CN112526397A - 一种中点钳位型单相三电平逆变器开路故障诊断方法 - Google Patents

一种中点钳位型单相三电平逆变器开路故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中点钳位型单相三电平逆变器开路故障诊断方法，通过改变电流传感器的检测方式获取中点钳位总线电流信息，经离线计算获得正常情况下两桥臂开关状态、相电流及电流传感器检测电流理论值之间的对应关系，建立相电流不同极性时电流传感器检测电流实际值与不同功率管开路故障情况对应关系，根据对应关系中电流传感器检测值的变化设定故障诊断规则，通过比较电流传感器检测电流理论值与在线采集的实际值之间的变化关系结合故障诊断规则进行单相三电平逆变器开路故障诊断。所提方法独立于采用的控制策略，实现简单，无需复杂的在线计算过程，开路故障诊断准确，具有良好的工程应用价值。

Description

一种中点钳位型单相三电平逆变器开路故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子变换器开路故障诊断方法，尤其是一种适用于中点钳位型单相三电平逆变器的开路故障诊断方法。
背景技术
单相三电平逆变器与单相两电平逆变器相比，每个开关器件承受的电压应力更小，输出波形谐波含量更低，适合应用在高压大功率领域。但由于过压、过流、过热等因素，单相三电平逆变器会出现开路故障，如不及时诊断并定位故障，会影响逆变器的工作性能，恶化输出波形，因此需要对单相三电平逆变器开路故障进行诊断。传统的针对单相三电平逆变器开路故障诊断的方法主要分为两种：基于硬件的故障诊断方法和基于软件的故障诊断方法。基于硬件的故障诊断方法需要增加额外的硬件电路，增加了系统成本，同时硬件电路的引入会影响系统的可靠性；基于软件的故障诊断方法通常通过采集电压或电流信息并采用数据处理算法实现，采用的数据处理算法主要有坐标变换和傅里叶分析等，但该类数据处理算法具有数据处理量大，在线实现困难的不足，且数据处理结果通常受逆变器工况的影响，无法适用在动态工作环境。此外，传统的方法通常采用基于相电流或开关器件端电压的数据处理方法，故障特征较为单一，因此找到一种在线实现简单，不受逆变器工况影响，故障特征丰富，且适合推广应用的故障诊断方法是当前中点钳位型单相三电平逆变器急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中存在问题，提供一种中点钳位型单相三电平逆变器开路故障诊断方法。
本发明的一种中点钳位型单相三电平逆变器开路故障诊断方法：
将中点钳位型单相三电平逆变器的两桥臂记为左桥臂和右桥臂，左桥臂中点钳位电流按照电流传感器参考电流正方向一次穿入电流传感器，右桥臂中点钳位电流按照电流传感器参考电流负方向两次穿入电流传感器，电流传感器检测值即为两桥臂中点钳位总线电流信息，根据正常情况下两桥臂开关状态、相电流及电流传感器检测电流理论值之间的对应关系在线获得实时开关状态下的电流传感器检测电流理论值，当电流传感器检测电流实际值与理论计算值出现偏差时，即判断开路故障发生，根据相电流不同极性时电流传感器检测电流实际值与不同功率管开路故障情况对应关系定位故障器件，实现单相三电平逆变器开路故障诊断；开路故障诊断流程包括如下步骤：
1)检测单相三电平逆变器两桥臂的开关状态，记左右桥臂的开关状态分别为SA和SB，相电流值为iph，根据SA、SB和iph计算电流传感器检测的中点钳位总线电流理论值，具体为：
当SA＝SB＝1时，电流传感器理论值为0；
当SA＝1，SB＝0时，电流传感器理论值为2iph；
当SA＝1，SB＝-1时，电流传感器理论值为0；
当SA＝0，SB＝1时，电流传感器理论值为iph；
当SA＝SB＝0时，电流传感器理论值为3iph；
当SA＝0，SB＝-1时，电流传感器理论值为iph；
当SA＝-1，SB＝1时，电流传感器理论值为0；
当SA＝-1，SB＝0时，电流传感器理论值为2iph；
当SA＝SB＝-1时，电流传感器理论值为0；
2)将实时获得的电流传感器实际检测值与步骤1)中的理论值比较，当电流实际值与理论值出现偏差时，判断开路故障发生；
3)判断相电流极性，依据开路故障器件定位规则定位故障器件，具体为：
当相电流极性为正且SA＝SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S1；
当相电流极性为正且SA＝1，SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为3iph，故障器件判断为S1，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S7；
当相电流极性为正且SA＝1，SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S1，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S8；
当相电流极性为正且SA＝0，SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S2；
当相电流极性为正且SA＝SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S2，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S7；
当相电流极性为正且SA＝0，SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S2，若电流传感器实际检测电流值为3iph，故障器件判断为S8；
当相电流极性为正且SA＝-1，SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S7；
当相电流极性为正且SA＝SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S8；
当相电流极性为负且SA＝SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S5；
当相电流极性为负且SA＝1，SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S6；
当相电流极性为负且SA＝0，SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S3，若电流传感器实际检测电流值为3iph，故障器件判断为S5；
当相电流极性为负且SA＝SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S3，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S6；
当相电流极性为负且SA＝0，SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S3；
当相电流极性为负且SA＝-1，SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S4，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S5；
