CN110907859A - 一种ups系统中电压源型逆变器开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UPS系统中电压源型逆变器开路故障诊断方法，其中，所述方法包括：获取诊断参数，对所述诊断参数进行处理和转换，获取偏差信号和归一化的电流平均值；通过所述偏差信号判断电压源型逆变器的运行状况和是否在运行期间存在异常行为；若判断所述电压源型逆变器存在异常行为时，基于所述归一化的电流平均值判断所述电压源型逆变器中哪一个开关管发生异常。在发明实施例中，无需安装额外传感器的情况下，对UPS系统中电压源型逆变器进行开路故障诊断。

Description

一种UPS系统中电压源型逆变器开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及开关故障诊断技术领域，尤其涉及一种UPS系统中电压源型逆变器开路故障诊断方法。

背景技术

由于不间断电源(UPS)系统可以保证电能质量和电网稳定运行，以及严重负荷情况下的系统稳定性，UPS系统得到了越来越多的关注和重视。顾名思义，UPS系统是能够向重要负荷提供的电能的枢纽，也就是说，UPS系统的功能设计将会直接影响供电质量以及负荷运行的稳定性和可靠性，即使UPS系统发生轻微故障，也可能造成严重后果，带来巨大的经济损失。

逆变器是UPS系统的核心部分，承担着将蓄电池发出的直流电转变成交流电并供给负载的任务；由于逆变器(尤其是多电平逆变器)中包含了大量的电力开关，其故障概率也大大增加；短路故障和开路故障是逆变器的两种典型故障类型，通过硬件电路和保护装置，短路故障往往被转变为开路故障，但是开路故障还没有得到重视，这就增加了UPS系统和重要负荷运行的风险指数。

目前，针对逆变器开路故障诊断，已经提出了一些方法和策略，但是大多数方法都是针对永磁电机或者感应电机驱动系统，而不是应用于UPS系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种UPS系统中电压源型逆变器开路故障诊断方法，无需安装额外传感器的情况下，对UPS系统中电压源型逆变器进行开路故障诊断。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种UPS系统中电压源型逆变器的开路故障诊断方法，所述方法包括：

获取诊断参数，对所述诊断参数进行处理和转换，获取偏差信号和归一化的电流平均值；

通过所述偏差信号判断电压源型逆变器的运行状况和是否在运行期间存在异常行为；

若判断所述电压源型逆变器存在异常行为时，基于所述归一化的电流平均值判断所述电压源型逆变器中哪一个开关管发生异常。

可选的，所述诊断参数为相电流。

可选的，所述电压源型逆变器工作正常时，并且三相平衡，则三相输出的相电流定义为：

当三相输出相电流的幅值和相角发生变化时，利用帕克矢量的模对相电流进行归一化处理，即定义为：

其中，i_d和i_q是帕克矢量的组成部分，因此，则有：

则定义相电流归一化的结果为：

其中，i_a,i_b和i_c是三相输出的相电流；

表示为矢量模；I_m表示相电流最大值，ω_s代表电流频率，

表示初相角；i_nN为归一化相电流；i_aN，i_bN和i_cN分别表示三相线输出点N的电流。

可选的，所述相电流归一化的结果与相电流幅值无关，则可获得归一化后相电流的绝对平均值作为归一化的电流平均值；

其中，归一化后相电流的绝对平均值为：

在三相平衡的条件下，＜|i_nN|＞的值应是常数，即：

通过计算＜|i_nN|＞^*和＜|i_nN|＞的差，即可获得偏差信号e_n，即：

其中，＜|i_nN|＞为归一化后相电流的绝对平均值；e_n为偏差信号。

可选的，所述通过所述偏差信号判断电压源型逆变器的运行状况和是否在运行期间存在异常行为，包括：

通过判断所述偏差信号曲线是否偏离坐标轴来确认所述电压源型逆变器的运行状况和是否在运行期间存在异常行为；

当所述偏差信号曲线偏离坐标轴时，则所述电压源型逆变器的运行存在异常；反之，所述电压源型逆变器的运行正常。

可选的，所述基于所述归一化的电流平均值判断所述电压源型逆变器中哪一个开关管发生异常，包括：

选择E_n1和E_n2作为偏差信号的阈值，M_n2作为归一化后相电流的绝对平均值的阈值；

则，诊断结果可以表示如下：

其中，E_n1是单相单开关开路故障发生的标志，E_n2是单相开路故障的标志，同时，<i_nN>属于哪个区间由M_n1决定，即M_n1可以表示发生开路故障的开关管数量。

