CN111781436B - 换流器的故障检测装置、故障检测方法和变流系统 - Google Patents

Abstract

一种换流器的故障检测方法、故障检测装置和具有这样的故障检测装置的变流系统，换流器包括开关器件并且连接至具有调制电压的PWM调制电路，PWM调制电路使得开关器件以开关周期导通或关断，从而换流器将来自外部电源的输入电压和输入电流转换成输出电压和输出电流；故障检测方法包括：计算特定时间段内的输入电流变化估测值；检测特定时间段起始时刻的起始输入电流测量值和特定时间段终止时刻的终止输入电流测量值；将起始输入电流测量值与终止输入电流测量值比较，以得到特定时间段内的输入电流变化测量值；当输入电流变化估测值与输入电流变化测量值的差值超过输入电流变化阈值时，认定换流器存在故障。

Description

换流器的故障检测装置、故障检测方法和变流系统

技术领域

本发明涉及换流器的故障检测，特别地涉及一种用于轨道交通的牵引变流器的故障检测。

背景技术

随着社会和经济的发展，铁路建设也在不断的增长，电力机车机车和动车组的数量也在不断的增多，电力机车的牵引变流器作为牵引系统的核心装备，其运行的稳定性与对外部工况的适应性是技术人员不断追求的目标。

在电力牵引传动系统中，变流器由于老化、过载、不当操作等原因，以及长期处于电热应力和电磁干扰环境之下，其故障率在传动系统中一直居高不下。根据2009至2013年度武广线CRH3型高速动车组电力牵引传动系统故障数据统计分析结果，电力牵引变流器故障249次，其中整流器AC/DC和逆变器DC/AC功率模块共故障160次，占牵引变流器部件总故障次数的65％。

虽然目前牵引变流器的功率组件已经集成了过压、过流、过热和电路欠压等检测和保护电路，但由于牵引变流器工作环境复杂，负载突变、电网扰动、非正常使用和电磁干扰等都可能造成保护电路失效。因此需要及时诊断和定位牵引变流器故障，保障牵引传动系统的安全可靠运行。

牵引变流器在实际的运行过程中，收到各方面外部因素的影响，对于整流器来说，其受到电网以及负载侧影响较大。电网发生拉弧、跳弓、中断、畸变等故障时，都会在输入电流上反映出较为显著的变化，而负载侧或者变流器内部的短路，也会造成输入电流的突变。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种快速判断换流器故障或者外部工况出现异常的方法和装置。

本发明第一方面公开了一种换流器的故障检测装置，换流器包括开关器件并且连接至具有调制电压的PWM调制电路，PWM调制电路使得开关器件以开关周期导通或关断，从而换流器将来自外部电源的输入电压和输入电流转换成输出电压和输出电流，故障检测装置包括：计算模块，在时长等于开关周期的特定时间段开始之前，计算模块计算特定时间段内的电流变化估测值；检测模块，检测模块检测特定时间段起始时刻的起始输入电流测量值和特定时间段终止时刻的终止输入电流测量值；比较模块，比较模块将起始输入电流测量值与终止输入电流测量值比较，以得到特定时间段内的输入电流变化测量值；判断模块，当输入电流变化估测值与输入电流变化测量值的差值超过电流变化阈值时，判断模块认定换流器存在故障。

优选地，计算模块计算输入电压在特定时间段内的输入电压平均值和调制电压在特定时间段内的调制电压平均值，并且根据输入电压平均值与调制电压平均值的差异，计算特定时间段内的输入电流变化估测值。

优选地，计算模块以下述公式计算输入电流变化估测值：输入电流变化估测值＝((输入电压平均值-调制电压平均值)×开关周期)/输入侧等效漏感。

优选地，根据特定时间段内的PWM调制电路的占空比估测调制电压平均值。

优选地，换流器为整流器或电源型逆变器。

本发明第二方面公开了一种换流器的故障检测方法，换流器包括开关器件并且连接至具有调制电压的PWM调制电路，PWM调制电路使得开关器件以开关周期导通或关断，从而换流器将来自外部电源的输入电压和输入电流转换成输出电压和输出电流；故障检测方法包括：计算步骤，在时长等于开关周期的特定时间段开始之前执行计算步骤，在计算步骤中，计算特定时间段内的输入电流变化估测值；检测步骤，在检测步骤中，检测特定时间段起始时刻的起始输入电流测量值和特定时间段终止时刻的终止输入电流测量值；比较步骤，在比较步骤中，将起始输入电流测量值与终止输入电流测量值比较，以得到特定时间段内的输入电流变化测量值；判断步骤，在判断步骤中，当输入电流变化估测值与输入电流变化测量值的差值超过输入电流变化阈值时，认定换流器存在故障。

