CN110609194B - 基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法 - Google Patents

基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法，建立无开路故障情况下电压空间矢量数学表达式；建立单管和双管开路故障情况下畸变电压空间矢量数学表达式；根据正常情况下产生的电压空间矢量和畸变电压空间矢量的线性特征，确定无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量，编号后得到不同情况下对应的电压空间矢量编号；采集系统一个基波周期内三相电压进行Clark变换，得到系统一个基波周期内所产生的电压空间矢量，编号后对比不同情况下的电压空间矢量编号，进行故障开关管的诊断定位。本发明提高了诊断定位的准确性，以及系统的可靠性和鲁棒性。

Description

基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法，属于整流器开路故障诊断技术。
背景技术
随着电力电子技术的发展，三相PWM整流器具有正弦化的输入电流、能量双向流动、可调的直流电压等特点，在海上风力发电、新能源电动汽车等中、大功率场合领域得到广泛应用。在风力发电系统可靠性研究中，相关调查表明，功率整流器由于需要在恶劣环境下长时间持续工作，以及其门极信号的不可靠性，导致其成为最容易发生故障的器件。功率整流器故障分为门极信号缺失故障、短路故障以及开路故障。门极信号缺失故障一般是间歇性的，可能对导致短暂的短路故障或者开路故障；短路故障会产生电流突增现象，一般会在电路中串联快速熔丝，使短路故障变为开路故障，以减小对系统的损坏；开路故障虽然不会导致系统瞬时损坏，但会引起三相电流畸变、直流侧电压脉动等问题。由此，无论功率整流器发生哪一种故障，最后都会转换为开路故障，这就要求系统能够快速准确地检测出开路故障并对故障开关管进行定位。
目前功率整流器开路故障诊断方法可以分为：基于电流量的诊断方法和基于电压量的诊断方法。基于电流量的诊断方法受负载影响较大，对于一些小电流系统无法做出较好的判断，因而一般需要通过额外的算法或者控制方法对其进行改进。基于电压量的诊断方法受负载变化，风速变化影响小，在一定程度上提高了故障诊断的精度，但基于电压的诊断方法，目前对多管故障的定位效果较差，需要依赖阈值进行判断，计算量较大，数据存储要求高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法，包括如下步骤：
步骤1、建立无开路故障情况下电压空间矢量数学表达式；
步骤2、建立单管和双管开路故障情况下畸变电压空间矢量数学表达式；
步骤3、根据正常情况下产生的电压空间矢量和畸变电压空间矢量的线性特征，确定无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量；
步骤4、对无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量进行编号，得到不同情况下对应的电压空间矢量编号；
步骤5、采集系统一个基波周期内三相电压值；
步骤6、对步骤5所采集的三相电压进行Clark变换，得到系统一个基波周期内所产生的电压空间矢量；
步骤7、按照步骤4的编号规则，得到步骤6中电压空间矢量对应的编号；
步骤8、比较步骤7中得到的编号和步骤4中不同情况下的电压空间矢量编号，对开路故障进行判断并对故障开关管进行定位。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明针对不同开关管开路故障建立不同的数学模型，降低了误判的概率，提高了系统的可靠性；2)本发明只需要将出现的电压矢量编号与分析所得的电压矢量编号进行对比即可对开路故障进行判断以及定位，计算量极小，对系统的数据存储能力没有要求；3)本发明不需要任何阈值的设定，无需考虑由于阈值带来的误判问题；4)本发明可以应用于任何风速、任何负载的情况，所设计的诊断方法不受风速和负载影响，系统鲁棒性强。
附图说明
图1是直驱式永磁同步风力发电系统机侧结构图。
图2是本发明直驱式永磁同步风力发电系统机侧控制及故障诊断框图。
图3是本发明无故障时α、β两相静止坐标系中基本空间电压矢量及扇区图。
图4是本发明基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法的流程图。
图5是本发明电压空间矢量编号的示意图。
图6是本发明无故障时电压空间矢量的示意图。
图7是本发明风速变化的曲线图。
图8是本发明负载的连接电路图。
图9是本发明单管开路故障时电压空间矢量六边形的变化图，其中(a)为S1开路，(b)为S4开路，(c)为S3开路，(d)为S6开路，(e)为S5开路，(f)为S2开路。
图10是本发明双管开路故障时电压空间矢量六边形的变化图，其中(a)为同一桥臂上下两个开关管S1S4同时发生开路故障，(b)为不同桥臂两个上管S1S3同时发生开路故障，(c)为不同桥臂一上一下两个开关管S1S6同时发生开路故障。
