楊琢,代炳曉,黎燕,程馨,劉志臻
(1.中南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083;2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司,河北 滄州 062450;3.天水天傳電氣工程有限責(zé)任公司,甘肅 天水 741000)
逆變器在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,目前已于廣泛應(yīng)用于光伏產(chǎn)業(yè)、核能等領(lǐng)域。經(jīng)行業(yè)調(diào)查顯示,功率開關(guān)管是引起逆變器故障的主要原因之一[1-3]。功率開關(guān)管主要會(huì)發(fā)生短路和開路故障。短路故障會(huì)擊穿開關(guān)管,造成較大危害,需要在短時(shí)間內(nèi)作出診斷,一般會(huì)選擇熔斷的方式將其轉(zhuǎn)變?yōu)殚_路故障。開路故障會(huì)導(dǎo)致電壓電流畸變、輸出質(zhì)量下降從而導(dǎo)致其他部件故障[3-6]。因此,逆變器開路故障的實(shí)時(shí)故障診斷技術(shù)具有重要意義。
逆變器故障診斷方法主要分為基于電壓和基于電流兩類。基于電壓的方法主要是通過區(qū)分正常電壓信號(hào)和異常電壓信號(hào)來診斷故障。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于輸出線電壓的故障診斷方案。該方法通過將預(yù)處理后的診斷特征值與電壓包絡(luò)值進(jìn)行比較,從而實(shí)現(xiàn)單開關(guān)的開路故障診斷,可靠性高但是其中的算法較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[8,9]分別采用小波包變換和傅里葉變換對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行處理,提取主要成分對(duì)故障進(jìn)行更精確地識(shí)別,但是其中的處理過程會(huì)使得診斷速度變慢。文獻(xiàn)[10]提出一種基于各逆變器橋的歸一化實(shí)極電壓與相應(yīng)參考電壓偏差的電壓法。該方法具有廣泛的應(yīng)用范圍但是需要額外的傳感器。文獻(xiàn)[11]提出一種基于電壓差殘差的三電平變流器故障診斷算法,通過結(jié)合開關(guān)信號(hào)可以同時(shí)診斷晶體管和二級(jí)管的故障。
基于電流的方法通常通過相電流信號(hào)來實(shí)現(xiàn),不需要附加傳感器,主要有平均電流法[12],電流斜率分析法[13]等。文獻(xiàn)[14]利用故障發(fā)生后電流的畸變來診斷故障,但是這種根據(jù)電流進(jìn)行判斷的方法容易受到外界干擾。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于電流狀態(tài)觀測(cè)器的診斷方法,可以避免噪聲干擾,故障定位需要一個(gè)周期時(shí)間。除此之外,基于知識(shí)的方法是近年研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[16]利用模糊邏輯分析電流來觀察系統(tǒng)狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)和診斷,但是此類方法比較依賴專家經(jīng)驗(yàn)。
根據(jù)以上研究可以發(fā)現(xiàn),電流法易受到負(fù)載擾動(dòng)的影響,而極電壓法不依賴于負(fù)載,但是需要額外的傳感器件。對(duì)此本文提出了一種利用中性點(diǎn)電壓的故障診斷方法,該方法首先通過中性點(diǎn)電壓來檢測(cè)故障的發(fā)生并初步判斷故障所在的上下方位,然后利用了逆變器的容錯(cuò)控制理念[17-20],通過拓?fù)渲貥?gòu)的方法定位故障管的相位,最終定位故障單管。該方法不受負(fù)載變化的影響,并且只需要采集一個(gè)中性點(diǎn)電壓便可以診斷開路故障,在診斷故障的同時(shí)還能使逆變器容錯(cuò)運(yùn)行,大大提高了逆變器的可靠性。
三相逆變器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。直流側(cè)電壓為 udc,C1和 C2為直流側(cè)電容,且有 C1=C2。Lf和Cf為濾波器的參數(shù),Zline是負(fù)載電阻。在分析過程中假定開關(guān)皆為理想開關(guān)。
圖1 三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
從直流側(cè)進(jìn)行分析,圖1中逆變器直流側(cè)兩個(gè)電容的電壓值為:
可以看出,中性點(diǎn)的值只與極電壓相關(guān),其同樣具有和極電壓一樣不依賴負(fù)載的特性。當(dāng)發(fā)生故障時(shí),極電壓發(fā)生改變,中性點(diǎn)電壓隨之變化。因此,可以通過檢測(cè)實(shí)際中性點(diǎn)電壓和正常模式下值之間的偏差來判斷開關(guān)管是否發(fā)生故障。
本文以a相上管V1發(fā)生開路故障為例。當(dāng)Sa=1時(shí),此時(shí)V1應(yīng)當(dāng)導(dǎo)通并且V2斷開。但是由于V1在這時(shí)發(fā)生開路故障,則V1和V2都處于斷開的狀態(tài),a點(diǎn)懸空。這時(shí)的三相電壓為:
結(jié)合式(5)和(7),中性點(diǎn)電壓可表示為:
若逆變器處于Sa=0時(shí),V1處于斷開狀態(tài),V1故障并不影響電路,這時(shí)的中性點(diǎn)電壓的表達(dá)式保持不變,同式(6)。
設(shè)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的中性點(diǎn)電壓偏差為:
根據(jù)式(2)、式(6)、式(8)和式(9),正常模式和V1故障時(shí)的中性點(diǎn)電壓及偏差如表1所示。
表1 正常模式和V1故障時(shí)的中性點(diǎn)電壓及偏差
從表 1 中可知,當(dāng) Sa=0 時(shí),V1不工作,V1故障下的中性點(diǎn)電壓和正常模式一樣,此階段下并不能獲得V1的故障信息。而當(dāng)Sa=1時(shí),V1應(yīng)接收到脈沖而導(dǎo)通,但由于V1發(fā)生開路故障,a相與電路完全斷開,在此階段中有三個(gè)開關(guān)狀態(tài)的中性點(diǎn)電壓發(fā)生改變。因此可以通過檢測(cè)實(shí)際中性點(diǎn)電壓與正常模式下電壓的偏差來判斷上管是否發(fā)生開路故障。并且V1故障后的中性點(diǎn)電壓可總結(jié)為:
與分析V1故障時(shí)的方法類似,V2發(fā)生開路故障時(shí)的情況與V1故障時(shí)恰好相反。當(dāng)Sa=1時(shí),中性點(diǎn)電壓滿足式(6);Sa=0 時(shí),中性點(diǎn)電壓滿足式(8)。因此可以得到正常模式和V2故障時(shí)的中性點(diǎn)電壓及偏差,如表2所示。
表2 正常模式和V2故障時(shí)的中性點(diǎn)電壓值及偏差
從表 2 中可知,當(dāng) Sa=1 時(shí),V2不工作,V2故障不會(huì)改變中性點(diǎn)電壓值;而當(dāng)Sa=0時(shí),由于V2開路故障使其不能正常導(dǎo)通,此時(shí)的中性點(diǎn)電壓發(fā)生一定變化。V1故障后的中性點(diǎn)電壓可總結(jié)為:
因此下管開路故障同樣可以通過檢測(cè)偏差的方式來進(jìn)行診斷。
由以上的分析可以得知,上管發(fā)生開路故障時(shí),可以檢測(cè)到中性點(diǎn)電壓的偏差會(huì)出現(xiàn)正值;當(dāng)下管發(fā)生開路故障時(shí),中性點(diǎn)電壓的偏差會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。定義電壓偏差值極性以識(shí)別故障:
其中Uth為閾值,在本文中設(shè)為1/6udc。當(dāng)J的值為Z時(shí),代表逆變器運(yùn)行正常;當(dāng)J的值為P時(shí),表示上管發(fā)生故障;當(dāng)J的值為N時(shí),表示下管發(fā)生故障,如表3所示。
表3 故障時(shí)中性點(diǎn)電壓偏差的極性
通過中性點(diǎn)電壓偏差極性只能確定故障管的上下位置,而不能準(zhǔn)確地判斷故障管所在的相。因此還需要其他特征來對(duì)故障位置進(jìn)行精確地定位。本節(jié)提出了利用拓?fù)渲貥?gòu)來實(shí)現(xiàn)故障定位,并且使電路故障后保持原來的結(jié)構(gòu)繼續(xù)正常運(yùn)行。
本文在逆變器原始結(jié)構(gòu)上增加了一相橋臂及雙向可控硅開關(guān)TRi(i=1,2,3),電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 帶冗余臂的三相逆變器
基于拓?fù)渲貥?gòu)的故障定位原理就是當(dāng)檢測(cè)到故障后,用冗余臂按照a相-b相-c相的順序逐相替代。如果替代的是正常的橋臂,則故障現(xiàn)象仍然存在,中性點(diǎn)電壓差值極性保持故障時(shí)的極性,然后下一次拓?fù)渲貥?gòu)。一旦冗余臂成功替代到故障管所在的橋臂,則電路恢復(fù)正常運(yùn)行,中性點(diǎn)電壓差值極性會(huì)變?yōu)閆,最終實(shí)現(xiàn)故障定位。算法流程如圖3所示。
圖3 基于拓?fù)渲貥?gòu)的故障定位流程
