CN112861340A - 基于电压电流残差法的t型三电平apf故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，包括：建立T型三电平有源电力滤波器的数学模型；分别对不同开关管故障时的故障特性进行分析，推导出每个开关管故障对应的电压残差和电流残差特性；对电压残差进行计算工频周期平均值处理得到电压残差标准值；对电流残差进行计算工频周期平均值处理，再进行归一化处理，得到电流残差标准值。将所得到的数据作为逆变器功率器件故障诊断的依据。当三相电压残差标准值绝对值之和大于阈值时，即判定为出现开关管故障；锁定最大电压残差标准值绝对值所在相为故障开关管所在相；通过故障相电压残差标准值的正、负判定开关管所在上、下桥臂。通过电流残差标准值判定故障管为纵向管还是横向管。

Description

基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法

技术领域

本发明涉及基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，属于谐 波治理和逆变器故障诊断技术领域。

背景技术

有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)作为新型谐波抑制装置， 具有补偿谐波频率范围广，跟踪特性优良，动态特性良好，补偿程度可控等优 点，成为新一代电能质量调节装置。然而，其功率开关器件(如IGBT)由于长 时间工作在高频、高温、和高压状态，不免会发生短路或者开路故障。一旦故 障发生，APF不但难以有效补偿电网中的谐波分量，甚至成为一个谐波源，降 低电网电能质量。相比传统的采用两电平拓扑的有源电力滤波器，T型三电平 拓扑的有源电力滤波器所含的IGBT开关管的数量增加了一倍，这意味着T型三 电平APF发生IGBT故障的概率升高了一倍，因此，本发明公开的一种基于电压 电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法对解决有源电力滤波器系统乃至采 用T型三电平主电路拓扑的其他系统都有着重大的意义。

现有的逆变器功率开关器件故障诊断方法大部分是针对传统的三相两电平 逆变器拓扑，而针对三电平拓扑的故障诊断技术研究成果却比较少，而且，现 有的研究成果多针对采用传统PWM或者是SVPWM调制方式的逆变器，当采用如 模型预测控制策略这种不需要以上调制技术产生开关触发信号时，现有的故障 诊断方法多不适用。查将逆变器的指令电压和输出电压做差值，得到电压残 差，将逆变器的指令电流和输出电流做差值，得到电流残差。再将电压残差做 求取周期平均值处理，得到电压残差标准值，将电流残差做求取周期平均值和 归一化处理，得到电流残差标准值。在研究中发现，不同的开关管故障条件下，APF的逆变器输出会呈现不同的电压残差标准值特性和电流残差标准值特 性，可以利用这些数据，判断出故障开关管是否存在，以及故障开关管的位 置。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供基于电压电流残差法的T 型三电平APF故障诊断方法，提出提取逆变器输出端的电压残差和电流残差标 准值作为故障诊断的依据，其中电压残差标准值用来诊断是否出现故障、故障 管所在相和故障管是在上桥臂还是下桥臂，电流残差标准值用来诊断故障管是 纵向功率器件还是横向功率器件。

本发明是通过如下技术方案实现的：基于电压电流残差法的T型三电平APF 故障诊断方法，其特征在于，包括：

建立T型三电平拓扑的有源电力滤波器APF的数学模型；

定义T型三电平逆变器的开关函数；

计算不同的开关函数组合对应的APF交流侧输出电压；

定义APF运行时的电压残差和电流残差即

其中

为各相指令电压(x＝a,b,c)，u_xn为各相交流侧输出相对于电网中 性点的电压，

为各相指令电流，i_cx为各相输出补偿电流；

对不同的开关管故障进行电压电流残差故障特性分析；

对各相电压残差做计算工频周期平均值处理，得到的数据记为电压残差标 准值ΔU_x；

对各相电流残差做计算工频周期平均值处理，再进行归一化处理，得到的 数据记为电流残差标准值ΔI_x；

通过电压残差判据和电流残差判据相互配合，实现锁定故障锁定功率器件 位置。

所述的T型三电平拓扑的有源电力滤波器APF的数学模型为，

所述的开关函数包括：定义开关函数Sx为：

式中x表示相序(x＝a,b,c)。

所述的电压电流残差故障特性为：

所述的通过电压残差判据和电流残差判据相互配合，实现锁定故障锁定功 率器件位置包括步骤：

1)通过将三相电压残差标准值的绝对值之和与设定的阈值作比较，来判断 是否故障，若大于阈值，说明出现开关管开路故障，反之，无故障；

2)通过比较各相电压残差标准值的绝对值大小，绝对值最大的所对应相即 为故障开关管所在相；

3)通过判断故障管所在相的电压残差标准值正负，判断故障管是在该相的 上桥臂还是下桥臂，若为正，则故障管在该相上桥臂，若为负，则故障管在该 相下桥臂；

4)通过将三相电流残差标准值的绝对值之和与设定的阈值作比较，来判断 是纵向开关管故障还是横向开关管故障，若大于阈值，说明纵向开关管故障， 反之，说明横向开关管故障。

