CN111562517A - 一种npc三电平逆变器开关管开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瞬时幅值的NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法。该发明基于逆变器三相电流的特征，实现逆变器开路故障诊断。对三相电流进行Park变换以及归一化处理，利用加权滑动希尔伯特变换求得瞬时幅值，利用瞬时幅值和三相电流的周期均值定义故障检测值，通过故障检测值和故障阈值从而确定故障类型。该发明利用加权滑动希尔伯特算法有效地克服了数据段之间的端点效应，并且很好的克服了电流信号频率变化的影响，同时定义故障检测值对故障进行诊断，降低了计算量和诊断的复杂度。

Description

一种NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及故障诊断技术领域，尤其是一种NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法。

背景技术

NPC型三电平逆变器具有损耗低、输出电压和电流波形谐波含量低、器件应力小、输出容量大等诸多优点，被广泛运用在光伏微电网中。然而，在光伏逆变器运行过程中，受环境或其他因素影响可能会发生由高电或高热应力、驱动电路故障或者导线断路所造成的开路故障，其中逆变器的功率开关器件在光伏逆变系统中是最容易发生开路故障的薄弱环节。为了保证NPC型三电平逆变器在实际运行环境中的可靠运行，对逆变器的功率开关器件故障诊断的及时性以及准确性提出了更高的要求。这样将减少维修人员对故障器件的更换或者维修的时间，从而减少由于功率开关器件故障而造成的经济以及效率问题。

NPC型三电平逆变器的功率开关器件的常见故障可以分为开路故障和短路故障。当发生短路故障时，保护电路会立即对其进行封锁，利用自身的熔断器转化为开路故障；当功率开关器件发生开路故障时，故障现象不易被察觉，会导致输出波形发生畸变、直流侧电压不平衡甚至会导致整个电路停止工作，使得整个NPC三电平逆变器系统崩溃，造成不可估计的经济损失。有数据表明，在众多开路故障类型中，发生单个功率开关管开路故障的几率最高，因此，我们着重研究单个功率开关管发生开路故障时的故障类型。

当前针对逆变器开路故障诊断方法可分为以下几种：①电流Park矢量斜率法，在开路故障检测时，容易受到负载扰动以及瞬时变化等因素的干扰，导致存在较小负载下的漏报以及瞬态变化下的误报。②开关器件特征参数法，需要引入新的采集点来获取特征参数，增加了系统的复杂性，不利于系统的可靠性的提高，同时也增加了成本。③归一化直流法，主要是为了解决故障诊断过程中由于负载扰动导致的误诊问题，利用归一化直流量完成功率管开路的诊断以及定位，但是计算量较大，存在诊断延迟现象。

发明内容

本发明的目的就是提供一种NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有

一种NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，具体步骤如下：

1)数据采样：对NPC三电平逆变器一个采样周期内三相输出电流进行多次采样，三相电路分别记为支路a、b、c，则三相输出电流为i_jh；其中：j＝a,b,c，h为第h次采样获得的样本，h＝1,2,...N,N为一个采样周期内的最大的采样次数，N为正整数；

2)计算归一化Park矢量：对步骤1得到的三相输出电流i_jh，通过Park变换得到Park矢量

经归一化计算得到归一化Park矢量

其中：j＝a,b,c，h＝1,2,...N；

3)计算瞬时幅均值：将步骤2得到的归一化Park矢量

通过加权滑动希尔伯特算法分解为三角函数形式的复分解信号，并得到三相输出电流的归一化Park矢量的瞬时幅值

根据

进行均值计算得到瞬时幅均值均值μ_j，其中：j＝a,b,c，h＝1,2,...N；

4)将步骤1)得到的三相输出电流i_jh，经归一化以及均值计算得到三相输出电流i_jh的周期均值，三相输出电流周期均值为ν_j，其中：j＝a,b,c；

5)自定义故障检测值M，设定故障检测值M的故障检测阈值M₁、M₂、M₃；

6)通过步骤3)计算的瞬时幅均值均值μ_j及步骤4)计算的三相输出电流周期均值ν_j计算故障检测值M，通过将故障检测值M与故障检测阈值M₁、M₂、M₃比较，进行故障判定，其中：j＝a,b,c。

进一步，步骤1)中对NPC三电平逆变器一个采样周期内三相输出电流进行采样的步骤如下：

1-1)将NPC三电平逆变器三相电路分别记为支路a、b、c；

1-2)对NPC三电平逆变器三相回路的输出电流分别进行采样，得到三相输出电流为i_jh；其中：j＝a,b,c，h为第h次采样获得的样本，h＝1,2,...N,N为一个采样周期内的最大的采样次数，N为正整数。

