CN116298851A - 一种变流器开关状态在线检测方法及系统 - Google Patents

一种变流器开关状态在线检测方法及系统 Download PDF

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李豪
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Abstract

本发明涉及一种变流器开关状态在线检测方法及系统，该方法包括：根据变流器运行过程中，内部开关管的每次开通或关断在输出电流中产生的高频振荡和低频电流信号的极性特征，进行变流器开关状态在线检测。与现有技术相比，本发明利用电流传感器通过非接触的方式进行变流器开关状态检测，安全性更高，且根据变流器实际的开关响应检测开关状态，无误判。

Description

一种变流器开关状态在线检测方法及系统
技术领域
本发明涉及变流器技术领域，尤其是涉及一种变流器开关状态在线检测方法及系统。
背景技术
随着电力电子技术的发展，变流器已经广泛应用于轨道交通、新能源汽车、光伏发电等重要领域。变流器开关状态指的是某时刻变流器内部所有开关管的开通与关断状态。以两电平三相桥逆变器为例，变流器内部6个开关管不同通断状态总共决定了8种变流器开关状态，包括两个开关零矢量与6个有效开关矢量。在线检测变流器开关状态能直接获取变流器输出电压，同时也能为开关管故障预测与诊断提供开关管定位信息。
变流器开关状态检测可以通过门极信号获取，但该方法存在以下缺点。首先，对于一些商业变流器，用户难以获取其门极信号。其次，对于可以获取门极信号的变流器，往往需要通过侵入式的方式测量门极信号，可能存在安全隐患。再者，实际系统中可能存在开关管收到了门极信号却无法响应的状况，比如开关管发生了开路或短路故障，导致门极信号无法可靠反映各器件的实际工作状态。
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了一种安全性高、可靠性高的变流器开关状态在线检测方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的第一方面，提供了一种变流器开关状态在线检测方法，该方法包括：根据变流器运行过程中，内部开关管的每次开通或关断在输出电流中产生的高频振荡和低频电流信号的极性特征，进行变流器开关状态在线检测。
优选地，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、在变流器工作时，通过安装在各相输出端的电流传感器获取高频振荡和低频电流信号；
步骤S2、根据高频振荡和和低频电流信号，依据信号突变程度检测出高频振荡；
步骤S3、根据高低频信号的极性特征判断变流器的开关状态，进行变流器开关状态在线检测。
优选地，所述步骤S3包括以下子步骤：
步骤S31、比较各相高频振荡间的极性，判断出开关管位于哪一相；
步骤S32、通过振荡时刻低频电流的极性判断出开关管在对应相桥臂中的位置；
步骤S33、根据该相高频振荡的极性判断出开关管是开通或是关断。
优选地，所述高低频信号的极性特征分别为：
高频振荡的极性：高频振荡首先迎来初峰值还是初谷值；
低频电流的极性：振荡时刻低频电流值大于零还是小于零。
优选地，所述步骤S1还包括对高频振荡和低频电流信号进行预处理，包括滤波和采样处理。
根据本发明的第二方面，提供了一种变流器开关状态在线检测系统，采用上述的方法，该系统包括：
电流信号采集模块，采用电流传感器获取交流器每相输出电流中的高频振荡和低频电流信号；
开关状态检测模块，用于从高频振荡和低频电流信号中提取高频振荡电流和低频电流的极性，对高频振荡的开关管进行分辨定位并判断开关状态。
优选地，所述系统还包括上位机通信接口模块，用于完成变流器开关状态检测结果的传输和下位机控制。
优选地，下位机将变流器开关状态数据以设定频率传输给上位机。
根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述的方法。
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)安全性高：电流传感器通过非接触的方式进行检测，对电路安全性没有影响；
2)可靠性高：不依靠门极信号，仅利用变流器输出电流检测变流器开关状态，通过各相高频信号与低频信号特征，完成开关响应与开关管的对应，可以真实地判断每个开关管的有效开通、关断状态，无误判。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的系统结构示意图；
图3为实施例2中的方法流程图；
图4为实施例2中的变流器开关状态检测系统验证实验平台的结构图；
