技术领域
[0001] 本
发明涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法。
背景技术
[0002] 由于NPC型三电平逆变器具有输出容量大、
输出电压高、
电流谐波含量小等优点，因此广泛应用在
风能、
太阳能等新
能源发电领域。然而，由于NPC型三电平逆变器采用了较多的功率
开关器件，且长期运行在高温、大电流及高压状态下，因此NPC型三电平逆变器的功率开关器件故障率较高，可靠性较低。为了确保NPC型三电平逆变器的安全可靠的运行，要求对逆变器的功率开关器件的故障诊断及时且准确率高，这样将会使得维修人员及时对故障的功率开关器件进行修理或更换，减少由于功率开关故障带来的经济损失。
[0003] NPC型三电平逆变器的功率开关器件的故障可以分为两种故障，开路故障和
短路故障。短路
故障电流较大且故障发生时间较短，目前技术很难诊断，所以往往在功率开关器件
电路中加入快速熔丝，发生短路故障时，熔丝立
马被熔断，短路故障便转化为开路故障去诊断处理。当功率开关器件发生开路故障时，故障现象不易被察觉，若某个功率开关器件长期处于开路故障下，其他功率开关器件会发生过电流，接着会导致功率开关器件的发热和绝缘损坏，导致整个NPC三电平逆变器系统的崩溃。同时单个功率开关管发生开路故障的现象最为常见，因此，对单个功率开关管的开路诊断变得尤为重要。
[0004] 当前对NPC型三电平逆变器的开路故障诊断方法可分为以下几种：
[0005] 1、电流Park矢量法以及平均电流Park矢量法，可同时检测出功率开关管开路故障并
定位，但显然，基于Park矢量轨迹的故障诊断，必须结合复杂的
模式识别方法才能实现，不利于
算法集成。
[0006] 2、电流矢量瞬时频率法，可以检测功率开关管开路故障，但不能识别故障功率开关管的
位置。
[0007] 3、
专家系统法，基于经验累积，查询
知识库即可判断故障类型缺。点在于难以穷尽所有的故障现象并得到完备的故障知识库，而有些故障模态与功率开关管正常工作时的某种状态非常相似，造成难以准确匹配故障。
发明内容
[0008] 本发明的目的是要解决上述
现有技术中存在的问题，具体的，利用加权滑动希尔伯特变换法，消除数据段之间的“飞翼效应”，准确获得三相输出电流的瞬时频率 克服NPC型三相逆变器输入端电流幅值以及频率的扰动，并结合相电流均值法直接基于三相输出电流对单个开关管进行开路故障诊断。
[0009] 本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法，该诊断方法涉及的NPC三电平逆变器的拓扑结构包括直流电源Udc、主逆变电路和3个相同的负载
电阻；
[0010] 所述主逆变电路包括2个相同的
支撑电容和三相桥臂，所述2个相同的支撑电容分别记为支撑电容C1和支撑电容C2，所述三相桥臂中，每相桥臂包括4个带反向并联
二极管的开关管和2个箝位二极管，即三相桥臂共包括12个带反向并联二极管的开关管和6个箝位二极管，12个开关管分别记为Vje，其中j表示相序，j＝a,b,c，e表示开关管的序号，e＝1,2,3,4，6个二极管分别记为Djg，其中g表示箝位二极管的序号，g＝1,2；所述3个相同的负载电阻分别记为负载电阻R1、负载电阻R2和负载电阻R3；
[0011] 所述支撑电容C1和支撑电容C2
串联后连接在直流电源Udc的直流正
母线P与直流负母线Q之间，支撑电容C1、支撑电容C2的公共
节点记为点O；所述三相桥臂相互并联在直流正母线P与直流负母线Q之间，即开关管Va1、Vb1、Vc1的输入端并联后连接直流正母线P，开关管Va4、Vb4、Vc4的输出端并联后连接直流负母线Q；在三相桥臂中，开关管Va1、开关管Va2、开关管Va3和Va4顺序串联,开关管Vb1、开关管Vb2、开关管Vb3和Vb4顺序串联，开关管Vc1、开关管Vc2、开关管Vc3和Vc4顺序串联；
[0012] 二极管Da1、Db1、Dc1的
阳极并联后连接点O，二极管Da1的