当相电流极性为负且SA＝-1，SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为3iph，故障器件判断为S4，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S6；
当相电流极性为负且SA＝SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S4。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明适用于中点钳位型单相三电平逆变器开路故障的诊断。根据正常情况下两桥臂开关状态、相电流及电流传感器检测电流理论值之间的对应关系在线获得实时开关状态下的电流传感器检测电流理论值，当电流传感器检测电流实际值与理论计算值出现偏差时，即判断开路故障发生，根据相电流不同极性时电流传感器检测电流实际值与不同功率管开路故障情况对应关系定位故障器件，达到了本发明的目的。该单相三电平逆变器开路故障诊断方法，能快速诊断并定位出故障器件，故障诊断可靠，在线实现简单，且故障诊断结果不受逆变器工况的影响，具有良好的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明应用于中点钳位型单相三电平逆变器的拓扑结构图；
图2是本发明应用于中点钳位型单相三电平逆变器的电流传感器检测中点钳位电流方式；
图3是本发明应用于中点钳位型单相三电平逆变器经过二极管D1的电流路径；
图4是本发明应用于中点钳位型单相三电平逆变器经过二极管D2的电流路径；
图5是本发明应用于中点钳位型单相三电平逆变器经过二极管D3的电流路径；
图6是本发明应用于中点钳位型单相三电平逆变器经过二极管D4的电流路径；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
中点钳位型单相三电平逆变器的拓扑结构如图1所示，其中，iph为相电流值，io1为左桥臂中点钳位电流，io2为右桥臂中点钳位电流，S1～S8为功率三极管，D1～D4为续流二极管，Ud为直流侧电压，C1和C2为电容，o为电容中点，该逆变器的每相桥臂由四只功率三极管组成。两桥臂中点钳位电流与电流传感器电流的关系如图2所示，约定电流传感器参考电流正方向为由内向外，io1按照参考电流正方向以一次穿入电流传感器，io2按照参考电流负方向以两次穿入电流传感器。
按照图2中的中点钳位电流检测方式，得到四种情况下的电流检测值。图3为经过二极管D1的电流路径，此时电流传感器的检测值为iph；图4为经过二极管D2的电流路径，此时电流传感器的检测值为iph；图5为经过二极管D3的电流路径，此时电流传感器的检测值为2iph；图6为经过二极管D4的电流路径，此时电流传感器的检测值为2iph。当两桥臂开关状态在1、0、-1之间变化时，得到正常情况下电流传感器的检测值如表1所示，其中ic为电流传感器的检测值。
表1正常情况下电流传感器检测值
Figure BDA0002791921110000041
当相电流的极性为正时，电流传感器检测值的变化关系如表2所示，其中，“/”表示对应电流值与正常情况相同，阴影部分表示对应电流值与正常情况不同。当相电流的极性为负时，电流传感器检测值的变化关系如表3所示。
表2故障情况下电流传感器检测值(iph>0)
Figure BDA0002791921110000042
表3故障情况下电流传感器检测值(iph<0)
Figure BDA0002791921110000051
结合表1、表2和表3中的电流值变化情况，判断开路故障器件的规则具体为：
当相电流极性为正且SA＝SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S1；
当相电流极性为正且SA＝1，SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为3iph，故障器件判断为S1，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S7；
当相电流极性为正且SA＝1，SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S1，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S8；
当相电流极性为正且SA＝0，SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S2；
当相电流极性为正且SA＝SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S2，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S7；
当相电流极性为正且SA＝0，SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S2，若电流传感器实际检测电流值为3iph，故障器件判断为S8；
当相电流极性为正且SA＝-1，SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S7；
当相电流极性为正且SA＝SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S8；
当相电流极性为负且SA＝SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S5；
当相电流极性为负且SA＝1，SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S6；
当相电流极性为负且SA＝0，SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S3，若电流传感器实际检测电流值为3iph，故障器件判断为S5；
当相电流极性为负且SA＝SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S3，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S6；
当相电流极性为负且SA＝0，SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S3；
当相电流极性为负且SA＝-1，SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S4，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S5；
当相电流极性为负且SA＝-1，SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为3iph，故障器件判断为S4，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S6；
当相电流极性为负且SA＝SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S4。

