CN114755610B - 一种单相并联逆变器的故障诊断方法 - Google Patents

一种单相并联逆变器的故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

一种单相并联逆变器的故障诊断方法，包括以下步骤：S1、根据单相并联逆变器的拓扑结构，开关管触发信号的状态以及输入电流的流向，建立混合系统的混合逻辑动态MLD模型；S2、根据MLD模型建立龙伯格观测器，得到系统的状态空间表达式；S3、通过龙伯格观测器得到系统每个逆变器单元输出电流的观测值，从而得到系统环流的观测值；S4、将系统环流的实际值与观测值进行比较，得到残差信号；S5、对不同开关管发生开路故障时的残差信号进行分析；S6、设定阈值消除实际系统中其他因素对故障诊断结果造成的影响，从而定位出故障的开关管。该方法不依赖于特定的单相并联逆变器控制方法，具有通用性。

Description

一种单相并联逆变器的故障诊断方法
技术领域
本发明属于电力电子变换器故障诊断领域，尤其涉及一种单相并联逆变器的故障诊断方法。
背景技术
逆变器在这种电力系统中起着至关重要的作用。在高容量的电力系统中，逆变器通常是并联运行的。并联逆变器系统可以很容易地提高系统的总功率；当系统的功率一定时，通过增加并联逆变器的数量，可以有效地减少每个逆变器模块所分担的功率和电压、电流应力。逆变器的并联运行是实现系统大容量和功率调节的关键途径。
然而，随着并联系统中逆变器模块数量的增加，以及复杂多变的运行条件和元件本身的老化，故障发生的几率也随之增加。电力半导体器件的故障分为开关短路故障和开关开路故障。开关短路故障发生在很短的时间内，在有时间被发现之前，可能会对电路的其他元件造成不可修复的损害。因此，对于开关短路故障，通常在变频器上加装快速熔断器，这样就可以直接将短路故障替换为开路故障，然后用开路故障诊断方法进行处理。
并联逆变器系统中的开关开路故障的影响是多方面的，对整个系统的危害很大，会对整个系统中的元件造成过流应力，以及电流谐波和过大的损耗，从而导致效率下降。此外，这些故障会造成输出交流母线电压的巨大波动，并在并联逆变器之间产生巨大的循环电流。因此，研究一种快速、准确的并联逆变器系统开关管开路故障诊断方法具有重要的现实意义。
发明内容
为解决单相并联逆变器开关管开路故障无法定位的问题，为此，本发明提出了一种单相并联逆变器的故障诊断方法，具体方案如下：
一种单相并联逆变器的故障诊断方法，包括以下步骤：
S1、根据单相并联逆变器的拓扑结构，开关管触发信号的状态以及输入电流的流向，建立混合系统的混合逻辑动态MLD模型；
S2、根据MLD模型建立龙伯格观测器，得到系统的状态空间表达式；
S3、通过龙伯格观测器得到系统每个逆变器单元输出电流的观测值，从而得到系统环流的观测值；
S4、将系统环流的实际值与观测值进行比较，得到残差信号；
S5、对不同开关管发生开路故障时的残差信号进行分析；
S6、设定阈值消除实际系统中其他因素对故障诊断结果造成的影响，从而定位出故障的开关管。
具体地说，步骤S1建立混合逻辑动态模型的步骤具体如下：
S11、假设三个逻辑变量Sai、Sbi、α分别为：
上式中，ioN为第N个逆变器单元(N＝1,2，…n)的输出电流；i代表第i个逆变器单元，j代表开关管的编号,下文中i、j的意义与此相同，Sij、Dij分别为IGBT及其反并联二极管的编号；同时，设Sij＝1时，对应IGBT开启；当Sij＝0时，对应IGBT关闭；
S12、经过分析及逻辑化简，可得：
其中，上标“﹣”表示逻辑变量的逻辑非；
得到H桥的输出电压Uaibi为：
其中，Udci为第i个逆变器单元的直流侧电压；
S13、再根据基尔霍夫定律，得到系统的MLD模型为：
其中，Uo为并联逆变器系统的输出电压，L1、L2分别为第一逆变器单元、第二逆变器单元的滤波电感，r1、r2分别为第一逆变器单元、第二逆变器单元的滤波电阻；C为滤波电容，R为并联逆变系统负载。
具体地说，步骤S2中龙伯格观测器结构的数学模型为：