进一步，对步骤1)得到的三相输出电流i_jh，通过Park变换得到Park矢量，经归一化计算得到归一化Park矢量的步骤如下：

2-1)对步骤1)得到的三相输出电流i_jh，通过Park变换得到Park矢量

公式为:

2-2)经归一化计算得到归一化Park矢量

公式为：

进一步，计算瞬时幅均值的具体步骤如下：

3-1)将步骤2)得到的归一化Park矢量

通过加权滑动希尔伯特算法分解为三角函数形式的复分解信号，并得到三相输出电流的归一化Park矢量的瞬时幅值

其步骤如下:

3-1-1)记对归一化Park矢量

进行加权滑动希尔伯特变换的滑动窗口S的移动步长为K，每个滑动窗口的滑动次数为L，则每个窗口的数据长度为M＝K×L，则记任意一个滑动窗口的序列号为S_i，i＝1,2...,L,；

3-1-2)将归一化Park矢量

经滑动窗口S_i进行Hilbert变换结果记为电流序列Z_i(t)＝X_i(t)+Y_i(t)，则与电流序列X_i(t)对应的归一化Park矢量

的瞬时幅值

的表达式为：

其中，t为时间；q为第(i-M/K+1)个滑动窗口到第i个滑动窗口中的任一个窗口；C为用于加权求和运算的高斯序列,C＝[c₁,c₂...,c_L]；

3-2)根据

得到进行均值计算得到相应故障特征值μ_j，j＝a,b,c，h＝1,2,...N；公式为:

进一步，步骤4)中计算电流周期均值的具体步骤如下：

4-1)根据步骤1)得到的三相输出电流i_jh，经归一化以及均值计算得到三相输出电流i_jh的周期均值，并记周期均值为ν_j，j＝a,b,c；公式为：

进一步，步骤5)中自定义故障检测值M，设定故障检测阈值阈值的具体步骤如下：

5-1)设定故障检测值M，其公式如下：

其中：j＝a,b,c

5-2)设定故障检测值M的3个故障检测阈值M₁、M₂、M₃。

进一步，步骤6中进行故障判定的具体情况如下：

6-1)通过步骤3)计算的瞬时幅均值均值μ_j及步骤4)计算的三相输出电流周期均值ν_j计算故障检测值M_a、M_b、M_c；

6-2)将步骤6-1)计算得到的故障检测值M_a、M_b、M_c分别与故障检测阈值M₁、M₂、M₃进行比较，判定故障，共分为13种情况：

若M_a、M_b、M_c都趋近于无穷大，则逆变器正常工作，无故障；

若M₁<M_a<M₂,则三相电路a支路的第一个开关管V_a1发生开路故障；

若M_a<M₁，则三相电路a支路的第二个开关管V_a2发生开路故障；

若M₃<M_a，则三相电路a支路的第三个开关管V_a3发生开路故障；

若M₂<M_a<M₃，则三相电路a支路的第四个开关管V_a4发生开路故障；

若M₁<M_b<M₂,，则三相电路b支路的第一个开关管V_b1发生开路故障；

若M_b<M₁，则三相电路b支路的第二个开关管V_b2发生开路故障；

若M₃<M_b，则三相电路b支路的第三个开关管V_b3发生开路故障；

若M₂<M_b<M₃，则三相电路b支路的第四个开关管V_b4发生开路故障；

若M₁<M_c<M₂，则三相电路c支路的第一个开关管V_c1发生开路故障；

若M_c<M₁，则三相电路c支路的第二个开关管V_c2发生开路故障；

若M₃<M_c，则三相电路c支路的第三个开关管V_c3发生开路故障；

若M₂<M_c<M₃，则三相电路c支路的第四个开关管V_c4发生开路故障。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

①该方法利用加权滑动希尔伯特变换法对网侧归一化Park矢量瞬时幅值进行估计，可以消除数据段之间的端点效应带来的误差，实现了时间序列的连续光滑的频谱分析，更加准确的求出三相输出电流的归一化Park矢量的瞬时幅值

②本技术方法不受网测电流信号频率以及幅值变化的影响；

③基于加权滑动希尔变换法求出的三相输出电流的归一化Park矢量的瞬时幅值

和相电流均值法求出的三相输出电流的周期均值ν_j相结合，定义故障检测值对故障进行诊断，

实现了直接基于三相输出电流的特征对功率开关管故障的检测以及定位，降低了计算量和诊断的复杂度。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1是本发明基于瞬时幅值的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法流程图。

