CN118033487B - 一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，包括：从HANPC控制器中获取故障诊断数据；根据故障诊断数据获取桥臂线电压残差；根据参数采样误差和死区时间估算电压残差计算误差；通过滑窗计数法识别电流极性状态；根据电流极性状态判断是否检测到零区域，若是则启动故障特征异构策略，若否则全控器件健康；构建全控器件的故障电压残差的阈值检测区域；根据桥臂线电压残差与故障电压残差阈值检测区域之间关系，电流状态数据个数与窗口长度之间关系，分别建立电压残差与电流极性状态诊断逻辑变量；根据诊断逻辑变量来定位具体故障全控器件；本发明利用控制器既有电气信息，在较低成本下精准辨识并网HANPC故障全控器件。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法；
背景技术
在各类并网变换器拓扑结构中，三电平拓扑是最为常用的结构；其中，混合型有源中点钳位变换器(hybrid active neutral point converter，HANPC)有效结合了Si与SiC器件各自优势，具备高性能、高效率、低成本等优点；然而，作为HANPC核心组成部分，半导体器件是设备中最为薄弱的部件，其常见的全控器件开路故障事件影响装置可靠运行与性能表现，需要特别关注；
目前，针对T型、NPC型三电平变换器的全控器件开路故障诊断方法主要可分为三类。基于模型解析的诊断方法、基于信号处理的诊断方法与基于数据驱动的方法；基于模型解析的方法通过构建诊断变量(电压或电流)期望值与实际测量值的残差，对故障进行识别，但由于建模误差，参数扰动影响，其鲁棒性问题突出；基于信号处理的诊断方法直接利用信号处理技术提取信号的方差、幅值、频率等特征，建立故障特征库以标识故障器件，但较少关注系统动态输入，在未知输入干扰下容易误判；基于数据驱动的诊断方法采用数据挖掘技术并依附人工智能算法对大量的在线和离线数据分析与训练，通过分类器对故障进行辨识，然而该类方法计算复杂，不符合工程实际应用要求；此外，由于HANPC拓扑采用高频单元与低频单元混合调制运行，器件故障存在新的征兆，上述现有面向T型与NPC型变换器同一开关频率调制的器件故障诊断方法难以直接套用；
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，用以至少解决现有技术中全控器件开路故障诊断方法可靠性差、鲁棒性差以及适用性差的问题；
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案.
一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，包括以下步骤：
S1.从HANPC控制器中获取故障诊断数据；
S2.根据所述故障诊断数据获取桥臂线电压残差；
S3.根据参数采样误差和死区时间估算电压残差计算误差；
S4.通过滑窗计数的方法识别电流极性状态；
S5.根据电流极性状态判断是否检测到零区域，若是，则启动故障特征异构策略，若否，则全控器件健康；
S6.基于故障特征异构策略下空间矢量调制脉冲冲量故障演化规律，结合所述电压残差计算误差，构建全控器件的故障电压残差的阈值检测区域；
S7. 根据所述桥臂线电压残差和故障电压残差阈值检测区域之间关系，所述电流状态数据个数与窗口长度之间关系，分别建立电压残差与电流极性状态诊断逻辑变量；
S8.根据所述诊断逻辑变量来定位具体故障全控器件。
优选的，S2中所述桥臂线电压残差的计算方法具体为：
(1)
其中，为第/>个采样时刻/>相桥臂与/>相桥臂间线电压残差，其中/>为两相或/>两相或/>两相；/>为实际桥臂间线电压估计值，/>为HANPC并网线电压，/>为开关周期，/>为滤波电感，/>为/>相输出电流，/>为/>相输出电流；/>为桥臂间线电压期望值，/>为直流侧电压，/>为/>内/>相桥臂正电平时间占比或负电平时间占比，若/>内为正电平开关序列则/>取0，若为负电平开关序列则/>取1；/>为/>内相桥臂正电平时间占比或负电平时间占比，若/>内为正电平开关序列则/>取0，若为负电平开关序列则/>取1。
