CN115184839A - 一种级联h桥并网逆变器系统的开路故障功率管定位方法 - Google Patents

Abstract

一种级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管定位方法，属于变换器开路故障诊断技术领域，解决如何对级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管进行定位的问题，本发明的方法结合级联H桥型并网逆变器开路故障下的运行特点，在定位到开路故障模块后立即改变该模块内部的开关驱动信号，开路故障模块内的开关驱动信号的改变遵循所设置的顺序流程，比较输出阶梯波电压在各开关驱动信号组合下实际值和估计值的差别，快速定位开路故障功率管；本发明的方法对模型依赖程度弱，易扩展，适用于不同H桥单元场合，可快速定位单管和双管开路故障，抗干扰能力强；不会因为级联H桥并网逆变器运行工况切换而发生误诊断，具有很好的鲁棒性。

Description

一种级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管定位方法

技术领域

本发明属于变换器开路故障诊断技术领域，涉及一种级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管定位方法。

背景技术

近年来，中高压大功率电力电子变换器在拓扑结构、系统构成、调制方式及控制策略放慢取得长足进步，目前提出的多种实现中高压大功率变换的方案中，多电平变流器因其具有输出谐波小、开关频率低、响应速度快、电磁兼容及器件应力低等优点，而备受研究者们青睐。其中级联H桥(Cascaded H-Bridge,CHB)并网逆变器具有多电平、模块化、无工频变压器等优点，是未来大功率并网逆变器的技术趋势，被得到广泛关注。

然而，该系统结构复杂，引入大量的电力电子功率器件，其内部开路故障率相对较高。功率器件的开路故障主要包括短路开路故障和开路故障，其中短路开路故障一般会造成电流增大，诊断技术较为简单。而开路故障类型繁多，隐蔽性高，不易察觉，且电气量变化特征复杂，开路故障会在系统引入振动和噪声，闭环控制策略可能导致电压恶化、电流失真，严重时会导致功率失衡、装置脱网。因此，CHB并网逆变器内功率器件开路故障的快速诊断研究具有重要意义。

目前，多电平变流器功率器件的开路故障诊断总体可分为以下几种方法：基于模型的方法，但该类方法对模型精度要求高，模块数较多时建模复杂度大；基于信号的方法，但该方法通常需要大量额外的传感器，且复杂工况时诊断性能可能受未知输入干扰的影响；基于知识的方法，然而需有巨大的数据训练量，以来样本数据库的准确性和完整性。论文“GORLA N，KOLLURI S，CHAI M，et al.A novel open-circuit fault detection andlocalization scheme for cascaded H-bridge stage of a three-stage solid statetransformer[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2021,36(8):8713-8729.”提出开路故障后改变调制方案完成开路故障定位的方法，不会增加额外的传感器，但无法识别具体的单个或多个开路故障功率管。论文“刘远，王天真等.基于PCA-SVM模型的多电平逆变系统开路故障诊断[J].电力系统保护与控制，2013，41(3)：66-72”提出基于离散小波变换和支持向量机的模式识别算法，先通过DWT(discrete wavelet transformation)检测由功率器件开路故障导致的电流不连续，再由SVM处理开路故障检测并进行隔离，然而该方法数据训练量大，且不具备对未知情形的推理能力。

总得来说，级联H桥形并网逆变器模块数多、运行工况复杂，若将已有针对变换器开路故障诊断方案移植该系统，将会面临上述不足，不利于工业应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何对级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管进行定位。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管定位方法，当系统定位到第i个H桥逆变器模块开路故障时，对并网电流i_g的波形进行测量分析，判断畸变波形是半周期畸还是全周期畸变；

若是半周期畸变：则判断为单管开路故障或对管同时开路故障；当畸变电流波形出现在正半周期时，则判断VT_i1单管开路故障或VT_i4单管开路故障或VT_i1与VT_i4对管同时开路故障；当畸变电流波形出现在负半周期时，则判断VT_i2单管开路故障或VT_i3单管开路故障或VT_i2与VT_i3对管同时开路故障；

若是全周期畸变：则判断为同桥臂两管同时开路故障或同一侧半桥臂两管同时开路故障；

根据开路故障的类型对各功率管设定开关驱动信号，比较输出阶梯波电压实际值与估计值的差值与阈值的关系，从而定位开路故障的功率管。

本发明的方法结合级联H桥型并网逆变器开路故障下的运行特点，在定位到开路故障模块后立即改变该模块内部的开关驱动信号，开路故障模块内的开关驱动信号的改变遵循所设置的顺序流程，比较输出阶梯波电压在各开关驱动信号组合下实际值和估计值的差别，快速定位开路故障功率管；本发明的方法对模型依赖程度弱，易扩展，适用于不同H桥单元场合，可快速定位单管和双管开路故障，抗干扰能力强；不会因为级联H桥并网逆变器运行工况切换而发生误诊断，具有很好的鲁棒性；能较好地区分各类单管和双管开路故障；阈值对扰动不敏感，且可在开路故障发生早期快速定位。