图2是本发明所应用的NPC型逆变器基本结构图。

图3是本发明发生单开路故障时三相电流的仿真波形图。

图4是本发明发生单开路故障时归一化Park矢量

的仿真波形图。

图5是本发明发生单开路故障时归一化Park矢量瞬时幅值

的均值μ_j。

图6是本发明发生单开路故障时三相输出电流周期均值ν_j。

图7是本发明发生单开路故障时故障诊断结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供一种基于瞬时幅值的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法，其应用NPC型逆变器基本结构图如图2所示，包括直流电源U_dc、两个直流侧电容、三相拓扑结构和三相负载电阻；

所述两个直流侧电容完全相同，记为直流侧电容C1和直流侧电容C2，所述三相拓扑结构完全相同，共包括12个带反向并联二极管的IGBT和6个箝位二极管，即每相包括4个带反向并联二极管的IGBT和2个箝位二极管，将IGBT记为V_je，其中j＝a,b,c，表示相序，e＝1,2,3,4，表示每相IGBT的序号，将二极管记为D_jg，其中g＝1,2，表示箝位二极管的序号；所述三相负载电阻完全相同，记为电阻R1、电阻R2和电阻R3；

所述直流侧电容C1和直流侧电容C2串联后与直流电源U_dc并联，交于直流正母线P和直流负母线Q，直流侧电容C1和直流侧电容C2的连接点记为逆变器的中性点O；所述三相桥臂相互并联，开关管V_a1、V_b1、V_c1的集电极连接直流正母线P，开关管V_a2、V_b2、V_c2的集电极分别连接开关管V_a1、V_b1、V_c1的发射极，开关管V_a3、V_b3、V_c3的集电极分别连接开关管V_a2、V_b2、V_c2的发射极，开关管V_a4、V_b4、V_c4的集电极分别连接开关管V_a3、V_b3、V_c3的发射极，V_a4、V_b4、V_c4的发射极连接直流负母线Q；

开关器件D_a1、D_b1、D_c1的阳极连接中性点O，开关器件D_a1的阴极连接开关器件V_a1的集电极，开关器件D_b1的阴极连接开关器件V_b1的集电极，开关器件D_c1的阴极连接开关器件V_c1的集电极；开关器件D_a2、D_b2、D_c2的阴极连接中性点O，开关器件D_a2的阳极连接开关器件V_a3的发射极，开关器件D_b2的阳极连接开关器件V_b3的发射极，开关器件D_c2的阳极连接开关器件V_c3的发射极；

V_a2的发射极连接电阻R1的输入端，V_b2的发射极连接电阻R2的输入端，V_c2的发射极连接电阻R3的输入端，电阻R1、电阻R2和电阻R3并联后接地；

本发明实施时的有关电气参数设置如下：NPC三电平逆变器直流电源U_dc＝500V，直流侧电容C1＝直流侧电容C2＝2820F。

1、中对NPC三电平逆变器一个采样周期内三相输出电流进行采样的步骤如下：

1-1)对NPC三电平逆变器三相回路的输出电流分别进行采样，得到三相输出电流为i_jh；其中：j＝a,b,c，h为第h次采样获得的样本，h＝1,2,...N,N为一个采样周期内的最大的采样次数，N为正整数；采样波形如图3所示。

2、对步骤1)得到的三相输出电流i_jh，通过Park变换得到Park矢量，经归一化计算得到归一化Park矢量的步骤如下：

2-1)对步骤1)得到的三相输出电流i_jh，通过Park变换得到Park矢量

公式为:

2-2)经归一化计算得到归一化Park矢量

公式为：

计算得到的归一化Park矢量

仿真波形如图4所示。

3、计算瞬时幅均值的具体步骤如下：

3-1)将步骤2)得到的归一化Park矢量

通过加权滑动希尔伯特算法分解为三角函数形式的复分解信号，并得到三相输出电流的归一化Park矢量的瞬时幅值

其步骤如下:

3-1-1)记对归一化Park矢量

进行加权滑动希尔伯特变换的滑动窗口S的移动步长为K，每个滑动窗口的滑动次数为L，则每个窗口的数据长度为M＝K×L，则记任意一个滑动窗口的序列号为S_i，i＝1,2...,L,；

