CN114035119B

CN114035119B - 三电平Buck-Boost变流器直流电容与功率器件开路故障检测方法

Info

Publication number: CN114035119B
Application number: CN202111198074.7A
Authority: CN
Inventors: 李豪; 崔勇; 潘凌青; 向大为; 岳朋朋
Original assignee: Shanghai Electric Power University
Current assignee: Shanghai Electric Power University
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2024-01-26
Anticipated expiration: 2041-10-14
Also published as: CN114035119A

Abstract

本发明涉及一种三电平Buck‑Boost变流器直流电容与功率器件开路故障检测方法，包括以下步骤：1)在三电平Buck‑Boost变流器正常运行时，根据门级驱动信号判定变流器当前所处模态；2)分别采集各开关模态开始时刻与结束时刻的电流信号i_in以及电容C₁和C₂的电压V_C1和V_C2；3)根据采集到的电流和电压数据，通过容值特征表达式计算容值特征参数；4)以容值特征参数作为直流电容健康状态的表征，并进行功率器件开路故障的判定，完成开路故障检测。与现有技术相比，本发明具有无需增加额外硬件装置、非侵入式在线监测、电容器容值监测鲁棒性强等优点。

Description

三电平Buck-Boost变流器直流电容与功率器件开路故障检测方法

技术领域

本发明涉及电力电子变流器检测领域，尤其是涉及一种基于容值重构的三电平Buck-Boost变流器直流电容与功率器件开路故障检测方法。

背景技术

三电平Buck-Boost变流器具有总谐波畸变低，开关频率实现等效二倍频效果，有效降低开关器件所承受的电压应力等优点，在直流微网、电动汽车领域具有较好的应用前景。直流电容器和功率开关器件是电力电子变流器中的薄弱环节，直接决定了系统安全可靠运行。工业研究变流器故障数据表明：电容器故障率30％，功率开关器件故障率21％，这两种故障占比达到总故障的50％以上。直流电容器劣化会造成容值持续衰减和等效串联电阻(ESR)增大，通常认为电解电容容值衰退20％即为寿命终结。功率器件故障主要分为开路故障和短路故障，短路故障具有破坏性，一般采用过流保护进行故障切除或隔离。而开路故障具有隐蔽性，可能导致输出电流不稳定、直流电容不均压，器件电压应力增大，引发二次故障甚至导致系统崩溃，为了提高变流器可靠性，有必要及时监测直流电容状态和功率器件开路故障。

Farjah E等人发表的名为“Application of an efficient rogowski coilsensor for switch fault diagnosis and capacitor ESR monitoring in nonisolatedsingle-switch DC–DC converters”的文献针对非隔离型DC-DC变流器设计了一种螺旋形罗氏线圈传感器，环绕在电感器上，通过检测线圈输出电压实现电容器ESR和功率器件开关故障的同时检测，但需添加额外的线圈传感器和逻辑电路，对系统的运行增加负担。

Givi H等人发表的名为“A comprehensive monitoring system for onlinefault diagnosis and aging detection of non-Isolated DC–DC converterscomponents”的文章通过配置温度传感器监测电容器温度，电压传感器测量二极管电压，通过电热信号集成综合判定功率器件故障和电容器状态，而这种综合判定的方法因需要多种传感器共同作用，对传感器灵敏度和可靠性有较高要求才能实现。

刘建强等人发表的文献“单相PWM整流器IGBT及直流侧电容故障诊断方法”提出对单相PWM整流器中IGBT与直流电容故障诊断方法，利用小波变换和D-S证据理论实现对功率器件的故障诊断，再通过分析直流侧电容阻抗特性实现电容的状态监测，但该方法不适用于直流变流器和多电平变流器，而且小波时频特征提取的计算负担较大。

中国专利CN201310742703.7公开了一种风电变流器电容状态监测的装置及检测方法，该发明采用专门设计的硬件电路对电容放电阶段的电压、电流信号进行采集，重构采样数据计算电容容值，但增加额外的硬件装置将会增加系统体积和成本，而且可能会干扰系统正常运行，降低系统的可靠性。

通常直流电容状态监测技术可以分为离线式和在线式两种，旨在获取电容器的容值C或ESR作为状态参量，继而评估电容健康状态，现有的变流器功率器件开路故障特征参数主要包括电磁场近场波形、电感电压、电感电流导数、二极管电压、直流母线电流导数、直流电容的电压平衡、电容电流导数等。而现有技术难以同时在线监测变流器中直流电容状态和功率器件开路故障，而且大多需要增加额外的传感器及外围电路，导致变流器系统体积和成本增加，而且可能会对变流器正常运行产生干扰。因此，需要针对三电平Buck-Boost变流器提出利用系统自身传感器同时对直流电容器容值衰退和功率开关开路故障的非侵入式在线监测方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种三电平Buck-Boost变流器直流电容与功率器件开路故障检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种三电平Buck-Boost变流器直流电容与功率器件开路故障检测方法，包括以下步骤：