Claims (1)

1.一种中点钳位型单相三电平逆变器开路故障诊断方法，其特征在于，将中点钳位型单相三电平逆变器的两桥臂记为左桥臂和右桥臂，左桥臂中点钳位电流按照电流传感器参考电流正方向一次穿入电流传感器，右桥臂中点钳位电流按照电流传感器参考电流负方向两次穿入电流传感器，电流传感器检测值即为两桥臂中点钳位总线电流信息，根据正常情况下两桥臂开关状态、相电流及电流传感器检测电流理论值之间的对应关系在线获得实时开关状态下的电流传感器检测电流理论值，当电流传感器检测电流实际值与理论计算值出现偏差时，即判断开路故障发生，根据相电流不同极性时电流传感器检测电流实际值与不同功率管开路故障情况对应关系定位故障器件，实现单相三电平逆变器开路故障诊断；开路故障诊断流程包括如下步骤：
1)检测单相三电平逆变器两桥臂的开关状态，记左右桥臂的开关状态分别为SA和SB，相电流值为iph，根据SA、SB和iph计算电流传感器检测的中点钳位总线电流理论值，具体为：
当SA＝SB＝1时，电流传感器理论值为0；
当SA＝1，SB＝0时，电流传感器理论值为2iph；
当SA＝1，SB＝-1时，电流传感器理论值为0；
当SA＝0，SB＝1时，电流传感器理论值为iph；
当SA＝SB＝0时，电流传感器理论值为3iph；
当SA＝0，SB＝-1时，电流传感器理论值为iph；
当SA＝-1，SB＝1时，电流传感器理论值为0；
当SA＝-1，SB＝0时，电流传感器理论值为2iph；
当SA＝SB＝-1时，电流传感器理论值为0；
2)将实时获得的电流传感器实际检测值与步骤1)中的理论值比较，当电流实际值与理论值出现偏差时，判断开路故障发生；
3)判断相电流极性，依据开路故障器件定位规则定位故障器件，具体为：
当相电流极性为正且SA＝SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S1；
当相电流极性为正且SA＝1，SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为3iph，故障器件判断为S1，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S7；
当相电流极性为正且SA＝1，SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S1，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S8；
当相电流极性为正且SA＝0，SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S2；
当相电流极性为正且SA＝SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S2，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S7；
当相电流极性为正且SA＝0，SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S2，若电流传感器实际检测电流值为3iph，故障器件判断为S8；
当相电流极性为正且SA＝-1，SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S7；
当相电流极性为正且SA＝SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S8；
当相电流极性为负且SA＝SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S5；
当相电流极性为负且SA＝1，SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S6；
当相电流极性为负且SA＝0，SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S3，若电流传感器实际检测电流值为3iph，故障器件判断为S5；
当相电流极性为负且SA＝SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S3，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S6；
当相电流极性为负且SA＝0，SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S3；
当相电流极性为负且SA＝-1，SB＝1时，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S4，若电流传感器实际检测电流值为2iph，故障器件判断为S5；
当相电流极性为负且SA＝-1，SB＝0时，若电流传感器实际检测电流值为3iph，故障器件判断为S4，若电流传感器实际检测电流值为0，故障器件判断为S6；
当相电流极性为负且SA＝SB＝-1时，若电流传感器实际检测电流值为iph，故障器件判断为S4。
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