本发明的有益效果是：提取逆变器输出端的电压残差和电流残差标准值作 为故障诊断的依据，其中电压残差标准值用来诊断是否出现故障、故障管所在 相和故障管是在上桥臂还是下桥臂，电流残差标准值用来诊断故障管是纵向功 率器件还是横向功率器件。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明涉及到的基于T型三电平拓扑的APF结构图；

图2为本发明基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法的诊断 结构图(图中x均表示a,b,c三相)；

图3为模型预测控制策略的同步原理图；

图4为本发明基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法的正常 运行情况下MATLAB仿真结果；

图5为本发明基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法的Ta1 开路故障情况下MATLAB仿真结果；

图6为本发明基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法的Ta2 开路故障情况下MATLAB仿真结果。

具体实施方式

如图1所示的T型三电平拓扑的APF结构图，每相包含上下两个垂直桥臂 和中间一个水平桥臂。水平桥臂通过两个反向串联的功率器件连接直流侧中 点，实现中点电压钳位。

定义开关函数S_x为：

式中x表示相序(x＝a,b,c)。

交流侧各相相对于直流侧中点O的电压u_xo可表示为

式中V_dc表示直流侧电压。

交流侧各相相对于电网中性点N的电压可表示为

u_xn＝u_xO+u_On。

式中u_ON表示直流侧中点O和电网中性点n之间的电压。根据三相对称性 知

u_an+u_bn+u_cn＝0。

联立上式可得T型三电平逆变器的输出-开关状态表达式：

在不考虑支路电阻和电感的情况下，由图1可以得APF的数学模型为：

通过离散方式前向预测下一控制时刻的电流输出值(x＝a,b,c)：

指令电流可通过二阶拉格朗日外推插值法进行预测

构建价值函数为

G＝Δi(k+1)+λΔu(k+1)+λ_swF_sw

其中Δi(k+1)表示(k+1)时刻的跟踪电流误差，Δu(k+1)表示(k+1)时 刻的直流电容偏差，F_sw为工作状态发生变化的开关数。λ、λ_sw为价值系数。 模型预测控制策略的基本原理为，通过对不同的开关状态组合进行寻优计算， 选取使价值函数最小的开关状态作为下一时刻的作用的开关状态。

下面从时序角度分析横向功率器件开路故障对电流跟踪的影响。图3所示 为模型预测控制策略的同步原理图。为简化分析，假设正常运行时MPC在t_k、 t_k+1输出的开关状态指令为

如图3(a)所示，那么逆变器输出开关状态 与指令同步，输出电流在两个控制周期均能够有效跟踪指令电流。一旦S_a2发生 故障，如图3(b)所示，逆变器在t_k时刻输出S_a＝-1，输出电压小于指令电 压，相应的i_ca向小于

的方向偏离，根据MPC的动态特性，t_k+1时刻MPC输 出

的概率将大大提升，从而弥补上个控制周期的电流跟踪误差，使得i_ca快速跟上

因此，对于采用MPC控制策略的T型三电平逆变器，往往在横向 功率器件开路故障时仍然能够保持较好的跟踪性能，故障电流特性不明显。因 此，本文提出电压残差和电流残差相结合的方法，以弥补单一电流残差法功率 器件故障诊断的缺陷。

其次对本发明基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法进行说 明：

如图2所示的一种基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法， 其特征在于：包括逆变器交流侧输出电压、电流采集模块，电压电流残差计算 减法器，电压电流残差周期平均值求取环节，电流周期有效值求取环节，电流 残差归一化环节，还包括逆变器交流侧输出电压、电流采集模块，电压电流残 差计算减法器，电压电流残差周期平均值求取环节，电流周期有效值求取环 节，电流残差归一化环节。

为了方便说明，本发明会经常用x表示a,b,c三相。

所述的电压电压电流残差计算减法器，其公式可表达式为

其中

为逆变器电压指令值，u_xn为逆变器输出相电压，

为APF补偿电 流指令值，即逆变器输出电流指令值，i_cx为APF补偿电流，即逆变器输出电 流。

电压残差周期平均值求取环节可以表示为：

其中ΔU_x为电压残差标准值，N为一个周期内控制器的采样点数，Δu_x(n) 为第n个采样点的数值。

电流残差周期平局值求取环节和电流残差归一化环节的总作用方程可表示 为：

式中I_a、I_b、I_c分别APF三相指令电流的有效值，其计算方法为

上两式中N为一个工频周期内控制器接收到电流传感器的采样点 数,Δi_x(n)、

为第n个采样点数值。

是否发生故障判断模块可以表示为：

其中F判据变量，λ＝1表示存在功率器件开路故障，λ＝0表示无故障； H_λ为触发阈值，需通过实验整定得到，这里设置为75.