具體的步驟為:當(dāng)檢測(cè)到中性點(diǎn)電壓偏差極性J=P(N)時(shí),可以初步判斷為上(下)管發(fā)生開路故障。隨后進(jìn)行第一次拓?fù)渲貥?gòu),用冗余臂替代a相。然后再次檢測(cè)中性點(diǎn)電壓極性,如果此時(shí)的極性為Z,則表示重構(gòu)電路結(jié)構(gòu)是正確的,并判斷故障相為a相,因此定位故障管為V1(V2);如果極性仍為P(N),則排除a相故障,同時(shí)進(jìn)行第二次拓?fù)渲貥?gòu)。然后按相同的操作,將冗余臂替代b相,接著再進(jìn)行極性判斷。若極性為Z,則故障管為V3(V4);若極性為P(N),則故障管為V5(V6),同時(shí)用冗余臂替代c相,完成拓?fù)渲貥?gòu),故障診斷結(jié)束。
完整的故障診斷方法流程如圖4所示。實(shí)時(shí)采集逆變器中性點(diǎn)電壓,并與正常狀態(tài)下的值相減得到偏差,將偏差與閾值比較判斷極性,從而檢測(cè)是否有故障發(fā)生并且得到故障管所處的上/下臂。采用提出的基于拓?fù)渲貥?gòu)的故障定位方法判斷故障管所在的相,實(shí)現(xiàn)故障管定位,完成故障診斷。拓?fù)渲貥?gòu)后的逆變電路保持三相六開關(guān)結(jié)構(gòu),使逆變器繼續(xù)正常工作。
圖4 故障診斷流程
為了驗(yàn)證了本文所提故障診斷方法在三相逆變器上的有效性,在Matlab/Simulink上進(jìn)行仿真。以上管V1、V3、V5故障為例進(jìn)行分析,并且在帶阻性、感性、容性三種負(fù)載情況下分別進(jìn)行仿真,仿真時(shí)間為0.5s。其中感性負(fù)載由電感和電阻串聯(lián)構(gòu)成,容性負(fù)載由電容和電阻并聯(lián)構(gòu)成,電阻值與阻性負(fù)載保持一致。相關(guān)的參數(shù)如表4所示。
表4 仿真參數(shù)
設(shè)置在t=0.246s時(shí)開關(guān)管V1發(fā)生開路故障。仿真結(jié)果如圖5所示。
圖5 V1故障時(shí)的三相電壓和故障信號(hào)
由圖 5(a)、(b)、(c)可以看出,三種負(fù)載情況下的三相波形是一樣的。V1發(fā)生開路故障后,在第一次重構(gòu)時(shí)冗余臂替代了a相橋臂,所以三相電壓可以在極短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。圖5(d)顯示診斷所需時(shí)間為 0.22ms。
設(shè)置在t=0.24s時(shí)開關(guān)管V3發(fā)生開路故障,仿真結(jié)果如圖6所示。
圖6 V3故障時(shí)的三相電壓和故障信信號(hào)
由圖 6(a)、(b)、(c)可以看出,三種負(fù)載情況下的三相波形基本一樣。由于故障管在b相,因此需要重構(gòu)兩次。所以三相電壓在故障后有一小段時(shí)間的畸變,二次重構(gòu)成功后,三相電壓恢復(fù)成正常模式時(shí)的波形。圖6(d)顯示故障管被準(zhǔn)確診斷出為 V3,且診斷所需時(shí)間為 0.44ms。
設(shè)置在t=0.253s時(shí)開關(guān)管V5發(fā)生開路故障,仿真結(jié)果如圖7所示。
圖7 V5故障時(shí)的三相電壓和故障信號(hào)
由圖 7(a)、(b)、(c)可以看出,三種負(fù)載情況下的三相波形還是一樣的。由于故障管在c相,需要第三次重構(gòu),電路才恢復(fù)正常,因此三相電壓會(huì)產(chǎn)生更明顯的畸變,最后才恢復(fù)成原本正常模式時(shí)的波形。圖7(d)顯示故障管被診斷為V5,診斷所需時(shí)間為 0.44ms。
從以上的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)于a相故障,該方法往往能更快地診斷出故障管并且能迅速保護(hù)電路,三相電壓故障前后的波形變化很微小。而對(duì)于b相和c相故障,故障后的三相電壓波形會(huì)發(fā)生一定的畸變,但在較短的時(shí)間內(nèi)也能恢復(fù)正常。而且?guī)ё栊?、感性、容性?fù)載三種情況下的三相電壓波形基本一致。因此證明該方法能在診斷故障的同時(shí)有效地保護(hù)電路并且適用于多種負(fù)載情況。
本文提出了一種基于中性點(diǎn)電壓偏差極性和拓?fù)渲貥?gòu)的故障診斷方法,用于診斷三相逆變器的開路故障。該方法通過中性點(diǎn)電壓可快速檢測(cè)故障,只需測(cè)量一個(gè)中性點(diǎn)電壓,減少了傳感器的使用。而且利用重構(gòu)算法對(duì)故障管進(jìn)行了精確定位,在診斷的同時(shí)起到了保護(hù)電路的作用,有利于保證電路的安全。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。