优选的，S3中所述电压残差计算误差的计算方法具体为：
(2)
其中，为开关周期，/>为电感参数误差，/>为/>相输出电流，/>为/>相输出电流，/>为交流侧电压采样误差，/>为电流采样误差，/>为直流侧电压，/>为开关死区时间，/>为实际桥臂间线电压估计值/>与其线电压真实值之间的延迟角，/>为正弦函数的因变量。
优选的，S4中通过滑窗计数的方法识别电流极性状态的具体内容包括：
将前窗口长度和后窗口长度均设为；
若相电流，计为零电流状态；/>，计为正电流状态；，计为负电流状态，其中，/>为额定电流的/>倍,/>；
计初始前窗口内正电流状态数据个数为，零电流状态数据个数为/>，负电流状态数据个数/>；初始后窗口正、零与负电流状态数据个数分别记为/>与/>；
窗口滑动时，若前窗口首位置滑出一个电流数据，则在原电流状态计数对应的个数上减去1，若末位置进入一个电流数据，则在原电流状态计数对应的个数上加1。
优选的，S5的具体内容包括：
若检测到当前前窗口内零电流状态个数时，则启动所述故障特征异构策略，所述故障特征异构策略具体包括：
启动无功控制，设置无功参考电流值为，取值为逆变器额定电流的0.2~0.5倍，同时启动高低频切换策略，将原本用于低频调制的全控器件/>切换为高频调制，用于高频调制的全控器件/>切换为低频调制。
优选的，S6中所述故障电压残差阈值的检测区域包括：
(3)
其中，为第一检测区域，/>为第二检测区域，/>为第三检测区域，/>为第四检测区域，/>和/>为7段式空间矢量调制基本矢量作用时间，为中点电位平衡因子，/>为所述电压残差计算误差。
优选的，S7中所述诊断逻辑变量包括电压残差诊断逻辑变量与电流极性状态诊断逻辑变量/>，具体为：
(4)
(5)
其中，为第一检测区域，/>为第二检测区域，/>为第三检测区域，/>为第四检测区域，/>为/>相桥臂与/>相桥臂间线电压残差，/>表示检测到/>相电流从故障零区域到负电流区域的跃迁状态，/>表示检测到/>相电流从故障零区域到正电流区域的跃迁状态，/>表示检测到/>相电流故障零区域，/>表示当前前窗口内正电流状态数据个数，/>表示当前前窗口内零电流状态数据个数，/>表示当前前窗口内负电流状态数据个数，同理，当前后窗口正、零与负电流状态分别记为与/>，/>表示逻辑与运算符。
优选的，S8中根据所述诊断逻辑变量来定位具体故障全控器件的具体内容包括：
其中，为电压残差诊断逻辑变量，/>为电流极性状态诊断逻辑变量，/>为低频调制的全控硅基器件，/>为高频调制的全控碳化硅器件，/>为/>或/>三相中任意一相，/> =1，2，3，4，/>=1,2。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，具有以下有益效果：
（1）不需要额外的硬件电路，利用控制器既有电气信息，在较低成本下实现了并网HANPC故障全控器件的检测。
（2）所提方法有效结合了电压与电流故障特征，弥补单一信息源使用的局限性，提升了检测算法的鲁棒性，保障诊断结果的准确性。
（3）提出故障特征异构策略，相比较现有特定故障识别开关序列注入策略，所提方法对系统输出特性影响较小，不会造成过流的风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1为本发明实施例提供的并网HANPC的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的空间矢量调制某区域开关序列脉冲示意图；
图4为本发明实施例提供的故障诊断仿真波形示意图。
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，所描述的实施例仅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做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；