图中标号说明：S1-S6三相PWM整流器中6个功率开关管，D1-D6三相PWM整流器6个续流二极管，F1-F6为三相PWM整流器6个热熔丝，C为直流侧滤波电容。ia,ib,ic为永磁同步发电机产生的三相电流，ua,ub,uc为永磁同步发电机产生的三相电压，vw为自然风速大小，ωm为永磁同步发电机角速度，Tm为风轮提供的转矩，θ为三相电流电角度，id,iq为dq两相旋转坐标系下的电流给定值，
Figure BDA0002113251090000031
为dq两相旋转坐标系下的电流反馈值，
Figure BDA0002113251090000035
为电机转矩反馈值，
Figure BDA0002113251090000032
为α、β两相静止坐标系下的目标电压。图5中编号规则如下：坐标原点编号为0，无开路故障时电压空间矢量V1-V6编号为1-6，与V1-V6同向，但模长为V1-V6一半的电压空间矢量编号为7-12，沿直线ia＝0正方向的电压空间矢量编号为13，沿直线ia＝0负方向的电压空间矢量编号为14，沿直线ib＝0正方向的电压空间矢量编号为15，沿直线ib＝0负方向的电压空间矢量编号为16，沿直线ic＝0正方向的电压空间矢量编号为17，沿直线ic＝0负方向的电压空间矢量编号为18。
具体实施方法
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
图1是直驱式永磁同步风力发电系统机侧结构图，本发明只考虑功率开关管发生故障，默认与其反并联的二极管仍正常工作。图2给出了直驱式永磁同步风力发电系统机侧控制及故障诊断框图，目标αβ平面电压
Figure BDA0002113251090000033
输入到SVPWM控制模块后，会生成6路控制IGBT门极通断的信号，采集三相电压值经过Clark变换变成α、β两相静止坐标系中的空间电压矢量
Figure BDA0002113251090000034
如图3所示。对空间电压矢量进行编号，与不同故障模型进行匹配，可以实现开关管开路故障的诊断和定位。
如图4所示，基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法，具体步骤如下：
步骤1、建立无开路故障情况下电压空间矢量数学表达式，如表1所示；
表1无开路故障电压空间矢量表
Figure BDA0002113251090000041
其中S(abc)为abc三相变流器开关函数，’1’表示该相上桥臂开关管导通，’0’表示该相下峭壁开关管导通，usa，usb，usc为三相变流器三相相电压，Vk为abc三相电压经过Clark变换后得到的电压空间矢量，Udc为直流电压，ejθ＝cosθ+jsinθ。例如，当开关函数S(abc)＝(100)T，即a相上桥臂开关管导通，b相下桥臂开关管导通，c相下桥臂开关管导通，此时采集的三相电压usa，usb，usc分别为2Udc/3，-Udc/3，-Udc/3，经过Clark变换后得到的电压空间矢量为
Figure BDA0002113251090000042
步骤2、建立单管开路故障情况下，产生的畸变电压空间矢量数学表达式，如表2所示：
表2单管故障时电压空间畸变矢量表
Figure BDA0002113251090000043
Figure BDA0002113251090000051
表中in(n＝a，b，c)为三相电流，S1-S6为六个开关管编号，Udc为直流电压，j为虚数单位。根据故障开关管位置和相电流可以确定故障时产生的畸变矢量，例如，当S1开关管发生开路故障且ia>0时，会产生一个(0+j0)Udc的畸变矢量；当S1开关管发生开路故障且ia＝0时，会产生一个
Figure BDA0002113251090000052
的畸变矢量；当S1开关管发生开路故障且ia<0时，会产生一个
Figure BDA0002113251090000053
的畸变矢量。
令
Figure BDA0002113251090000054
对表2中电压空间畸变矢量提取公因式，可以得到：
Figure BDA0002113251090000055
Figure BDA0002113251090000056
分析可得，当单管发生开路故障时，对应的畸变电压空间矢量为线性变换，故当两个开关管同时发生开路故障时，对应的畸变电压空间矢量可以看作是两次单管故障对应的畸变电压空间矢量的线性叠加。
步骤3、根据正常情况下产生的电压空间矢量和畸变电压空间矢量的线性特征，确定无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量。其中无开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量为正常情况下产生的电压空间矢量，单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量由正常情况下产生的电压空间矢量和畸变电压空间矢量的矢量和确定。
步骤4、对无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量进行编号，得到不同情况下对应的电压空间矢量编号。其中编号规则如下：坐标原点编号为0，无开路故障时电压空间矢量V1-V6编号为1-6，与V1-V6同向，但模长为V1-V6一半的电压空间矢量编号为7-12，沿直线ia＝0正方向的电压空间矢量编号为13，沿直线ia＝0负方向的电压空间矢量编号为14，沿直线ib＝0正方向的电压空间矢量编号为15，沿直线ib＝0负方向的电压空间矢量编号为16，沿直线ic＝0正方向的电压空间矢量编号为17，沿直线ic＝0负方向的电压空间矢量编号为18；