图5为实施例2中的实验波形；其中，(a)为变流器输出三相低频电流，(b)为A相高频振荡电流信号，(c)为B相高频振荡电流信号，(d)为C相高频振荡电流信号，(e)为T6管开关状态，(f)为T6管管压降测量值。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明利用变流器运行过程中，其内部开关管的每次开通或者关断都会在输出电流中产生高频振荡信号，即开关响应；通过变流器输出电流中的高频振荡和基波电流特征完成开关状态在线检测。
首先给出本发明的系统实施例，一种变流器开关状态在线检测系统，包括：
1)电流信号采集模块，采用电流传感器获取交流器每相输出电流中的高频振荡和低频电流信号；其中，电流传感器分为高频振荡输出和低频电流输出两部分，能够从变流器输出电流电路中通过非接触方式检测三相高频振荡电流iswa，iswb和iswc。和三相低频电流ia，ib和ic。低频部分能够检测30kHz级别以下频率，高频部分通频带范围为30kHz级别至30MHz级别，能够有效检测到高频振荡。如图1所示，在变流器输出端每相上均需要安装一个电流传感器，从而实现对每相高频和低频的信号提取。
2)开关状态检测模块，用于从高频振荡和低频电流信号中提取高频振荡电流和低频电流的极性，对高频振荡的开关管进行分辨定位并判断开关状态。
3)上位机通信接口模块，通过以太网、串口等方式与上位机通信，用于完成变流器开关状态检测结果的传输和下位机控制；其中，下位机将变流器开关状态数据以设定频率传输给上位机。
接下来，给出本发明的方法实施例，一种变流器开关状态在线检测方法，如图1所示，包括：
步骤S1、在变流器工作时，通过安装在各相输出端的电流传感器获取高频振荡和低频电流信号；
步骤S2、根据高频振荡和和低频电流信号，依据信号突变程度检测出高频振荡；
步骤S3、根据高低频信号的极性特征判断变流器的开关状态，进行变流器开关状态在线检测，具体包括以下子步骤：
步骤S31、比较各相高频振荡间的极性，判断出开关管位于哪一相；
步骤S32、通过振荡时刻低频电流的极性判断出开关管在对应相桥臂中的位置；
步骤S33、根据该相高频振荡的极性判断出开关管是开通或是关断。
其中，根据高低频信号的极性特征判断变流器的开关状态中高低频信号的极性特征分别为：高频振荡的极性：高频振荡首先迎来初峰值还是初谷值；低频电流的极性：振荡时刻低频电流值大于零还是小于零。
本发明电子设备包括中央处理单元(CPU)，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。
设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法S1～S2。例如，在一些实施例中，方法S1～S3可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的方法S1～S3的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法S1～S3。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)等等。
用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
实施例2
首先给出本发明的系统实施例，一种变流器开关状态在线检测系统，包括：
1)电流信号采集模块，采用电流传感器获取交流器每相输出电流中的高频振荡和低频电流信号；其中，电流传感器分为高频振荡输出和低频电流输出两部分，能够从变流器输出电流电路中通过非接触方式检测三相高频振荡电流iswa，iswb和iswc。和三相低频电流ia，ib和ic。低频部分能够检测30kHz级别以下频率，高频部分通频带范围为30kHz级别至30MHz级别，能够有效检测到高频振荡。如图2所示，在变流器输出端每相上均需要安装一个电流传感器，从而实现对每相高频和低频的信号提取。
2)信号调理和采样模块，对电流传感器检测到的高频振荡信号进行采样并处理提取，其中信号调理手段包括但不限于滤波等，方式可以是模拟的或者数字的，最终获得能够用于开关状态获取的有效信号。
3)开关状态检测模块，用于从高频振荡和低频电流信号中提取高频振荡电流和低频电流的极性，对高频振荡的开关管进行分辨定位并判断开关状态。
4)上位机通信接口模块，通过以太网、串口等方式与上位机通信，用于完成变流器开关状态检测结果的传输和下位机控制；其中，下位机将变流器开关状态数据以设定频率传输给上位机。
接下来，给出本发明的方法实施例，一种变流器开关状态在线检测方法，如图3所示，包括：
1)获取变流器每相输出电流中的高频和低频信号：在变流器工作时，通过安装在各相输出端的电流传感器获取高频振荡和低频电流信号；