进一步地，所述的判断VT_i1单管开路故障或VT_i4单管开路故障或VT_i1与VT_i4对管同时开路故障的具体方法如下：

各功率管{VT_i1 VT_i2 VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号设定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{1 0 10}，得到输出阶梯波电压实际值与估计值的差值u_ed并与所设阈值F_k比较，当差值u_ed大于阈值F_k时，则判断VT_i1单管开路故障或VT_i1与VT_i4对管同时开路故障，当差值u_ed不大于阈值F_k时，则判断VT_i4单管开路故障；

在判断出VT_i1单管开路故障或VT_i1与VT_i4对管同时开路故障后，再将各功率管{VT_i1VT_i2 VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号设定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{0 1 0 1}，得到输出阶梯波电压实际值与估计值的差值u_ed并与所设阈值F_k比较，当差值u_ed大于阈值F_k时，则判断VT_i1与VT_i4对管同时开路故障，当差值u_ed不大于阈值F_k时，则判断VT_i1单管开路故障。

进一步地，所述的判断VT_i2单管开路故障或VT_i3单管开路故障或VT_i2与VT_i3对管同时开路故障的具体方法如下：

各功率管{VT_i1 VT_i2 VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号设定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{0 1 01}，得到输出阶梯波电压实际值与估计值的差值u_ed并与所设阈值F_k比较，当差值u_ed大于阈值F_k时，则判断VT_i2单管开路故障或VT_i2与VT_i3对管同时开路故障，当差值u_ed不大于阈值F_k时，则判断VT_i3单管开路故障；

在判断出VT_i2单管开路故障或VT_i2与VT_i3对管同时开路故障后，再将各功率管{VT_i1VT_i2 VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号设定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{1 0 1 0}，得到输出阶梯波电压实际值与估计值的差值u_ed并与所设阈值F_k比较，当差值u_ed大于阈值F_k时，则判断VT_i2与VT_i3对管同时开路故障，当差值u_ed不大于阈值F_k时，则判断VT_i2单管开路故障。

进一步地，所述的判断为同桥臂两管同时开路故障或同一侧半桥臂两管同时开路故障的方法具体如下：

此时各功率管{VT_i1 VT_i2 VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号设定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{1 01 0}，得到输出阶梯波电压实际值与估计值的差值u_ed并与所设阈值F_k比较，当差值u_ed大于阈值F_k时，则判断上侧半桥臂两管VT_i1与VT_i3同时开路故障或同桥臂两管同时开路故障，当差值u_ed不大于阈值F_k时，则判断下侧半桥臂两管VT_i2与VT_i4同时开路故障；

在判断出上侧半桥臂两管VT_i1与VT_i3同时开路故障或同桥臂两管同时开路故障后，再将各功率管{VT_i1 VT_i2 VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号设定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{0 1 0 1}，得到输出阶梯波电压实际值与估计值的差值u_ed并与所设阈值F_k比较，当差值u_ed大于阈值F_k时，则判断同桥臂两管同时开路故障，当差值u_ed不大于阈值F_k时，则判断上侧半桥臂两管VT_i1与VT_i3同时开路故障。

本发明的优点在于：

(1)本发明的方法结合级联H桥型并网逆变器开路故障下的运行特点，在定位到开路故障模块后立即改变该模块内部的开关驱动信号，开路故障模块内的开关驱动信号的改变遵循所设置的顺序流程，比较输出阶梯波电压在各开关驱动信号组合下实际值和估计值的差别，快速定位开路故障功率管；

(2)本发明的方法对模型依赖程度弱，易扩展，适用于不同H桥单元场合，可快速定位单管和双管开路故障，抗干扰能力强；

(3)不会因为级联H桥并网逆变器运行工况切换而发生误诊断，具有很好的鲁棒性；

(4)能较好地区分各类单管和双管开路故障；

(5)阈值对扰动不敏感，且可在开路故障发生早期快速定位。

附图说明

图1为本发明实施例的级联H桥并网逆变器系统结构图；

图2为本发明实施例的级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管定位方法流程图；

图3为本发明实施例的级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管定位方法的开路故障仿真波形；

图4为本发明实施例的级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管定位方法的抗扰性能仿真波形。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