优选地，在计算步骤中，计算输入电压在特定时间段内的输入电压平均值与调制电压在特定时间段内的调制电压平均值，并且根据输入电压平均值与调制电压平均值的差异，计算特定时间段内的电流变化估测值。

优选地，在计算步骤中，以下述公式计算输入电流变化估测值：输入电流变化估测值＝((输入电压平均值-调制电压平均值)×开关周期)/输入侧等效漏感。

优选地，根据特定时间段内的PWM调制电路的占空比估测调制电压平均值。

优选地，换流器为整流器或电源型逆变器。

本发明第三方面公开了一种变流系统，变流系统包括：换流器，换流器包括开关器件；PWM调制电路，PWM调制电路具有调制电压，PWM调制电路使得开关器件以开关周期导通或关断，从而换流器将来自外部电源的输入电压和输入电流转换成输出电压和输出电流；以及本发明第一方面的故障检测装置。

采用本发明的上述方法和装置，可以通过控制过程中的中间变量对换流器运行工况进行判定，识别出换流器运行异常或者出现了外部故障。通过换流器预期发出的PWM脉冲与脉冲作用到换流器上之后产生的结果之间的差异来判定换流器是否出现异常。

此外，本发明并不需要获取换流器的脉冲状态，而在控制算法中预测下一个开关周期的占空比，根据网侧输入电压与调制电压在下一个开关周期内均值的差异而预测电流的变化量。这种采用周期均值的方式，避免了实时计算微分，准确率高。

本发明的换流器能应用于轨道交通的牵引变流系统种，例如用作牵引变流器中的整流器。本发明考虑到在电网发生拉弧、跳弓、中断、畸变等故障时以及负载侧或者变流器内部的短路时输入电流上反映出的变化，并与实际控制结合起来，在一个开关周期内将故障鉴别出来，并及时采取保护，这对于及时预防故障，提升变流器的可靠性有比较明显的好处，而且本方案有很好的通用性。

附图说明

本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1(a)示出采用本发明的第一方面的换流器的故障诊断装置的换流器；图1(b)示出本发明第一方面的换流器的故障诊断装置。

图2示出图1(a)中的换流器在PWM调制下的两个开关周期内的输入电流的变化。

图3示出本发明第二方面的换流器的故障诊断方法。

图4示出本发明第三方面的变流系统的示例的轨道交通交直交牵引变流系统主电路拓扑图。

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

图1(a)示出采用本发明的第一方面的换流器的故障诊断装置的换流器。

换流器(Converter)可以分为两类：整流器(Rectifier)和逆变器(Inverter)。本发明的换流器既可以是本实施例中的整流器AC/DC，整流器AC/DC将牵引变压器T次边输入的单相交流电变为直流电，中间直流电流为逆变器DC/AD提供稳定的直流电源，逆变器DC/AC将中间直流电逆变为牵引电机所需要的可调频调压的三相交流电。其中，整流器AC/DC包括开关器件，例如IGBT等全控型半导体器件。

PWM调制电路具有调制电压Uc，PWM调制电路使得开关器件以开关周期Tc导通或关断，从而整流器将来自外部电源的输入电压Ug和输入电流ig转换成输出电压和输出电流。即，本发明中的整流器为PWM整流器。

PWM整流器已不是一般传统意义上的AC/DC转换器。其主要思路就是将PWM技术引入整流器的控制当中，使整流器网侧电流正弦化，且于单位功率因数运行。

由于电能的双向传输，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。换言之，能量可双向传输的PWM整流器不仅体现出AC/DC特性，而且还可呈现DC/AC特性，因而确切地说，这类PWM整流器是一种新型的可逆PWM变流器。

因此，本发明的换流器也可以是通过变压器T向电网输出电压的并网型逆变器，例如当图1(a)中的整流器AC/DC反向运行以将直流电转换为交流电向图中左侧变压器T输出时，图中所示整流器AC/DC将作为并网型逆变器。无论是正向运行以作为整流器，或是反向运行以作为逆变器，均是网侧换流器。