本发明提供了一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，并网HANPC如图1所示，其中，为直流端节点，/>与/>分别为电容/>与电容/>上的电压；每相桥臂包括全控硅基器件/>与反并联硅基二极管和全控碳化硅器件与其反并联碳化硅二极管；/>为滤波电感，/>为并网电压，分别为电网源侧三相电压。
该方法包括以下步骤，如图2所示：
S1.从HANPC控制器中获取故障诊断数据；
S2.根据故障诊断数据获取桥臂线电压残差；
S3.根据参数采样误差和死区时间估算电压残差计算误差；
S4.通过滑窗计数的方法识别电流极性状态；
S5.根据电流极性状态判断是否检测到零区域，若是，则启动故障特征异构策略，若否，则全控器件健康；
S6.基于故障特征异构策略下空间矢量调制脉冲冲量故障演化规律，结合电压残差计算误差，构建全控器件的故障电压残差的阈值检测区域；
S7. 根据所述桥臂线电压残差和故障电压残差阈值检测区域之间关系，所述电流状态数据个数与窗口长度之间关系，分别建立电压残差与电流极性状态诊断逻辑变量；
S8.根据诊断逻辑变量来定位具体故障全控器件。
需要说明的是：
所述步骤S1中相关数据信息包括：并网点电压、并网电流/>、直流侧电压/>、开关周期/>，7段式空间矢量调制基本矢量作用时间/>，死区时间/>、电感参数/>、中点电位平衡因子/>。
为了进一步实施上述技术方案，S2中桥臂线电压残差的计算方法具体为：
(1)
其中，为第/>个采样时刻/>相桥臂与/>相桥臂间线电压残差，其中/>为两相或/>两相或/>两相；/>为实际桥臂间线电压估计值，/>为HANPC并网线电压，/>为开关周期，/>为滤波电感，/>为/>相输出电流，/>为/>相输出电流；/>为桥臂间线电压期望值，/>为直流侧电压，/>为/>内/>相桥臂正电平时间占比或负电平时间占比，若/>内为正电平开关序列则/>取0，若为负电平开关序列则/>取1；/>为/>内/>相桥臂正电平时间占比或负电平时间占比，若/>内为正电平开关序列则/>取0，若为负电平开关序列则/>取1。
为了进一步实施上述技术方案，S3中电压残差计算误差的计算方法具体为：
(2)
其中，为开关周期，/>为电感参数误差，/>为/>相输出电流，/>为/>相输出电流，/>为交流侧电压采样误差，/>为电流采样误差，/>为直流侧电压，/>为开关死区时间，/>为实际桥臂间线电压估计值/>与其线电压真实值之间的延迟角，/>为正弦函数的因变量。
为了进一步实施上述技术方案，S4中通过滑窗计数的方法识别电流极性状态的具体内容包括：
将前窗口长度和后窗口长度均设为；
若相电流，计为零电流状态；/>，计为正电流状态；，计为负电流状态，其中，/>为额定电流的/>倍,/>；
计初始前窗口内正电流状态数据个数为，零电流状态数据个数为/>，负电流状态数据个数/>；初始后窗口正、零与负电流状态数据个数分别记为/>与/>；
窗口滑动时，若前窗口首位置滑出一个电流数据，则在原电流状态对应的个数上减去1，若末位置进入一个电流数据，则在原电流状态对应的个数上加1。
为了进一步实施上述技术方案，S5的具体内容包括：
若检测到当前前窗口内零电流状态个数时，则启动故障特征异构策略，故障特征异构策略具体包括：
启动无功控制，设置无功参考电流值为，取值为逆变器额定电流的0.2~0.5倍，同时启动高低频切换策略，将原本用于低频调制的全控器件/>切换为高频调制，用于高频调制的全控器件/>切换为低频调制。
为了进一步实施上述技术方案，S6中故障电压残差阈值的检测区域包括：
(3)
其中，为第一检测区域，/>为第二检测区域，/>为第三检测区域，/>为第四检测区域，/>和/>为7段式空间矢量调制基本矢量作用时间，/>为中点电位平衡因子，/>为电压残差计算误差。
需要说明的是：
