结果分别如图3、图4和图5所示。
图3中(a)部分为与A相连接的上桥臂IGBT开关管VT1开路故障下的三相电压残差特征值；图3中(b)部分为VT1～VT6的故障标志情况。由图3可知，VT1在1s时刻发生开路故障后，当A相电压残差特征值Δuas在2ms时间内第5次大于0.5Udc后，VT1的故障标志变为1。由于此情况下故障标志为1的个数N＝1，即N小于3，故本发明判断故障标志为1的VT1发生开路故障。
图4中(a)部分为与A相连接的上桥臂IGBT开关管VT1和下桥臂IGBT开关管VT2开路故障下的三相电压残差特征值；图4中(b)部分为VT1～VT6的故障标志信号。由图4可知，VT1与VT2在1s时刻发生开路故障后，A相电压残差特征值存在小于-0.5Udc的情况与大于0.5Udc的情况。当A相电压残差特征值在2ms时间内第5次小于-0.5Udc后，VT2的故障标志变为1；当A相电压残差特征值在2ms时间内第5次大于阈值0.5Udc情况后，VT1的故障标志由0变为1，由于此情况下故障标志为1的个数N＝2，即N小于3，故本发明判断故障标志为1的VT1与VT2发生开路故障。
图5中(a)部分为与A相连接的上桥臂IGBT开关管VT1以及与B相上桥臂连接的上桥臂IGBT开关管VT3开路故障下的三相电压残差特征值；图5中(b)部分为VT1～VT6的故障标志情况。由图5可知，A相与B相的电压残差特征值均存在大于0.5Udc的情况，C相电压残差特征值存在小于-0.5Udc的情况。当A相电压残差特征值在2ms时间内第5次大于0.5Udc后，VT1的故障标志变为1；当B相电压残差特征值在2ms时间内第5次大于0.5Udc后，VT3的故障标志变为1；当C相电压残差特征值在2ms时间内第5次小于-0.5Udc后，VT6的故障标志变为1；此情况下，由于故障标志为1的个数N＝3，则本发明判断同为上桥臂的故障标志为1的VT1与VT3发生开路故障。

Claims (4)

1.柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：
A：信号的实时采集：
实时采集送端换流器信号数据，包括输入端的三相电流：A相电流ia、B相电流ib与C相电流ic；换流器直流侧的直流电压Udc；换流器六个桥臂IGBT开关管VT1～VT6的驱动信号S1～S6；换流器输入端与变压器二次侧中性点之间的三相电压：A相电压ua、B相电压ub、C相电压uc；
B：三相电压残差特征值的计算
B1：对采集的ia、ib与ic进行方向判断，当判断k相电流ik为正方向，令k相电流方向指示信号δk＝1；当判断ik为负方向，令δk＝0；其中k为a、b或c；k相电流流进送端换流器的方向为ik的正方向；
B2：计算A相电压估计值ua *、B相电压估计值ub *与C相电压估计值uc *：
其中与分别为δa、δb与δc的逻辑非，与分别为S2、S4与S6的逻辑非；
B3：计算A相电压残差Δua＝ua *-ua、B相电压残差Δub＝ub *-ub与C相电压残差Δuc＝uc *-uc；
B4：计算A相电压残差特征值Δuas、B相电压残差特征值Δubs与C相电压残差特征值Δucs，具体计算公式如下：
C：IGBT开关管的开路故障诊断
C1：实时将Δuas与阈值H进行比较，若在时间t内Δuas存在5次大于H的情况，则令与A相相连的上桥臂IGBT开关管VT1的故障标志F1＝1，否则令F1＝0，并判断VT1正常；若在时间t内Δuas存在5次小于-H的情况，则令与A相相连的下桥臂IGBT开关管VT2的故障标志F2＝1，否则令F2＝0，并判断VT2正常；
C2：实时将Δubs与阈值H进行比较，若在时间t内Δubs存在5次大于H的情况，则令与B相相连的上桥臂IGBT开关管VT3的故障标志F3＝1，否则令F3＝0，并判断VT3正常；若在时间t内Δubs存在5次小于-H的情况，则令与B相相连的下桥臂IGBT开关管VT4的故障标志F4＝1，否则令F4＝0，并判断VT4正常；
C3：实时将Δucs与阈值H进行比较，若在时间t内Δucs存在5次大于H的情况，则令与C相相连的上桥臂IGBT开关管VT5的故障标志F5＝1，否则令F5＝0，并判断VT5正常；若在时间t内Δucs存在5次小于-H的情况，则令与C相相连的下桥臂IGBT开关管VT6的故障标志F6＝1，否则令F6＝0，并判断VT6正常；
C4：判断故障标志为1的个数N<3是否成立，若是，则判断故障标志为1的桥臂IGBT开关管发生开路故障，若否，则判断同为上桥臂或同为下桥臂且故障标志为1的桥臂IGBT开关管发生开路故障。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法，特征在于：步骤A对信号的采集频率为20kHz。
3.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法，特征在于：步骤C中的阈值H＝krel×1/3Udc，其中krel为可靠系数，取为1.5，即阈值H＝0.5Udc。
4.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法，特征在于：步骤C中的时间t为2ms。
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