图1(b)示出本发明第一方面的换流器的故障诊断装置1，其中故障检测装置1包括计算模块11、检测模块12、比较模块13和判断模块14，图中箭头表示的方向为信息传递的方向。下面以时长等于开关周期Tc的第一个单开关周期Tc1为例，描述本发明的故障检测装置1的工作原理。

对于任一网侧换流器，存在如下数学关系：

U_c＝U_d*M_c；并且

其中Mc为网侧换流器的调制比。

当网侧换流器正常进行控制时，调制电压Uc为比较有规律的PWM脉冲，其基波为50Hz正弦量。在一个调制周期内，Uc体现为输出一个脉冲，其峰值为直流电压值，如图2所示，在一组脉冲的作用下，输入电流ig呈现脉动的形状，Tc为一个开关周期，Tc1＝Tc2＝Tc。可以看到，在第一个单开关周期Tc1内，网侧换流器输出一个脉冲，在调制比为Mc1的脉冲的作用下，输入电流理论值从ig0变为ig1，同理，在第二个开关周期Tc2内，网侧换流器输出一个脉冲，在调制比为Mc2的脉冲的作用下，输入电流理论值从ig1变为ig2。

由上述公式可知，

其中：

为电网电压的均值；

Ud为中间直流电压；

Mc1为第一个单开关周期Tc1内的调制比；

Tc1为开关周期时长，与额定开关频率有关；

Lm为变压器次边漏感，与变压器参数相关。

Rn为变压器等效次边电阻，在观察电流变化量时可忽略。

上述各参数的获取方法均为本领域技术人员已知的，可采用现有技术中的各种计算、采集方法得到，在此不再赘述。

由此可以计算得到一个单开关周期Tc1内输入电流ig的变化量Δig计算电流的变化量：

计算模块11

在单开关周期Tc1开始之前，本发明的计算模块11根据上述方法，预测输入电流ig在单开关周期Tc1内的理论变化量。即，在通过直流电压传感器和模拟/数字转换装置采集中间直流电压Ud的基础上，根据特定时间段Tc1内的PWM调制电路的占空比Mc估测调制电压平均值Uc_avg，然后根据已知的输入电压平均值

与调制电压平均值Uc_avg的差异，计算特定时间段Tc1内的电流变化估测值Δig。具体地，输入电流变化估测值＝((输入电压平均值-调制电压平均值)×开关周期)/输入侧等效漏感。

检测模块12

本发明的检测模块12即用于检测起始输入电流测量值igt0和终止输入电流测量值igt1。具体地，在图2中t0时刻与t1时刻，分别启动模拟/数字转换装置(未图示)，采集这两个时刻的电流值，得到起始输入电流测量值igt0和终止输入电流测量值igt1。

比较模块13

本发明的比较模块13即用于将起始输入电流测量值igt0与终止输入电流测量值igt1比较，以得到单开关周期Tc1内的输入电流变化测量值Δigr，其中：

Δigr＝igt1-igt0

换言之，通过本发明的检测模块和比较模块，能够得到输入电流ig在单开关周期Tc1内的实际变化量，从而得到一个开关周期内实际的输入电流变化测量值Δigr。

判断模块14

此后，通过①检测模块12与比较模块13；和②计算模块14，分别得到了单开关周期内Tc1的输入电流变化测量值Δigr和输入电流变化估测值Δig。当输入电流变化估测值Δig与输入电流变化测量值Δigr的差值超过电流变化阈值Δigate时，即

|Δigr-Δig|＞Δigate

判断模块认定整流器存在故障，即系统出现了故障或者整流器运行异常。

一般来说，采用本发明的故障检测装置1能够在单个开关周期Tc左右的时间中判断是否显著的异常。此外，本发明的故障检测装置1并不需要获取脉冲状态，而是在通过直流电压传感器和模拟/数字转换装置采集中间直流电压Ud的基础上，通过下一个开关周期的占空比Mc计算调制电压Uc，并且根据输入电压Ug与调制电压Uc在下一周期内均值的差异，预测电流的变化量，这种采用周期均值的方式，避免了实时计算微分，准确率高。