1)在三电平Buck-Boost变流器正常运行时，根据门级驱动信号判定变流器当前所处模态；

2)分别采集各开关模态开始时刻与结束时刻的电流信号i_in以及电容C₁和C₂的电压V_C1和V_C2；

3)根据采集到的电流和电压数据，通过容值特征表达式计算容值特征参数；

4)以容值特征参数作为直流电容健康状态的表征，并进行功率器件开路故障的判定，完成检测。

所述的步骤1)中，三电平Buck-Boost变流器运行时包括a、b、c、d四个开关模态。

在三电平Buck-Boost变流器中，分别控制开关器件S_W1和S_W2的一对互补控制信号S₁与分别控制开关器件S_W3和S_W4的一对互补控制信号S₂的相位差为180°。

所述的步骤3)中，在a和c模态下流过电容C₁的电流采用输入电流i_in表示，在b和c模态下流过电容C₂的电流采用输入电流i_in表示，则有：

其中，i_C1、i_C2分别为流过电容C₁和C₂的电流。

所述的步骤3)中，容值特征参数的计算式为：

其中，Δt_A为a模态的持续时间，Δt_B为b模态的持续时间，Δt_C为c模态的持续时间，ΔV_OA1为a模态下电容C₁的电压变化量，ΔV_OC1为c模态下电容C₁的电压变化量，为a和c两模态下电容C₁的电流平均值，ΔV_OB2为b模态下电容C₂的电压变化量，ΔV_OC2为c模态下电容C₂的电压变化量，/>为b和c两模态下电容C₂的电流平均值。

以a模态的开始时刻t_1A和结束时刻t_2A电流的平均值作为a模态电流平均值，以b模态开始时刻t_1B和结束时刻t_2B电流的平均值作为b模态电流平均值，以c模态开始时刻t_1C和结束时刻t_2C电流的平均值作为c模态电流平均值。

所述的步骤4)中，以容值特征参数判定功率器件是否发生开路故障，具体原理为：

功率器件在发生开路故障后变流器运行模态发生改变，导致计算容值特征参数的方法无法消除等效串联电阻ESR的影响，实际计算出的容值会发生畸变，以此作为故障特征进行开关器件开路故障诊断。

所述的步骤4)中，当开关器件S_W3发生开路故障后，输入电流i_in降低，检测到的容值特征参数C₁在开路故障发生后的连续几个周期内高于设定的参考值且变化幅度较大，同时容值特征参数C₂的检测结果正常，以此判定S_W3是否发生开路故障。

所述的步骤4)中，当开关器件S_W2发生开路故障后，输入电流i_in降低，检测到的容值特征参数C₂在开路故障发生后的连续几个周期内高于设定的参考值且变化幅度较大，同时容值特征参数C₁的检测结果正常，以此判定S_W2是否发生开路故障。

所述的步骤4)中，当三电平Buck-Boost变流器在Boost模式运行时，开关器件S_W1和S_W4不参与工作，因此不对S_W1、S_W4进行开路故障检测。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明利用容值特征参数即可实现直流电容状态与功率器件开路故障的同时在线监测。

二、本发明的直流电容在线监测方法能够有效消除等效串联电阻(ESR)影响，监测电容器容值有较好的鲁棒性。

三、本发明无需增加额外的硬件装置，仅利用变流系统自带传感器，所提监测方案可以集成在变流器控制器中实现关键部件直流电容和功率器件的非侵入式在线监测。

附图说明

图1为三电平Buck-Boost变流器结构图。

图2为三电平Buck-Boost变流器升压模式开关模态。

图3为三电平Buck-Boost变流器升压模式下的调制策略。

图4为直流电容健康状态与开路故障检测流程图。

图5为直流电容C₁电压及输入电流i_in的波形图，其中，图(5a)为直流电容C₁电压的波形图，图(5b)为输入电流i_in的波形图。

图6为直流电容容值在线监测结果。

图7为发生开路故障前后的输入电流波形图。

图8为发生开路故障前后直流电容电压与输入电流波形图。

图9为发生开路故障前后容值检测结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

针对变流器中直流电容劣化和开路故障同时监测的技术，本发明提出一种利用系统自身的电压和电流传感器对直流电容器容值和功率器件开路故障进行非侵入式同时监测的方法。

本发明的基本原理如下：

首先，通过门极信号判断变流器开关运行模态，根据变流器输入电流重构出流经直流电容器的电流；然后，利用考虑电容器ESR的开关模态容值特征表达式计算直流电容器容值，判断直流电容器的健康状态；最后，利用直流电容器等效容值特征畸变进行功率器件开路故障判定。