空间矢量调制某区域开关序列脉冲如图3所示，图中，与/>为各基本矢量在开关周期/>内的作用时间；1表示桥臂处于“/>”状态，输出正电平；0表示桥臂处于“/>”状态，输出0电平；-1表示桥臂处于“/>”状态，输出负电平。
为了进一步实施上述技术方案，S7中诊断逻辑变量包括电压残差诊断逻辑变量与电流极性状态诊断逻辑变量/>，具体为：
(4)
(5)
其中，为第一检测区域，/>为第二检测区域，/>为第三检测区域，/>为第四检测区域，/>为/>相桥臂与/>相桥臂间线电压残差，/>表示检测到/>相电流从故障零区域到负电流区域的跃迁状态，/>表示检测到/>相电流从故障零区域到正电流区域的跃迁状态，/>表示检测到/>相电流故障零区域，/>表示当前前窗口内正电流状态数据个数，/>表示当前前窗口内零电流状态数据个数，/>表示当前前窗口内负电流状态数据个数，同理，当前后窗口正、零与负电流状态分别记为与/>，/>表示逻辑与运算符。
为了进一步实施上述技术方案，S8中根据诊断逻辑变量来定位具体故障全控器件的具体内容包括：
表1
其中，为电压残差诊断逻辑变量，/>为电流极性状态诊断逻辑变量，/>为低频调制的全控硅基器件，/>为高频调制的全控碳化硅器件，/>为/>或/>三相中任意一相，/> =1，2，3，4，/>=1,2。
需要说明的是：
除表中情况，其他情况表示器件健康。
下面通过仿真实验来对本发明进行进一步说明：
为更好证明本发明专利所提全控器件故障诊断方法的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建HANPC模型，并进行了相关全控器件开路故障的诊断仿真。具体电路仿真参数如表2。
表2 主要电路仿真参数
以在0.37s发生开路故障为例，实施所提诊断方法。/>故障诊断仿真波形如图4所示。图4（a）为HANPC并网电流示意图，图4（b）为电压残差变量及诊断区间示意图，图4（c）为滑动窗口电流状态计数示意图，图4（d）为故障诊断标志示意图，其中，在图4（b）中，为第一检测区域，/>为第二检测区域，/>为HANPC的A相与B相桥臂间线电压残差。
从图4(a)中可以看出，发生故障后出现故障电流零区域现象，此时，滑动窗口零电流状态计数变量/>超过所设定的计数阀值/>，如图4(c)所示；电流极性状态诊断逻辑变量/>变为0，表明故障电流零区域被识别，如图4(d)所示；同时，经过一段时间，电压残差/>进入阈值第一检测区域/>，如图4(b)所示；电压残差诊断逻辑变量变为1，如图4(d)所示。此刻，由表1可知，/>故障定位判据满足，故障器件/>被辨识。可见，所提算法具备有效性。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.从HANPC控制器中获取故障诊断数据；
S2.根据所述故障诊断数据获取桥臂线电压残差；
S3.根据参数采样误差和死区时间估算电压残差计算误差；
S4.通过滑窗计数的方法识别电流极性状态；
S5.根据电流极性状态判断是否检测到零区域，若是，则启动故障特征异构策略，若否，则全控器件健康；
S6.基于故障特征异构策略下空间矢量调制脉冲冲量故障演化规律，结合所述电压残差计算误差，构建全控器件的故障电压残差的阈值检测区域；
S7.根据所述桥臂线电压残差和故障电压残差阈值检测区域之间关系，电流状态数据个数与窗口长度之间关系，分别建立电压残差与电流极性状态诊断逻辑变量；
S8.根据所述诊断逻辑变量来定位具体故障全控器件。
2.根据权利要求1所述的一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，S2中所述桥臂线电压残差的计算方法具体为：
(1)
其中，为第/>个采样时刻/>相桥臂与/>相桥臂间线电压残差，其中/>为/>两相或/>两相或/>两相；/>为实际桥臂间线电压估计值，/>为HANPC并网线电压，为开关周期，/>为滤波电感，/>为/>相输出电流，/>为/>相输出电流；/>为桥臂间线电压期望值，/>为直流侧电压，/>为/>内/>相桥臂正电平时间占比或负电平时间占比，若/>内为正电平开关序列则/>取0，若为负电平开关序列则/>取1；/>为/>内/>相桥臂正电平时间占比或负电平时间占比，若/>内为正电平开关序列则/>取0，若为负电平开关序列则/>取1。