不同情况下对应的电压空间矢量编号如表3、4所示；
表3无开路故障及单管开路故障时的编号表
故障开关管 对应编号
正常 0-1-2-3-4-5-6
S1 0-3-4-5-7-10-13-14
S2 0-4-5-6-8-11-17-18
S3 0-1-5-6-9-12-15-16
S4 0-1-2-6-7-10-13-14
S5 0-1-2-3-8-11-17-18
S6 0-2-3-4-9-12-15-16
表4多管开路故障时的编号表
故障开关管 对应编号
S1S4 0-7-10-13-14
S3S6 0-9-12-15-16
S5S2 0-8-11-17-18
S1S3 0-5-7-8-9-11-14-16
S1S5 0-3-7-9-11-12-13-18
S3S5 0-1-7-9-10-11-15-17
S4S6 0-2-8-10-11-12-13-15
S4S2 0-6-8-9-10-12-14-17
S6S2 0-4-8-7-10-12-16-18
S1S6 0-3-4-13-8-9-10-11-16
S1S2 0-4-5-9-10-11-12-14-18
S3S4 0-1-6-7-8-11-12-14-15
S3S2 0-5-6-7-10-11-12-16-17
S5S4 0-1-2-7-8-9-12-13-17
S5S6 0-2-3-7-8-9-10-15-18
例如，当对应于电压空间矢量的编号为0-1-2-3-4-5-6(与编号顺序无关)，则可根据表3，判断为没有发生开路故障，若对应于电压空间矢量的编号为0-3-4-5-7-10-13-14(与编号顺序无关)，则可根据表3，判断为S1发生开路故障。若对应于电压空间矢量的编号为0-7-10-13-14(与编号顺序无关)，则可根据表4，判断为S1S4发生开路故障。
步骤5、采集系统一个基波周期内三相电压值；
步骤6、对步骤5所采集的三相电压进行Clark变换，得到系统一个基波周期内所产生的电压空间矢量；
Clark变换如下所示：
Figure BDA0002113251090000071
其中Uα，Uβ为αβ坐标平面内的横纵坐标，Ua、Ub、Uc为定子三相电压。
步骤7、按照步骤4的编号规则，得到步骤6中电压空间矢量对应的编号；
步骤8、比较步骤7中得到的编号和步骤4中不同情况下的电压空间矢量编号，对开路故障进行判断并对故障开关管进行定位。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，设置风速为变风速如图7所示，负载设置为变负载如图8所示，进行如下仿真实验。
图9为单管故障时电压空间矢量变换图，其中(a)～(f)分别为S1、S4、S3、S6、S5、S2开路故障的情况，根据本发明方案对电压空间矢量进行编号对比，得到的结论与实际情况完全一致。
图10为双管故障时电压空间矢量变换图，其中(a)中S1、S4同时发生开路故障，(b)中S1、S3同时发生开路故障，(c)中S1、S6同时发生开路故障，根据本发明方案对电压空间矢量进行编号对比，得到的结论与实际情况完全一致。
综上所述，本发明建立了无开路故障、单管开路故障、双管开路故障三种情况的数学模型，且与阈值无关，提高了系统的准确性，降低了系统误判的可能性，且本发明只需对规定的编号进行比对即可得到结果，所以计算量小，对数据存储没有要求，易于实现。

Claims (5)

1.一种基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、建立无开路故障情况下电压空间矢量数学表达式；
步骤2、建立单管和双管开路故障情况下畸变电压空间矢量数学表达式；
步骤3、根据正常情况下产生的电压空间矢量和畸变电压空间矢量的线性特征，确定无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量；
步骤4、对无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量进行编号，得到不同情况下对应的电压空间矢量编号；
步骤5、采集系统一个基波周期内三相电压值；
步骤6、对步骤5所采集的三相电压进行Clark变换，得到系统一个基波周期内所产生的电压空间矢量；
步骤7、按照步骤4的编号规则，得到步骤6中电压空间矢量对应的编号；
步骤8、比较步骤7中得到的编号和步骤4中不同情况下的电压空间矢量编号，对开路故障进行判断并对故障开关管进行定位；
步骤4中，编号规则如下：
坐标原点编号为0，无开路故障时电压空间矢量V1-V6编号为1-6，与V1-V6同向，但模长为V1-V6一半的电压空间矢量编号为7-12，沿直线ia＝0正方向的电压空间矢量编号为13，沿直线ia＝0负方向的电压空间矢量编号为14，沿直线ib＝0正方向的电压空间矢量编号为15，沿直线ib＝0负方向的电压空间矢量编号为16，沿直线ic＝0正方向的电压空间矢量编号为17，沿直线ic＝0负方向的电压空间矢量编号为18；不同情况下对应的电压空间矢量编号如表3、4所示；