本发明提供一种应用于三电平Buck-Boost变流器系统的直流电容与开路故障同时检测的方法，变流器拓扑结构如图1所示，变流器主要包括开关器件S_W1、S_W2、S_W3、S_W4，反并联二极管D₁、D₂、D₃、D₄，直流电源V_in，串联电感L_in和两个直流电容C₁和C₂。

系统运行于Boost模式时开关模态变化如图2所示，模态变化与电容的电流电压关系如图3所示，通过重构直流电容电流，构建出容值特征表达式用以计算直流电容器容值，采集输入电流i_in和C₁、C₂的电压V_C1、V_C2数据，计算得到容值特征以表征直流电容健康状态，同时利用检测到的容值特征判定开关器件是否发生开路故障，当占空比d<0.5时，运行周期内缺少开关模态c，无法实现容值特征参数的重构，因此，本方法仅适用于占空比d>0.5的运行工况下电容开路故障的监测，本发明的方法流程如图4所示，具体包含以下步骤：

1)正常运行时，利用门级驱动信号判定当前变流器所处模态；

步骤1)中，如图2所示，三电平Buck-Boost变流器运行时共有a、b、c、d四个开关模态，各模态的开关状态如下：

(1)开关模态a：

S_W1、S_W3导通，电流通过D₁和S_W3与L_in、C₁组成回路，由电源向电容C₁进行充电。

2)开关模态b：

S_W2、S_W4导通，电流通过D₄和S_W2与L_in、C₂组成回路，由电源向电容C₂进行充电。

3)开关模态c：

S_W1、S_W4导通，电流通过D₁和D₄与L_in、C₁、C₂组成回路，由电源向电容C₁、C₂同时进行充电。

4)开关模态d：

S_W2、S_W3导通，电流通过S_W2和S_W3与L_in组成回路，此时电源不向直流电容进行充电。

如图3所示，S₁为一对互补的控制信号分别控制开关器件S_W1、S_W2，S₂为一对互补的控制信号分别控制开关器件S_W3、S_W4，S₁与S₂的相位差为180°。

2)采集各开关模态开始时刻与结束时刻电流信号i_in以及电容C₁、C₂的电压V_C1、V_C2；

步骤2)中，a模态开始时刻t_1A，结束时刻t_2A，b模态开始时刻t_1B，结束时刻t_2B；c模态开始时刻t_1C，结束时刻t_2C，提取t_1A、t_2A、t_1B、t_2B、t_1C、t_2C时刻的输入电流i_in和电容电压V_C1、V_C2。

3)利用采取的电流电压数据，通过容值特征表达式计算容值特征参数；

步骤3)中，流过电容电流可用输入电流表示，在a和c模态下C₁电流可用输入电流i_in表示，在b和c模态下C₂电流可用输入电流i_in表示，满足下式：

其中，i_C1、i_C2分别为流过电容C₁、C₂的电流。

以t_1A、t_2A两时刻的电流平均值作为a模态电流平均值，以t_1B、t_2B两时刻的电流平均值作为b模态电流平均值，以t_1C、t_2C两时刻的电流平均值作为c模态电流平均值。

则容值特征表达式为：

4)根据计算得到的容值特征表征各个直流电容的健康状态；

5)以检测到的C₁、C₂容值特征是否发生畸变，进行功率器件开路故障判定，具体为：

功率器件发生开路故障后变流器运行模态发生改变，导致计算容值特征参数的方法无法消除ESR的影响，实际计算出的容值会发生畸变，以此作为故障特征进行开关器件开路故障诊断，若在S_W3发生开路故障后，输入电流i_in降低，所检测到的C₁容值特征在开路故障发生后的连续几个周期内会高于参考值且变化幅度较大，同时C₂容值检测结果正常不受影响，以此作为S_W3发生开路故障的判定依据。同理当S_W2发生开路故障后，所检测的C₂容值特征在开路故障发生后的连续几个周期内会高于参考值且变化幅度较大，同时C₁容值检测结果正常不受影响，以此作为S_W2是否开路故障的判断依据，本例中，容值特征参数误差大于20％判定为发生开路故障。在Boost模式运行时，S_W1、S_W4并不参与工作，因此对S_W1、S_W4开展开路故障监测并无必要。