3.根据权利要求1所述的一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，S3中所述电压残差计算误差的计算方法具体为：
(2)
其中，为开关周期，/>为电感参数误差，/>为第/>个采样时刻/>相输出电流，/>为/>相输出电流，/>为交流侧电压采样误差，/>为电流采样误差，/>为滤波电感，/>为直流侧电压，/>为开关死区时间，/>为实际桥臂间线电压估计值/>与其线电压真实值之间的延迟角，/>为正弦函数的因变量。
4.根据权利要求1所述的一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，S4中通过滑窗计数的方法识别电流极性状态的具体内容包括：
将前窗口长度和后窗口长度均设为；
若相电流，计为零电流状态；/>，计为正电流状态；，计为负电流状态，其中，/>为额定电流的/>倍,/>；
计初始前窗口内正电流状态数据个数为，零电流状态数据个数为/>，负电流状态数据个数/>；初始后窗口正、零与负电流状态数据个数分别记为，/>，/>与/>；
窗口滑动时，若前窗口首位置滑出一个电流数据，则在原电流状态计数对应的个数上减去1，若末位置进入一个电流数据，则在原电流状态计数对应的个数上加1。
5.根据权利要求1所述的一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，S5的具体内容包括：
若检测到当前前窗口内零电流状态个数时，则启动所述故障特征异构策略，所述故障特征异构策略具体包括：
启动无功控制，设置无功参考电流值为，取值为逆变器额定电流的0.2~0.5倍，同时启动高低频切换策略，将原本用于低频调制的全控器件/>切换为高频调制，用于高频调制的全控器件/>切换为低频调制。
6.根据权利要求1所述的一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，S6中所述故障电压残差阈值的检测区域包括：
(3)
其中，为第一检测区域；/>为第二检测区域，/>为第三检测区域，/>为第四检测区域，/>和/>为7段式空间矢量调制基本矢量作用时间，为中点电位平衡因子，/>为所述电压残差计算误差。
7.根据权利要求1所述的一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，S7中所述诊断逻辑变量包括电压残差诊断逻辑变量与电流极性状态诊断逻辑变量/>，具体为：
(4)
(5)
其中，为第一检测区域，/>为第二检测区域，/>为第三检测区域，/>为第四检测区域，/>为/>相桥臂与/>相桥臂间线电压残差，/>表示检测到/>相电流从故障零区域到负电流区域的跃迁状态，/>为所述电压残差计算误差，/>表示检测到/>相电流从故障零区域到正电流区域的跃迁状态，/>为前窗口长度和后窗口长度，/>表示检测到/>相电流故障零区域，/>表示当前前窗口内正电流状态数据个数，/>表示当前前窗口内零电流状态数据个数，/>表示当前前窗口内负电流状态数据个数，同理，当前后窗口正、零与负电流状态分别记为/>与/>，/>表示逻辑与运算符。
8.根据权利要求1所述的一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，S8中根据所述诊断逻辑变量来定位具体故障全控器件的具体内容包括：
其中，为电压残差诊断逻辑变量，/>为电流极性状态诊断逻辑变量，/>为低频调制的全控硅基器件，/>为高频调制的全控碳化硅器件，/>为/>或/>三相中任意一相，/> =1，2，3，4，/>=1,2。
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