3-1-2)将归一化Park矢量

经滑动窗口S_i进行Hilbert变换结果记为电流序列Z_i(t)＝X_i(t)+Y_i(t)，则与电流序列X_i(t)对应的归一化Park矢量

的瞬时幅值

的表达式为：

其中，t为时间；q为第(i-M/K+1)个滑动窗口到第i个滑动窗口中的任一个窗口；C为用于加权求和运算的高斯序列,C＝[c₁,c₂...,c_L]；

3-2)根据

得到进行均值计算得到相应故障特征值μ_j，j＝a,b,c，h＝1,2,...N；公式为:

计算得到的矢量瞬时幅值均值μ_j的采样波形如图5所示。

4、计算电流周期均值的具体步骤如下：

4-1)根据步骤1)得到的三相输出电流i_jh，经归一化以及均值计算得到三相输出电流i_jh的周期均值，并记周期均值为ν_j，j＝a,b,c；公式为：

计算得到的三相电流的周期均值ν_j的采样波形如图6所示。

5)自定义故障检测值M，设定故障检测阈值阈值的具体步骤如下：

5-1)设定故障检测值M，其公式如下：

其中：j＝a,b,c

5-2)设定故障检测值M的3个故障检测阈值M₁＝4.3、M₂＝6、M₃＝7.3。

6、进行故障判定的具体情况如下：

6-1)通过步骤3)计算的瞬时幅均值均值μ_j及步骤4)计算的三相输出电流周期均值ν_j计算故障检测值取x＝1,则有0.1S后：

M_b＝+∞、M_c＝+∞；

6-2)将步骤6-1)计算得到的故障检测值M_a、M_b、M_c分别与故障检测阈值M₁、M₂、M₃进行比较，判定故障，共分为13种情况：

若M_a、M_b、M_c都趋近于无穷大，则逆变器正常工作，无故障；

若M₁<M_a<M₂,则三相电路a支路的第一个开关管V_a1发生开路故障；

若M_a<M₁，则三相电路a支路的第二个开关管V_a2发生开路故障；

若M₃<M_a，则三相电路a支路的第三个开关管V_a3发生开路故障；

若M₂<M_a<M₃，则三相电路a支路的第四个开关管V_a4发生开路故障；

若M₁<M_b<M₂,，则三相电路b支路的第一个开关管V_b1发生开路故障；

若M_b<M₁，则三相电路b支路的第二个开关管V_b2发生开路故障；

若M₃<M_b，则三相电路b支路的第三个开关管V_b3发生开路故障；

若M₂<M_a<M₃，则三相电路b支路的第四个开关管V_b4发生开路故障；

若M₁<M_c<M₂，则三相电路c支路的第一个开关管V_c1发生开路故障；

若M_c<M₁，则三相电路c支路的第二个开关管V_c2发生开路故障；

若M₃<M_c，则三相电路c支路的第三个开关管V_c3发生开路故障；

若M₂<M_c<M₃，则三相电路c支路的第四个开关管V_c4发生开路故障。

由计算结果可知0.1S后，M_b＝+∞、M_c＝+∞均趋近于无穷大，因此三相电路b、c支路无开路故障，M_a<M₁则判定三相电路a支路的第二个开关管V_a2发生开路故障。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)数据采样：对NPC三电平逆变器一个采样周期内三相输出电流进行多次采样，三相电路分别记为支路a、b、c，则三相输出电流为i_jh；其中：j＝a,b,c，h为第h次采样获得的样本，h＝1,2,...N,N为一个采样周期内的最大的采样次数，N为正整数；

2)计算归一化Park矢量：对步骤1得到的三相输出电流i_jh，通过Park变换得到Park矢量

经归一化计算得到归一化Park矢量

其中：j＝a,b,c，h＝1,2,...N；

3)计算瞬时幅均值：将步骤2得到的归一化Park矢量

通过加权滑动希尔伯特算法分解为三角函数形式的复分解信号，并得到三相输出电流的归一化Park矢量的瞬时幅值

根据

进行均值计算得到瞬时幅均值均值μ_j，其中：j＝a,b,c，h＝1,2,...N；

4)将步骤1)得到的三相输出电流i_jh，经归一化以及均值计算得到三相输出电流i_jh的周期均值，三相输出电流周期均值为ν_j，其中：j＝a,b,c；

5)自定义故障检测值M，设定故障检测值M的故障检测阈值M₁、M₂、M₃；

6)通过步骤3)计算的瞬时幅均值均值μ_j及步骤4)计算的三相输出电流周期均值ν_j计算故障检测值M，通过将故障检测值M与故障检测阈值M₁、M₂、M₃比较，进行故障判定，其中：j＝a,b,c。