故障相判断模块可以表示为：

式中X判据变量，其值对应故障功率器件所在相；|ΔU_xmax|为|ΔU_a|、|ΔU_b|、|ΔU_c|中的最大值。X＝1表示A相故障，X＝2表示B相故障，X＝3 表示C相故障。

故障上、下桥臂判断模块可表示为：

式中Y判据变量，Y＝1表示上桥臂故障，Y＝0表示下桥臂故障，ΔU_α为故 障相的电压残差。

故障纵、桥臂判断模块克表示为

其中Z为判据变量，Z＝1表示纵向功率器件开路故障，Z＝0表示横向功 率器件开路故障；H_γ为触发阈值，需通过实验整定得到,这里设置为0.8。

综合逻辑判断模块通过逻辑判断实现,判定方式如下表所示：

由于n的输出值为存数字，故用输出1～4表示A相T_a1～T_a4故障，用输出 5～8表示B相T_b1～T_b4故障，用输出9～12表示C相T_c1～T_c4故障。

为了验证所提出的基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法， 本实施例对其在负载电流突变、开关管T_a1开路故障、开关管T_a2开路故障情况 下进行仿真分析，相关仿真波形如图4～6所示。仿真参数如下表所示

APF系统正常运行(无功率器件故障)时的负载电流i_L、补偿电流i_c和电 压残差ΔU，电流残差ΔI的波形如图4所示。负载突变前，电压残差ΔU稳定 在±3范围内，电流残差ΔI稳定在±0.1范围内。在0.1s时刻突加10Ω电阻负 载，APF输出电流发生较大变化，电压残差不受电流跟踪控制策略性能影响， 而电流残差已进行了归一化处理，因此电压残差和电流残差的突变量都远低于 阈值，所以负载突变不会引起故障误诊。

图5所示为在0.13s时刻发生纵向功率器件T_a1开路故障的仿真结果，由于 经过周期平均法处理，ΔU和ΔI需经一个工频周期过度，进入一个新的稳态过 程，纵向管故障发生后的ΔU值和ΔI值都很大，仿真结果与理论分析相一致。

图6所示为在0.13s时刻发生横向功率器件T_a2开路故障的仿真结果，可 见，相比纵向管故障，横向管故障发生后的ΔU值依旧很大，而ΔI值很小，这 验证了理论分析结果。

仿真结果表明，无论是纵向管开路故障还是横向管开路故障，故障诊断程 序都能够快速准确的输出故障位置，其故障诊断时间小于15ms。

Claims (5)

1.基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，其特征在于，包括：

建立T型三电平拓扑的有源电力滤波器APF的数学模型；

定义T型三电平逆变器的开关函数；

计算不同的开关函数组合对应的APF交流侧输出电压；

定义APF运行时的电压残差和电流残差即

其中

为各相指令电压(x＝a,b，c)，u_xn为各相交流侧输出相对于电网中性点的电压，

为各相指令电流，i_cx为各相输出补偿电流；

对不同的开关管故障进行电压电流残差故障特性分析；

对各相电压残差做计算工频周期平均值处理，得到的数据记为电压残差标准值ΔU_x；

对各相电流残差做计算工频周期平均值处理，再进行归一化处理，得到的数据记为电流残差标准值ΔI_x；

通过电压残差判据和电流残差判据相互配合，实现锁定故障锁定功率器件位置。

2.根据权利要求1所述的基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，其特征在于：所述的T型三电平拓扑的有源电力滤波器APF的数学模型为，

3.根据权利要求1所述的基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，其特征在于，所述的开关函数包括：定义开关函数Sx为：

式中x表示相序(x＝a,b,c)。

4.根据权利要求1所述的基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，其特征在于，所述的电压电流残差故障特性为：

S_a1开路故障：

S_a2开路故障：

S_a3开路故障：

S_a4开路故障：

5.根据权利要求1所述的基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，其特征在于，所述的通过电压残差判据和电流残差判据相互配合，实现锁定故障锁定功率器件位置包括步骤：

1)通过将三相电压残差标准值的绝对值之和与设定的阈值作比较，来判断是否故障，若大于阈值，说明出现开关管开路故障，反之，无故障；

2)通过比较各相电压残差标准值的绝对值大小，绝对值最大的所对应相即为故障开关管所在相；

3)通过判断故障管所在相的电压残差标准值正负，判断故障管是在该相的上桥臂还是下桥臂，若为正，则故障管在该相上桥臂，若为负，则故障管在该相下桥臂；

4)通过将三相电流残差标准值的绝对值之和与设定的阈值作比较，来判断是纵向开关管故障还是横向开关管故障，若大于阈值，说明纵向开关管故障，反之，说明横向开关管故障。

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