实施例一

如图1所示，为本发明实施例的级联H桥并网逆变器系统，一共有n个H桥逆变器模块并联，其中，第i个H桥中包含VT_i1～VT_i4共4个IGBT，VD_i1～VD_i4是其反并联二极管，U_dci为各H桥的直流母线电压，i＝1,2,3……n；e_g、i_g、L_a分别为网侧电压、电流和滤波电感，R_d为所带负载。

级联系统的一般性的故障诊断方法，首先对系统是否产生故障进行判定，主要方法为通过电路模型推导出理论上并网电流或输出侧电压的估计值，并同实测值进行作差，生成残差，若残差大于某一阈值，则认为系统出现故障；随后逐一检测各模块直流侧电容电压，当出现异动，则定位故障模块(具体方法参见文献《级联型电力电子变压器内部开路故障特征及定位方法研究》，韩杰祥等，中国电机工程学报，强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学))，但此时仍不清楚开路故障H桥逆变器模块中的开路故障功率管的位置，本实施例的开路故障功率管定位方法如下：

在级联H桥并网逆变器系统中功率器件有其独立的驱动信号，驱动信号的改变直接影响到交流侧电压输出，基于该特性，可利用基于固定功率管驱动信号的方法，通过比较输出阶梯波电压的估计值和实际值来定位开路故障功率管。

为更好地解释本发明，本实施例中选用{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{1 0 1 0}及{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{0 1 01}的固定模态，但并不局限于此，其中，S_i1、S_i2、S_i3、S_i4分别表示第i个H桥中VT_i1～VT_i4的开关驱动信号。

对于第i个H桥逆变器模块，各功率管{VT_i1 VT_i2 VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号不再变化，如固定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{1 0 1 0}，可以看出，若此时VT_i1管发生开路故障，其余功率管正常，由于VT_i1管驱动信号持续为1，无开路故障时始终处于导通状态，因此开路故障发生后驱动信号将被闭锁，相当于S_i1变为0，会导致明显的输出波形畸变，输出电压残差值也会发生跳变，从而定位出VT_i1管发生开路故障。值得注意的是，对于开路故障功率管，若将固定的开关驱动信号始终设置为0，则开路故障发生前后对输出波形没有影响，因为驱动信号为0相当于功率管开路，对电流流通路径没有影响。

如图2所示，当电网电流i_g出现半波波形畸变时，表明此时有单管(VT_i1或VT_i2或VT_i3或VT_i4)或对管开路故障发生(即对管VT_i1、VT_i4同时开路故障或对管VT_i2、VT_i3同时开路故障)；当电网电流i_g出现全波波形畸变时，表明有同一桥臂或同一半桥的两管开路故障发生。

以单管开路故障或对管同时开路故障为例，当VT_i1开路故障时，电网电流i_g将会出现半波波形畸变，且畸变波形位于正半周期，此时将定位到的第i个H桥逆变器模块的功率管{VT_i1 VT_i2 VT_i3 VT_i4}的驱动信号{S_i1S_i2S_i3S_i4}设为{1 0 1 0}，由于VT_i1管的驱动信号始终为1，当开路故障发生时，其驱动信号断开，相当于S_i1此时变为0，输出阶梯波电压的估计值和实际值将会发生偏差，两者的残差u_ed将发生跳变且大于阈值F_k，持续时间大于t₀，认为VT_i1管出现开路故障，但根据已有条件无法排查VT_i4管是否开路故障，因为其驱动信号一直为0，相当于一直开路，对阶梯波输出没有贡献。于是当检测到VT_i1管开路故障后，立即将此H桥模块的驱动信号{S_i1S_i2S_i3S_i4}设为{0 1 0 1}，发现输出阶梯波电压估计值和实际值并无差别，残差u_ed小于阈值F_k，认为VT_i4无开路故障发生。从而定位出开路故障功率管为VT_i1。

基于上述讨论分析，将可能遇到的开路故障类别及固定模态进行讨论，列于表1中。

表1开路故障类别及固定模态分析

具体仿真参数如表2。

表2仿真参数

参数	数值
		模块数n/个	3
各模块直流侧电压U<sub>dci</sub>/V	55
		直流侧支撑电容C<sub>i</sub>/mF	5
滤波电感L<sub>x</sub>/mH	1
		负载电阻R<sub>d</sub>/Ω	4.8
电网电压幅值e<sub>g</sub>/V	20
		电网电压频率f/Hz	50
残差阈值F<sub>k</sub>	0.45

闭锁功率管对应的触发信号可以阻断其电流流通路径，从而模拟功率管的开路故障。

图3为单个功率管VT₁₁开路故障时仿真结果，0.1s时闭锁VT₁₁的触发信号，即S₁₁＝0，模拟开路故障。经开路故障(相)检测、开路故障模块定位后，确定第一模块发生开路故障，由电流波形正半周期半波畸变，随后将第一模块驱动信号{S₁₁S₁₂S₁₃S₁₄}设为{1 0 10}，发现阶梯波波形输出与估计值出现偏差，残差u_ed大于阈值F_k，且持续时间大于t₀，定位到VT₁₁管开路故障。