表3无开路故障及单管开路故障时的编号表
故障开关管 对应编号 正常 0-1-2-3-4-5-6 S1 0-3-4-5-7-10-13-14 S2 0-4-5-6-8-11-17-18 S3 0-1-5-6-9-12-15-16 S4 0-1-2-6-7-10-13-14 S5 0-1-2-3-8-11-17-18 S6 0-2-3-4-9-12-15-16
表4多管开路故障时的编号表
故障开关管 对应编号 S1S4 0-7-10-13-14 S3S6 0-9-12-15-16 S5S2 0-8-11-17-18 S1S3 0-5-7-8-9-11-14-16 S1S5 0-3-7-9-11-12-13-18 S3S5 0-1-7-9-10-11-15-17 S4S6 0-2-8-10-11-12-13-15 S4S2 0-6-8-9-10-12-14-17 S6S2 0-4-8-7-10-12-16-18 S1S6 0-3-4-13-8-9-10-11-16 S1S2 0-4-5-9-10-11-12-14-18 S3S4 0-1-6-7-8-11-12-14-15 S3S2 0-5-6-7-10-11-12-16-17 S5S4 0-1-2-7-8-9-12-13-17 S5S6 0-2-3-7-8-9-10-15-18
与编号顺序无关，当对应于电压空间矢量的编号为0-1-2-3-4-5-6，则根据表3，判断为没有发生开路故障，若对应于电压空间矢量的编号为0-3-4-5-7-10-13-14，则根据表3，判断为S1发生开路故障；若对应于电压空间矢量的编号为0-7-10-13-14，则根据表4，判断为S1S4发生开路故障。
2.根据权利要求1所述的基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法，其特征在于，步骤1中，建立的无开路故障情况下电压空间矢量数学表达式如表1所示：
表1无开路故障电压空间矢量表
Figure FDA0002611480700000021
Figure FDA0002611480700000031
其中S(abc)为abc三相变流器开关函数，’1’表示该相上桥臂开关管导通，’0’表示该相下峭壁开关管导通，usa，usb，usc为三相变流器三相相电压，Vk为abc三相电压经过Clark变换后得到的电压空间矢量，Udc为直流电压，ejθ＝cosθ+jsinθ，以此类推，当开关函数S(abc)＝(1 00)T，即a相上桥臂开关管导通，b相下桥臂开关管导通，c相下桥臂开关管导通，此时采集的三相电压usa，usb，usc分别为2Udc/3，-Udc/3，-Udc/3，经过Clark变换后得到的电压空间矢量为
Figure FDA0002611480700000032
3.根据权利要求1所述的基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法，其特征在于，步骤2中，建立的单管开路故障情况下产生的畸变电压空间矢量数学表达式如表2所示：
表2单管故障时电压空间畸变矢量表
Figure FDA0002611480700000033
其中in(n＝a，b，c)为三相电流，S1-S6为六个开关管编号，Udc为直流电压，j为虚数单位，根据故障开关管位置和相电流可以确定故障时产生的畸变矢量，以此类推，当S1开关管发生开路故障且ia>0时，会产生一个(0+j0)Udc的畸变矢量；当S1开关管发生开路故障且ia＝0时，会产生一个
Figure FDA0002611480700000034
的畸变矢量；当S1开关管发生开路故障且ia<0时，会产生一个
Figure FDA0002611480700000035
的畸变矢量；
令
Figure FDA0002611480700000036
对表2中电压空间畸变矢量提取公因式，得到：
Figure FDA0002611480700000041
Figure FDA0002611480700000042
分析可得，当单管发生开路故障时，对应的畸变电压空间矢量为线性变换，故当两个开关管同时发生开路故障时，对应的畸变电压空间矢量可以看作是两次单管故障对应的畸变电压空间矢量的线性叠加。
4.根据权利要求1所述的基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法，其特征在于，步骤3中，无开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量为正常情况下产生的电压空间矢量，单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量由正常情况下产生的电压空间矢量和畸变电压空间矢量的矢量和确定。
5.根据权利要求1所述的基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法，其特征在于，步骤6中，Clark变换如下所示：
Figure FDA0002611480700000043
其中，Uα，Uβ为αβ坐标平面内的横纵坐标，Ua、Ub、Uc为定子三相电压。
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