其中，x为系统的状态变量，y为系统的输出，u为系统的输入向量；A为系统的状态矩阵，B为系统的输入矩阵，C为输出矩阵；上标“·”为变量的微分，“^”为变量的观测值；
所得到的系统的状态空间表达式为：
具体地说，步骤S3中得到系统环流的观测值步骤为：
采集系统输出电流的实际值，从而得到系统环流的实际值ic：
根据步骤S2所建立的龙伯格观测器，得到系统输出电流的观测值，从而得到系统环流的观测值为：
具体地说，步骤S4中残差信号ε表达式为
具体地说，所设定的阈值为0.6A<PA<0.7A且-1.65A<NA<-1.55A。
本发明的有益效果在于：本发明通过计算后得到残差信号，对残差信号进行分析，从而能够完成故障的定位，该方法不依赖于特定的单相并联逆变器控制方法，具有通用性。
附图说明
图1为故障诊断流程图。
图2为单相并联逆变器拓扑结构图。
图3为龙伯格观测器结构图。
图4中(a)为输出电压，(b)为第一逆变器单元的输出电流，(c)为第二逆变器单元的输出电流。
图5为(a)系统正常运行时环流的实际值，(b)系统正常运行时环流的观测值，(c)为对应的残差信号。
图6为开关S11发生开路故障时残差信号的变化图。
具体实施方式
如图1-3所示，一种单相并联逆变器的故障诊断方法，，包括如下步骤：
S1、根据单相并联逆变器的拓扑结构，开关管触发信号的状态以及输入电流的流向，建立混合系统的混合逻辑动态MLD模型；其中单相并联逆变器的拓扑结构如图2所示。
混合系统是连续变量动态系统与离散事件动态系统混合并相互作用的系统。电力电子电路中各开关状态的组合是一个离散事件，各开关状态下电路变量的演化受状态方程的支配，具有连续变量的性质。混合逻辑动态模型将混合系统的离散事件嵌入到考虑电路控制变化和条件变化的微分方程中，从而更准确地描述系统。
建立混合逻辑动态模型的步骤具体如下：
S11、假设三个逻辑变量Sai、Sbi、α分别为：
上式中，ioN为第N个逆变器单元(N＝1,2，…n)的输出电流，参考方向如图2所示。Sij、Dij(i代表第i个逆变器单元，j代表开关管的编号,下文中i、j的意义与此相同)分别为IGBT及其反并联二极管的编号。同时，设Sij＝1时，对应IGBT开启；当Sij＝0时，对应IGBT关闭。
S12、经过分析及逻辑化简，可得：
其中，上标“﹣”表示逻辑变量的逻辑非。
这样，便可以得到H桥的输出电压Uaibi为：
其中，Udci为第i个逆变器单元的直流侧电压。
S13、再根据基尔霍夫定律，便可得到系统的MLD模型为：
其中，Uo为并联逆变器系统的输出电压，L1、L2分别为第一逆变器单元、第二逆变器单元的滤波电感，r1、r2分别为第一逆变器单元、第二逆变器单元的滤波电阻；C为滤波电容，R为并联逆变系统负载。
S2、根据MLD模型建立龙伯格观测器，得到系统的状态空间表达式。
龙伯格观测器结构如图3所示，数学模型为：
其中，x为系统的状态变量，y为系统的输出，u为系统的输入向量；A为系统的状态矩阵，B为系统的输入矩阵，C为输出矩阵；上标“·”为变量的微分，“^”为变量的观测值；
所得到的系统的状态空间表达式为：
S3、通过龙伯格观测器得到系统每个逆变器单元输出电流的观测值，从而得到系统环流的观测值；具体步骤为：
采集系统输出电流的实际值，从而得到系统环流的实际值ic：
根据步骤S2所建立的龙伯格观测器，得到系统输出电流的观测值，从而得到系统环流的观测值为：
S4、将系统环流的实际值与观测值进行比较，得到残差信号ε。
当并联逆变器系统发生开关管开路故障时，环流的实际值立即发生变化。然而，由龙伯格观测器获得的系统环流的观测值并不立即跟随实际值，而且可能总是跟随不上实际值。此时，残差信号会发生变化，对于不同的开关管开路故障，残差信号的特征也会不同。因此，根据残差信号的特征，可以定位出故障开关。
S5、对不同开关管发生开路故障时的残差信号进行分析，从而定位出故障的开关管。
当不同的开关管发生开路故障时，残差信号的变化也不相同，因此通过提取出残差信号的故障特征，得到不同开关管发生开路故障时的残差信号的变化特征，当实际系统发生开路故障时，便可根据残差信号的变化定位出故障的开关管。
S6、设定合理的阈值以消除实际系统中其他因素(如负载波动等)对故障诊断结果造成的影响。