2)检测高频振荡：当某个开关管开通或关断时，即会产生对应的高频振荡信号，通过采样信号值的突变程度即可检测到高频振荡，从而判断出一次高频信号的到来。
3)通过高低频信号极性特征判断开关状态：高频振荡的极性指高频振荡首先迎来初峰值还是初谷值，低频电流的极性指振荡时刻低频电流值大于零还是小于零。通过比较各相高频振荡间的极性，可以判断出开关管位于哪一相，再通过振荡时刻低频电流的极性可以判断出开关管在此相桥臂中的位置。最后再根据此相高频振荡的极性可以判断出开关管是开通或是关断。至此完成了此次高频振荡来源于变流器中的哪个开关管的判断与管子开关状态的判断。
4)变流器开关状态检测：由于变流器中有多个开关器件且是交替导通的，因此这些开关管的开关状态即构成了变流器的开关状态。下位机最后可将开关状态数据以一定发送频率传输给上位机。
实验平台的结构图与图4所示，平台各器件参数则如表1所示，其中变流器为三相两电平变频器，交流侧负载为三相对称电抗器。
表1变流器开关状态检测实验平台参数
Figure BDA0004142748150000071
实验测得的信号波形如图5所示。(a)(b)(c)(d)均为电流传感器的输出信号，(a)中为三个传感器输出的低频信号，即A、B、C相的基波电流，(b)(c)(d)则分别是A、B、C相的高频振荡信号。信号使用虚拟示波器采集，采样频率为250MHz,图中展示的采样窗口时长为85μs。
根据以上六个信号，变流器开关状态检测系统即可输出此变流器中六个管子的开关状态。以T6管为例，(e)图即为输出的其开关状态检测结果，其中信号值“1”代表开通状态，“0”代表关断状态。(f)为电压探头实测的T6管的管压降Vce6，用于验证(e)中检测结果的正确性。
从变流器的工作原理可以推出，当T6管关断时，管压降处于高电平；T6管开通时，管压降处于低电平。因此将(f)与(e)图相比较，可以发现其变化时刻一致且(e)中描述的开关状态正确，从而证明了变流器开关状态检测系统的正确性。
本实施例的其他设置与实施例1相同。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种变流器开关状态在线检测方法，其特征在于，该方法包括：根据变流器运行过程中，内部开关管的每次开通或关断在输出电流中产生的高频振荡和低频电流信号的极性特征，进行变流器开关状态在线检测。
2.根据权利要求1所述的一种变流器开关状态在线检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、在变流器工作时，通过安装在各相输出端的电流传感器获取高频振荡和低频电流信号；
步骤S2、根据高频振荡和和低频电流信号，依据信号突变程度检测出高频振荡；
步骤S3、根据高低频信号的极性特征判断变流器的开关状态，进行变流器开关状态在线检测。
3.根据权利要求2所述的一种变流器开关状态在线检测方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤：
步骤S31、比较各相高频振荡间的极性，判断出开关管位于哪一相；
步骤S32、通过振荡时刻低频电流的极性判断出开关管在对应相桥臂中的位置；
步骤S33、根据该相高频振荡的极性判断出开关管是开通或是关断。
4.根据权利要求3所述的一种变流器开关状态在线检测方法，其特征在于，所述高低频信号的极性特征分别为：
高频振荡的极性：高频振荡首先迎来初峰值还是初谷值；
低频电流的极性：振荡时刻低频电流值大于零还是小于零。
5.根据权利要求2所述的一种变流器开关状态在线检测方法，其特征在于，所述步骤S1还包括对高频振荡和低频电流信号进行预处理，包括滤波和采样处理。
6.一种变流器开关状态在线检测系统，其特征在于，采用权利要求1～4任一项所述的方法，该系统包括：
电流信号采集模块，采用电流传感器获取交流器每相输出电流中的高频振荡和低频电流信号；
开关状态检测模块，用于从高频振荡和低频电流信号中提取高频振荡电流和低频电流的极性，对高频振荡的开关管进行分辨定位并判断开关状态。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括上位机通信接口模块，用于完成变流器开关状态检测结果的传输和下位机控制。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，下位机将变流器开关状态数据以设定频率传输给上位机。
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～5任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～5中任一项所述的方法。
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