图4为抗扰性能仿真结果，0.1s时负载电阻R_d突减为3Ω，可以看出，在负载电阻发生突变前后，残差值小于定位阈值，不会发生误诊断。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管定位方法，其特征在于，当系统定位到第i个H桥逆变器模块开路故障时，对并网电流i_g的波形进行测量分析，判断畸变波形是半周期畸还是全周期畸变；

若是半周期畸变：则判断为单管开路故障或对管同时开路故障；当畸变电流波形出现在正半周期时，则判断VT_i1单管开路故障或VT_i4单管开路故障或VT_i1与VT_i4对管同时开路故障；当畸变电流波形出现在负半周期时，则判断VT_i2单管开路故障或VT_i3单管开路故障或VT_i2与VT_i3对管同时开路故障；

若是全周期畸变：则判断为同桥臂两管同时开路故障或同一侧半桥臂两管同时开路故障；

根据开路故障的类型对各功率管设定开关驱动信号，比较输出阶梯波电压实际值与估计值的差值与阈值的关系，从而定位开路故障的功率管。

2.根据权利要求1所述的一种级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管定位方法，其特征在于，所述的判断VT_i1单管开路故障或VT_i4单管开路故障或VT_i1与VT_i4对管同时开路故障的具体方法如下：

各功率管{VT_i1 VT_i2 VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号设定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{1 0 1 0}，得到输出阶梯波电压实际值与估计值的差值u_ed并与所设阈值F_k比较，当差值u_ed大于阈值F_k时，则判断VT_i1单管开路故障或VT_i1与VT_i4对管同时开路故障，当差值u_ed不大于阈值F_k时，则判断VT_i4单管开路故障；

在判断出VT_i1单管开路故障或VT_i1与VT_i4对管同时开路故障后，再将各功率管{VT_i1VT_i2VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号设定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{0 1 0 1}，得到输出阶梯波电压实际值与估计值的差值u_ed并与所设阈值F_k比较，当差值u_ed大于阈值F_k时，则判断VT_i1与VT_i4对管同时开路故障，当差值u_ed不大于阈值F_k时，则判断VT_i1单管开路故障。

3.根据权利要求1所述的一种级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管定位方法，其特征在于，所述的判断VT_i2单管开路故障或VT_i3单管开路故障或VT_i2与VT_i3对管同时开路故障的具体方法如下：

各功率管{VT_i1 VT_i2 VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号设定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{0 1 0 1}，得到输出阶梯波电压实际值与估计值的差值u_ed并与所设阈值F_k比较，当差值u_ed大于阈值F_k时，则判断VT_i2单管开路故障或VT_i2与VT_i3对管同时开路故障，当差值u_ed不大于阈值F_k时，则判断VT_i3单管开路故障；

在判断出VT_i2单管开路故障或VT_i2与VT_i3对管同时开路故障后，再将各功率管{VT_i1VT_i2VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号设定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{1 0 1 0}，得到输出阶梯波电压实际值与估计值的差值u_ed并与所设阈值F_k比较，当差值u_ed大于阈值F_k时，则判断VT_i2与VT_i3对管同时开路故障，当差值u_ed不大于阈值F_k时，则判断VT_i2单管开路故障。

4.根据权利要求1所述的一种级联H桥并网逆变器系统的开路故障功率管定位方法，其特征在于，所述的判断为同桥臂两管同时开路故障或同一侧半桥臂两管同时开路故障的方法具体如下：

此时各功率管{VT_i1 VT_i2 VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号设定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{1 0 1 0}，得到输出阶梯波电压实际值与估计值的差值u_ed并与所设阈值F_k比较，当差值u_ed大于阈值F_k时，则判断上侧半桥臂两管VT_i1与VT_i3同时开路故障或同桥臂两管同时开路故障，当差值u_ed不大于阈值F_k时，则判断下侧半桥臂两管VT_i2与VT_i4同时开路故障；

在判断出上侧半桥臂两管VT_i1与VT_i3同时开路故障或同桥臂两管同时开路故障后，再将各功率管{VT_i1 VT_i2 VT_i3 VT_i4}的开关驱动信号设定为{S_i1S_i2S_i3S_i4}＝{0 1 0 1}，得到输出阶梯波电压实际值与估计值的差值u_ed并与所设阈值F_k比较，当差值u_ed大于阈值F_k时，则判断同桥臂两管同时开路故障，当差值u_ed不大于阈值F_k时，则判断上侧半桥臂两管VT_i1与VT_i3同时开路故障。

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