本发明还包括一种换流器的故障检测方法，如上所述，换流器包括开关器件，例如IGBT等全控型半导体器件，并且连接至具有调制电压Uc的PWM调制电路，PWM调制电路使得开关器件以开关周期Tc导通或关断，从而换流器将来自外部电源的输入电压Ug和输入电流ig转换成输出电压和输出电流。

如图3所示，本发明的故障检测方法包括：

计算步骤S1，在时长等于开关周期Tc的特定时间段Tc1开始之前执行计算步骤S1，在计算步骤S1中，计算特定时间段Tc1内的输入电流变化估测值Δig。具体地，在计算步骤S2中，在通过直流电压传感器和模拟/数字转换装置采集中间直流电压Ud的基础上，根据特定时间段Tc1内的PWM调制电路的占空比Mc估测调制电压平均值Uc_avg，然后根据已知的输入电压平均值

与调制电压平均值Uc_avg的差异，计算特定时间段Tc1内的电流变化估测值Δig。其中，输入电流变化估测值＝((输入电压平均值-调制电压平均值)×开关周期)/输入侧等效漏感。

检测步骤S2，在检测步骤S2中，检测特定时间段Tc1起始时刻的起始输入电流测量值igt0和特定时间段Tc1终止时刻的终止输入电流测量值igt1；具体地，在图2中t0时刻与Tc1时刻，分别启动模拟/数字转换装置121，采集这两个时刻的电流值，得到起始输入电流测量值igt0和终止输入电流测量值igt1。

比较步骤S3，在比较步骤S3中，将起始输入电流测量值igt0与终止输入电流测量值igt1比较，以得到特定时间段Tc1内的输入电流变化测量值Δigr；其中：

Δigr＝igt1-igt0

换言之，通过本发明的检测模块和比较模块，能够得到输入电流ig在单开关周期Tc1内的实际变化量，从而得到一个开关周期内实际的输入电流变化测量值Δigr。

判断步骤S4，在判断步骤S4中，通过①检测步骤S2与比较步骤S3；和②计算步骤S1，分别得到了单开关周期内Tc1的输入电流变化估测值Δig与输入电流变化测量值Δigr。此处，检测步骤S2的开始时间与计算步骤S1的开始时间的关系并不存在限制，能够根据实际场景设定，既可以先开始计算步骤S1，也可以先开始检测步骤S2。类似地，比较步骤S3的结束时间与计算步骤S1的结束时间的关系也不存在限制，能够根据实际场景设定，既可能先结束计算步骤S1，也可能先结束比较步骤S3。

当输入电流变化估测值Δig与输入电流变化测量值Δigr的差值超过电流变化阈值Δigate时，即

|Δigr-Δig|＞Δigate

则认定整流器存在故障，即系统出现了故障或者整流器运行异常。

本发明还提供一种具有本发明的故障诊断装置的变流系统。如图4所示的轨道交通的交直交牵引变流系统C是本发明的变流系统的示例，但本发明不限于此，本发明的变流系统也可用于光伏、风力发电等并网型变流系统。此处，接触电网的电能由受电弓P、主断路器BR、牵引变压器T、交直交牵引变流系统C传递至牵引电机M和齿轮箱(未示出)等部件组成，其中交直交牵引变流系统C(牵引变流器)具体可包括预充电电路(未示出)、整流器AC/DC、PWM调制电路、中间直流回路D和逆变器DC/AC等。

其中，整流器AC/DC是本发明换流器的示例。换流器包括开关器件，例如IGBT等全控型半导体器件。

PWM调制电路具有调制电压Uc，PWM调制电路使得开关器件以开关周期Tc导通或关断，从而换流器将来自外部电源的输入电压Ug和输入电流ig转换成输出电压和输出电流。换流器与PWM调制电路的组成及工作原理已详细描述，在此不再赘述。

此外，该交直交牵引变流系统C还包括本发明第一方面的故障检测装置1。

在轨道交通领域，开关频率较低，一个开关周期大约为1～2ms，因此将本发明的故障检测装置用于轨道交通领域的交直交牵引变流系统C(牵引变流器)的整流器AC/DC(即，网侧换流器的示例)，可以在1～2ms内判断出网侧换流器是否出现了显著的异常，并及时采取保护措施。