2.如权利要求1所述的NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，步骤1)中对NPC三电平逆变器一个采样周期内三相输出电流进行采样的步骤如下：

1-1)将NPC三电平逆变器三相电路分别记为支路a、b、c；

1-2)对NPC三电平逆变器三相回路的输出电流分别进行采样，得到三相输出电流为i_jh；其中：j＝a,b,c，h为第h次采样获得的样本，h＝1,2,...N,N为一个采样周期内的最大的采样次数，N为正整数。

3.如权利要求1所述的NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，对步骤1)得到的三相输出电流i_jh，通过Park变换得到Park矢量，经归一化计算得到归一化Park矢量的步骤如下：

2-1)对步骤1)得到的三相输出电流i_jh，通过Park变换得到Park矢量

公式为:

2-2)经归一化计算得到归一化Park矢量

公式为：

。

4.如权利要求3所述的NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，计算瞬时幅均值的具体步骤如下：

3-1)将步骤2)得到的归一化Park矢量

通过加权滑动希尔伯特算法分解为三角函数形式的复分解信号，并得到三相输出电流的归一化Park矢量的瞬时幅值

其步骤如下:

3-1-1)记对归一化Park矢量

进行加权滑动希尔伯特变换的滑动窗口S的移动步长为K，每个滑动窗口的滑动次数为L，则每个窗口的数据长度为M＝K×L，则记任意一个滑动窗口的序列号为S_i，i＝1,2...,L,；

3-1-2)将归一化Park矢量

经滑动窗口S_i进行Hilbert变换结果记为电流序列Z_i(t)＝X_i(t)+Y_i(t)，则与电流序列X_i(t)对应的归一化Park矢量

的瞬时幅值

的表达式为：

其中，t为时间；q为第(i-M/K+1)个滑动窗口到第i个滑动窗口中的任一个窗口；C为用于加权求和运算的高斯序列,C＝[c₁,c₂K,c_L]；

3-2)根据

得到进行均值计算得到相应故障特征值μ_j，j＝a,b,c，h＝1,2,...N；公式为:

。

5.如权利要求1所述的NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，步骤4中计算电流周期均值的具体步骤如下：

4-1)根据步骤1)得到的三相输出电流i_jh，经归一化以及均值计算得到三相输出电流i_jh的周期均值，并记周期均值为ν_j，j＝a,b,c；公式为：

。

6.如权利要求1所述的NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，步骤5)中自定义故障检测值M，设定故障检测阈值阈值的具体步骤如下：

5-1)设定故障检测值M，其公式如下：

其中：j＝a,b,c

5-2)设定故障检测值M的3个故障检测阈值M₁、M₂、M₃。

7.如权利要求1所述的NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，步骤6中进行故障判定的具体情况如下：

6-1)通过步骤3)计算的瞬时幅均值均值μ_j及步骤4)计算的三相输出电流周期均值ν_j计算故障检测值M_a、M_b、M_c；

6-2)将步骤6-1)计算得到的故障检测值M_a、M_b、M_c分别与故障检测阈值M₁、M₂、M₃进行比较，判定故障，共分为13种情况：

若M_a、M_b、M_c都趋近于无穷大，则逆变器正常工作，无故障；

若M₁<M_a<M₂,则三相电路a支路的第一个开关管V_a1发生开路故障；

若M_a<M₁，则三相电路a支路的第二个开关管V_a2发生开路故障；

若M₃<M_a，则三相电路a支路的第三个开关管V_a3发生开路故障；

若M₂<M_a<M₃，则三相电路a支路的第四个开关管V_a4发生开路故障；

若M₁<M_b<M₂,，则三相电路b支路的第一个开关管V_b1发生开路故障；

若M_b<M₁，则三相电路b支路的第二个开关管V_b2发生开路故障；

若M₃<M_b，则三相电路b支路的第三个开关管V_b3发生开路故障；

若M₂<M_b<M₃，则三相电路b支路的第四个开关管V_b4发生开路故障；

若M₁<M_c<M₂，则三相电路c支路的第一个开关管V_c1发生开路故障；

若M_c<M₁，则三相电路c支路的第二个开关管V_c2发生开路故障；

若M₃<M_c，则三相电路c支路的第三个开关管V_c3发生开路故障；

若M₂<M_c<M₃，则三相电路c支路的第四个开关管V_c4发生开路故障。

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