由于在实际系统中会存在各种各样的对结果造成误差的因素(如负载波动、参数漂移、温度变化等)，因此需要根据具体情况设定合理的阈值，以消除这些因素对故障诊断结果的影响，确保故障诊断结果的准确性，提高故障诊断方法的鲁棒性。
以S11发生开路故障为例，在Matlab/Simulink中以仿真的形式验证本发明所述的内容如下：
仿真中的各个参数设定如表1所示：
并联逆变器中仿真参数的设定
表1
当系统正常运行时，输出电压及电流如图4所示：
系统正常运行时的环流实际值、观测值以及残差信号的波形如图5所示：
从图中可以看出，当系统正常运行时，环流的实测值、观测值和残差信号几乎都为0。
当S11发生开路故障时，残差信号的变化如图6所示。其中，故障发生在t＝0.01s时。
在发生开路故障之前，残差信号几乎为0。在发生开路故障后，残差信号正向幅值(以下称为PA)达到了0.65A，反向幅值(以下称为NA)达到了-1.6A。为了尽可能地消除实际系统中其他因素(如负载波动等)对故障诊断结果造成的影响，故设定了合适的阈值。本发明针对该仿真所设定的阈值如下：0.6A<PA<0.7A且-1.65A<NA<-1.55A。当系统在0.05S内检测到两次及以上PA和NA同时满足阈值条件时，便认定对应的IGBT发生了开路故障。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单相并联逆变器的故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据单相并联逆变器的拓扑结构，开关管触发信号的状态以及输入电流的流向，建立混合系统的混合逻辑动态MLD模型；
S2、根据MLD模型建立龙伯格观测器，得到系统的状态空间表达式；
S3、通过龙伯格观测器得到系统每个逆变器单元输出电流的观测值，从而得到系统环流的观测值；
S4、将系统环流的实际值与观测值进行比较，得到残差信号；
S5、对不同开关管发生开路故障时的残差信号进行分析；
S6、设定阈值消除实际系统中其他因素对故障诊断结果造成的影响，从而定位出故障的开关管；
所述步骤S1建立混合逻辑动态模型的步骤具体如下：
S11、假设三个逻辑变量Sai、Sbi、α分别为：
上式中，ioN为第N个逆变器单元(N＝1,2，…n)的输出电流；i代表第i个逆变器单元，j代表开关管的编号,下文中i、j的意义与此相同，Sij、Dij分别为IGBT及其反并联二极管的编号；同时，设Sij＝1时，对应IGBT开启；当Sij＝0时，对应IGBT关闭；
S12、经过分析及逻辑化简，可得：
其中，上标“﹣”表示逻辑变量的逻辑非；
得到H桥的输出电压Uaibi为：
其中，Udci为第i个逆变器单元的直流侧电压；
S13、再根据基尔霍夫定律，得到系统的MLD模型为：
其中，Uo为并联逆变器系统的输出电压，L1、L2分别为第一逆变器单元、第二逆变器单元的滤波电感，r1、r2分别为第一逆变器单元、第二逆变器单元的滤波电阻；C为滤波电容，R为并联逆变系统负载；
所述步骤S2中龙伯格观测器结构的数学模型为：
其中，x为系统的状态变量，y为系统的输出，u为系统的输入向量；A为系统的状态矩阵，B为系统的输入矩阵，C为输出矩阵；上标“·”为变量的微分，“^”为变量的观测值；
所得到的系统的状态空间表达式为：
2.根据权利要求1所述的一种单相并联逆变器的故障诊断方法，其特征在于，步骤S3中得到系统环流的观测值步骤为：
采集系统输出电流的实际值，从而得到系统环流的实际值ic：
根据步骤S2所建立的龙伯格观测器，得到系统输出电流的观测值，从而得到系统环流的观测值为：
3.根据权利要求2所述的一种单相并联逆变器的故障诊断方法，其特征在于，步骤S4中残差信号ε表达式为
4.根据权利要求1所述的一种单相并联逆变器的故障诊断方法，其特征在于，所设定的阈值为0.6A<PA<0.7A且-1.65A<NA<-1.55A；
其中，PA为残差信号正向幅值；NA为残差信号反向幅值。
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