这里基于的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

T----牵引变压器

Us----牵引变压器原边电压

Ug----牵引变压器次边电压

ig----牵引变压器次边电流

Rn----牵引变压器等效次边电阻

Lm----牵引变压器等效次边漏感

Uc----牵引变流器交流侧PWM电压

AC/DC----整流器

Ud----中间直流电压

Cd----支撑电容

L2----二次谐振电感

C2----二次谐振电容

DC/AC----逆变器

Ui----逆变器DC/AC输出PWM电压

M----牵引电机

Claims (9)

1.一种换流器的故障检测装置，所述换流器包括开关器件并且连接至具有调制电压的PWM调制电路，所述PWM调制电路使得所述开关器件以开关周期导通或关断，从而所述换流器将来自外部电源的输入电压和输入电流转换成输出电压和输出电流，

所述故障检测装置包括：

计算模块，在时长等于开关周期的特定时间段开始之前，所述计算模块计算所述特定时间段内的输入电流变化估测值；并且所述计算模块计算所述输入电压在所述特定时间段内的输入电压平均值和所述调制电压在所述特定时间段内的调制电压平均值，并且根据所述输入电压平均值与所述调制电压平均值的差异，计算所述特定时间段内的所述输入电流变化估测值；

检测模块，所述检测模块检测所述特定时间段起始时刻的起始输入电流测量值和所述特定时间段终止时刻的终止输入电流测量值；

比较模块，所述比较模块将所述起始输入电流测量值与所述终止输入电流测量值比较，以得到所述特定时间段内的输入电流变化测量值；

判断模块，当所述输入电流变化估测值与所述输入电流变化测量值的差值超过电流变化阈值时，所述判断模块认定所述换流器存在故障。

2.根据权利要求1所述的换流器故障检测装置，其特征在于：

所述计算模块以下述公式计算所述输入电流变化估测值：

输入电流变化估测值=（（输入电压平均值-调制电压平均值）×开关周期）/输入侧等效漏感。

3.根据权利要求2所述的换流器故障检测装置，其特征在于：

根据特定时间段内的PWM调制电路的占空比估测所述调制电压平均值。

4.根据权利要求1-3任一所述的换流器故障检测装置，其特征在于：

所述换流器为整流器或电源型逆变器。

5.一种换流器的故障检测方法，所述换流器包括开关器件并且连接至具有调制电压的PWM调制电路，所述PWM调制电路使得所述开关器件以开关周期导通或关断，从而所述换流器将来自外部电源的输入电压和输入电流转换成输出电压和输出电流；

所述故障检测方法包括：

计算步骤，在时长等于所述开关周期的特定时间段开始之前执行所述计算步骤，在所述计算步骤中，计算所述特定时间段内的输入电流变化估测值；并且在所述计算步骤中，计算所述输入电压在所述特定时间段内的输入电压平均值与所述调制电压在所述特定时间段内的调制电压平均值，并且根据所述输入电压平均值与所述调制电压平均值的差异，计算所述特定时间段内的所述输入电流变化估测值；

检测步骤，在所述检测步骤中，检测所述特定时间段起始时刻的起始输入电流测量值和所述特定时间段终止时刻的终止输入电流测量值；

比较步骤，在所述比较步骤中，将所述起始输入电流测量值与所述终止输入电流测量值比较，以得到所述特定时间段内的输入电流变化测量值；

判断步骤，在所述判断步骤中，当所述输入电流变化估测值与所述输入电流变化测量值的差值超过输入电流变化阈值时，认定所述换流器存在故障。

6.根据权利要求5所述的换流器故障检测方法，其特征在于：

在所述计算步骤中，以下述公式计算所述输入电流变化估测值：

输入电流变化估测值=（（输入电压平均值-调制电压平均值）×开关周期）/输入侧等效漏感。

7.根据权利要求6所述的换流器故障检测方法，其特征在于：

根据所述特定时间段内的所述PWM调制电路的占空比估测所述调制电压平均值。

8.根据权利要求5-7任一所述的换流器故障检测方法，其特征在于：

所述换流器为整流器或电源型逆变器。

9.一种变流系统，所述变流系统包括：

换流器，所述换流器包括开关器件；

PWM调制电路，所述PWM调制电路具有调制电压，所述PWM调制电路使得所述开关器件以开关周期导通或关断，从而所述换流器将来自外部电源的输入电压和输入电流转换成输出电压和输出电流；以及

权利要求1-4任一 所述的故障检测装置。

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