在本发明实施例中，使用本发明实施例中的方法，其诊断过程中使用的诊断参数提取自相电流，无需额外安装传感器，且该方案可靠性高，鲁棒性好，实用性强；本发明简单、易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例中连接星型负载的典型电压源型逆变器拓扑；

图2是本发明实施例中UPS系统中电压源型逆变器的开路故障诊断方法的信号流向示意图；

图3是本发明实施例中UPS系统中电压源型逆变器的开路故障诊断方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1、图2和图3，图1是本发明实施例中连接星型负载的典型电压源型逆变器拓扑；图2是本发明实施例中UPS系统中电压源型逆变器的开路故障诊断系统的结构组成示意图；图3是本发明实施例中UPS系统中电压源型逆变器的开路故障诊断方法的流程示意图。

如图1、图2和图3所示，一种UPS系统中电压源型逆变器的开路故障诊断方法，所述方法包括：

S11：获取诊断参数，对所述诊断参数进行处理和转换，获取偏差信号和归一化的电流平均值；

在本发明实施例中，诊断参数为相电流。

进一步的，所述电压源型逆变器工作正常时，并且三相平衡，则三相输出的相电流定义为：

其中，i_a,i_b和i_c是三相输出的相电流，I_m表示相电流最大值，ω_s代表电流频率，

表示初相角；

当三相输出相电流的幅值和相角发生变化时，利用帕克矢量的模对相电流进行归一化处理，即定义为：

其中，i_d和i_q是帕克矢量的组成部分，因此，则有：

式中：

为矢量模。

则定义相电流归一化的结果为：

式中：i_nN为归一化相电流。

进一步的，所述相电流归一化的结果与相电流幅值无关，则可获得归一化后相电流的绝对平均值作为归一化的电流平均值；

其中，归一化后相电流的绝对平均值为：

式中：＜|i_nN|＞为归一化后相电流的绝对平均值。

在三相平衡的条件下，＜|i_nN|＞的值应是常数，即：

通过计算＜|i_nN|＞^*和＜|i_nN|＞的差，即可获得偏差信号e_n，即：

式中:e_n为偏差信号。

具体的，选用相电流作为诊断参数，当逆变器正常工作，并且三相平衡，则三相输出电流可定义为：

其中，I_m表示相电流最大值，ω_s代表电流频率，

表示初相角；

当三相输出相电流的幅值和相角发生变化时，利用帕克矢量的模对相电流进行归一化处理，即定义为：

其中，i_d和i_q是帕克矢量的组成部分，因此，则有：

则定义相电流归一化的结果为：

从上述表达式可知，归一化后相电流值与相电流幅值无关，并且有利于设定阈值；现可获得归一化后相电流的绝对平均值：

其中，归一化后相电流的绝对平均值为：

在三相平衡的条件下，＜|i_nN|＞的值应是常数，即：

通过计算＜|i_nN|＞^*和＜|i_nN|＞的差，即可获得偏差信号e_n，即：

S12：通过所述偏差信号判断电压源型逆变器的运行状况和是否在运行期间存在异常行为；

在本发明具体实施过程中，所述通过所述偏差信号判断电压源型逆变器的运行状况和是否在运行期间存在异常行为，包括：通过判断所述偏差信号曲线是否偏离坐标轴来确认所述电压源型逆变器的运行状况和是否在运行期间存在异常行为；当所述偏差信号曲线偏离坐标轴时，则所述电压源型逆变器的运行存在异常；反之，所述电压源型逆变器的运行正常。

具体的，为了说明引入这两个参数(偏差信号和归一化后相电流的绝对平均值)的意义，必须对UPS系统中的逆变器正常运行的情况下，这两个参数的正常值进行分析；正常运行时，这两个参数将保持为0，则非正常状态下，偏差信号曲线会偏离坐标轴，这意味着至少存在一个单开关开路故障。