实施例

在本实施例中，搭建半实物仿真平台，在远宽硬件在环平台搭载三电平Buck-Boost变流器系统进行半实物仿真验证。仿真实验参数见表1所示。

表1 实验系统基本参数

本发明所提出的电容状态与开路故障监测方法的具体实施步骤如下：

1)变流器正常运行以a→c→b→c为一个运行周期进行工作；

2)采集Boost输入侧电流i_in和电压V_C1、V_C2信号，直流电容器电压与输入电流波形如图5所示；

3)提取t_1A、t_2A、t_1B、t_2B、t_1C、t_2C时刻的输入电流i_in和电容电压V_C1、V_C2；

4)以t_1A、t_2A两时刻的输入电流i_in作为a模态电流平均值，以t_1B、t_2B两时刻的输入电流i_in作为b模态电流平均值，以t_1C、t_2C两时刻的输入电流i_in作为c模态电流平均值；

5)将得到的电流电压数据代入到容值计算表达式：

6)利用容值计算公式得到容值特征参数C₁、C₂表征各个电容的健康状态，C₁、C₂容值特征参数结果如图6所示；

7)以C₁、C₂容值是否发生大幅度畸变判定开关器件是否发生开路故障：

如图7为发生开路故障后与正常运行时输入电流i_in对比图；图8为变流器开关器件S_W3发生开路故障前后输入电流与电容电压波形图，虚线处为S_W3发生开路时刻，发生开路后V_C1、V_C2发生失衡，输入电流波形开始变小；

8)发生开路故障后，所检测到的C₁容值参数发生大幅度畸变，C₂检测结果正常，容值检测结果如图9所示，若是S_W2发生开路故障，则会发生C₂检测到的容值特征发生畸变，C₁检测结果正常。

Claims

1.一种三电平Buck-Boost变流器直流电容与功率器件开路故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)在三电平Buck-Boost变流器正常运行时，根据门级驱动信号判定变流器当前所处模态；

步骤2)分别采集各开关模态开始时刻与结束时刻的输入电流i_in以及直流电容C₁和C₂的电压V_C1和V_C2；

步骤3)根据采集到的电流和电压数据，通过容值特征表达式计算容值特征参数；

步骤4)以容值特征参数进行功率器件开路故障的判定，完成开路故障检测；

所述的步骤1)中，三电平Buck-Boost变流器运行时包括a、b、c、d四个开关模态;

在三电平Buck-Boost变流器中，分别控制开关器件S_W1和S_W2的一对互补控制信号S₁与分别控制开关器件S_W3和S_W4的一对互补控制信号S₂的相位差为180°；

所述步骤3)中，在a和c模态下流过电容C₁的电流采用输入电流i_in表示，在b和c模态下流过电容C₂的电流采用输入电流i_in表示，则有：

其中，i_C1、i_C2分别为流过电容C₁和C₂的电流；

所述的步骤3)中，容值特征参数的计算式为：

其中，Δt_A为a模态的持续时间，Δt_B为b模态的持续时间，Δt_C为c模态的持续时间，ΔV_OA1为a模态下电容C₁的电压变化量，ΔV_OC1为c模态下电容C₁的电压变化量，为a和c两模态下电容C₁的电流平均值，ΔV_OB2为b模态下电容C₂的电压变化量，ΔV_OC2为c模态下电容C₂的电压变化量，/>为b和c两模态下电容C₂的电流平均值；

在功率器件发生开路故障后变流器运行模态发生改变，导致计算容值特征参数的方法无法消除等效串联电阻ESR的影响，实际计算出的容值会发生畸变，以容值特征参数是否发生大幅度畸变作为开路故障的诊断依据；

所述的步骤4)中，当开关器件S_W3发生开路故障后，输入电流i_in降低，检测到的容值特征参数C₁在开路故障发生后的连续几个周期内高于设定的参考值且变化幅度较大，同时容值特征参数C₂的检测结果正常，以此判定S_W3是否发生开路故障；

所述的步骤4)中，当开关器件S_W2发生开路故障后，输入电流i_in降低，检测到的容值特征参数C₂在开路故障发生后的连续几个周期内高于设定的参考值且变化幅度较大，同时容值特征参数C₁的检测结果正常，以此判定S_W2是否发生开路故障；

2.根据权利要求1所述的一种三电平Buck-Boost变流器直流电容与功率器件开路故障检测方法，其特征在于，以a模态的开始时刻t_1A和结束时刻t_2A电流的平均值作为a模态电流平均值，以b模态开始时刻t_1B和结束时刻t_2B电流的平均值作为b模态电流平均值，以c模态开始时刻t_1C和结束时刻t_2C电流的平均值作为c模态电流平均值。