S13：若判断所述电压源型逆变器存在异常行为时，基于所述归一化的电流平均值判断所述电压源型逆变器中哪一个开关管发生异常。

在本发明具体实施过程中，所述基于所述归一化的电流平均值判断所述电压源型逆变器中哪一个开关管发生异常，包括：

选择E_n1和E_n2作为偏差信号的阈值，M_n2作为归一化后相电流的绝对平均值的阈值；

则，诊断结果可以表示如下：

其中，E_n1是单相单开关开路故障发生的标志，E_n2是单相开路故障的标志，同时，<i_nN>属于哪个区间由M_n1决定，即M_n1可以表示发生开路故障的开关管数量。

具体的，同样地，一旦某个开关发生开路故障，归一化电流的平均值将改变，而不是保持在零；综上所述，偏差信号代表了电压源型逆变器的运行情况以及是否在运行期间存在异常行为，同时在偏差信号判断的基础上，利用归一化电流的平均值，判断故障发生在哪个开关管。

为了使诊断结果更加直观，选择E_n1和E_n2作为偏差信号的阈值，M_n2作为归一化后相电流的绝对平均值的阈值；在此基础上，诊断结果可以表示如下：

其中，E_n1是单相单开关开路故障发生的标志，E_n2是单相开路故障的标志，同时，<i_nN>属于哪个区间由M_n1决定，即M_n1可以表示发生开路故障的开关管数量。

所有的故障类型和组合的诊断结果如表1。

表1故障开关诊断结果

在本发明实施例中，使用本发明实施例中的方法，其诊断过程中使用的诊断参数提取自相电流，无需额外安装传感器，且该方案可靠性高，鲁棒性好，实用性强；本发明简单、易于实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

另外，以上对本发明实施例所提供的一种UPS系统中电压源型逆变器开路故障诊断方法进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种UPS系统中电压源型逆变器的开路故障诊断方法，其特征在于，所述方法包括：

获取诊断参数，对所述诊断参数进行处理和转换，获取偏差信号和归一化的电流平均值；

通过所述偏差信号判断电压源型逆变器的运行状况和是否在运行期间存在异常行为；

若判断所述电压源型逆变器存在异常行为时，基于所述归一化的电流平均值判断所述电压源型逆变器中哪一个开关管发生异常。

2.根据权利要求1所述的开路故障诊断方法，其特征在于，所述诊断参数为相电流。

3.根据权利要求2所述的开路故障诊断方法，其特征在于，所述电压源型逆变器工作正常时，并且三相平衡，则三相输出的相电流定义为：

当三相输出相电流的幅值和相角发生变化时，利用帕克矢量的模对相电流进行归一化处理，即定义为：

其中，i_d和i_q是帕克矢量的组成部分，因此，则有：

则定义相电流归一化的结果为：

其中，i_a,i_b和i_c是三相输出的相电流；

表示为矢量模；I_m表示相电流最大值，ω_s代表电流频率，

表示初相角；i_nN为归一化相电流；i_aN，i_bN和i_cN分别表示三相线输出点N的电流。

4.根据权利要求3所述的开路故障诊断方法，其特征在于，所述相电流归一化的结果与相电流幅值无关，则可获得归一化后相电流的绝对平均值作为归一化的电流平均值；

其中，归一化后相电流的绝对平均值为：

在三相平衡的条件下，＜|i_nN|＞的值应是常数，即：

通过计算＜|i_nN|＞^*和＜|i_nN|＞的差，即可获得偏差信号e_n，即：

其中，＜|i_nN|＞为归一化后相电流的绝对平均值；e_n为偏差信号。

5.根据权利要求1所述的开路故障诊断方法，其特征在于，所述通过所述偏差信号判断电压源型逆变器的运行状况和是否在运行期间存在异常行为，包括：

通过判断所述偏差信号曲线是否偏离坐标轴来确认所述电压源型逆变器的运行状况和是否在运行期间存在异常行为；

当所述偏差信号曲线偏离坐标轴时，则所述电压源型逆变器的运行存在异常；反之，所述电压源型逆变器的运行正常。

6.根据权利要求1所述的开路故障诊断方法，其特征在于，所述基于所述归一化的电流平均值判断所述电压源型逆变器中哪一个开关管发生异常，包括：

选择E_n1和E_n2作为偏差信号的阈值，M_n2作为归一化后相电流的绝对平均值的阈值；

则，诊断结果可以表示如下：

其中，E_n1是单相单开关开路故障发生的标志，E_n2是单相开路故障的标志，同时，<i_nN>属于哪个区间由M_n1决定，即M_n1可以表示发生开路故障的开关管数量。

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