阴极连接开关管Va1的输出端，二极管Db1的阴极连接开关管Vb1的输出端，二极管Dc1的阴极连接开关管Vc1的输出端；二极管Da2、Db2、Dc2的阴极并联后连接点O，二极管Da2的阳极连接开关管Va3的输出端，二极管Db2的阳极连接开关管Vb3的输出端，二极管Dc2的阳极连接开关管Vc3的输出端；
[0013] 负载电阻R1的输入端连接开关管Va2的输出端，负载电阻R2的输入端连接开关管Vb2的输出端，负载电阻R3的输入端连接开关管Vc2的输出端，负载电阻R1、负载电阻R2、负载电阻R3的输出端并联后接地；
[0014] 本开路故障诊断方法的步骤如下：
[0015] 步骤1，通过
采样获得一个采样周期内NPC三电平逆变器三相输出电流并记为三相输出电流ijh，j＝a,b,c，h表示第h次采样得到的样本，h＝1,2,...N,N为采样周期内的最大采样次数，N为正整数；
[0016] 步骤2，根据步骤1得到的三相输出电流ijh，通过加权滑动希尔伯特变换法得到三相输出电流ijh的瞬时频率并记为瞬时频率 j＝a,b,c，h＝1,2,...N；
[0017] 步骤3，先根据步骤2得到的瞬时频率 求出三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|errjh|，然后根据三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|errjh|计算得到三相相电流频率残差的绝对值的均值并记为均值μj，j＝a,b,c，h＝1,2,...N；
[0018] 三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|errjh|的计算式如下：
[0019]
[0020] 其中，f为正常运行情况下逆变器三相输出电流理论瞬时频率；
[0021] 均值μj的计算式如下：
[0022]
[0023] 步骤4，根据步骤1得到的三相输出电流ijh，归一化后得到三相输出电流ijh的周期均值并记为周期均值νj，j＝a,b,c：
[0024]
[0025] 其中，ijh max为三相输出电流ijh的幅值；
[0026] 步骤5，首先设定以下三个故障检测
阈值：频率残差均值检测阈值μ1、第一相电流周期均值检测阈值ν1和第二相电流周期均值检测阈值ν2，然后将均值μj、周期均值νj与三个故障检测阈值进行比较，并根据比较结果对单个开关管开路故障发生状态进行诊断，具体诊断如下：
[0027] 当μa＝0且νa＝0或者μb＝0且νb＝0或者μc＝0且νc＝0，则无开路故障；
[0028] 当μa＞μ1且-ν2＜νa＜-ν1，则Va1发生故障；
[0029] 当μa＞μ1且νa＜-ν2，则Va2发生故障；
[0030] 当μa＞μ1且ν2＜νa，则Va3发生故障；
[0031] 当μa＞μ1且ν1＜νa＜ν2，则Va4发生故障；
[0032] 当μb＞μ1且-ν2＜νb＜-ν1，则Vb1发生故障；
[0033] 当μb＞μ1且νb＜-ν2，则Vb2发生故障；
[0034] 当μb＞μ1且ν2＜νb，则Vb3发生故障；
[0035] 当μb＞μ1且ν1＜νb＜ν2，则Vb4发生故障；
[0036] 当μc＞μ1且-ν2＜νc＜-ν1，则Vc1发生故障；
[0037] 当μc＞μ1且νc＜-ν2，则Vc2发生故障；
[0038] 当μc＞μ1且ν2＜νc，则Vc3发生故障；
[0039] 当μc＞μ1且ν1＜νc＜ν2，则Vc4发生故障。
[0040] 优选地，所述步骤2中通过加权滑动希尔伯特变换法得到三相输出电流ijh的瞬时频率 的计算过程如下：
[0041] 设对三相输出电流ijh进行加权滑动希尔伯特变换的滑动窗口为L个，将L个滑动窗口中的任意一个记为滑动窗口Sq，其中q为滑动
窗户的序列号，q＝1,2...,L,其中L＝N/K,K为滑动窗口的步长；
[0042] 用滑动窗口Sq采集三相输出电流ijh的
片段并记为电流序列Xq(t)，则与电流序列Xq(t)对应的三相输出电流ijh的瞬时频率 的计算式如下：
[0043]
[0044] 其中，t为时间；M为电流序列Xq(t)的长度；r为第(q-M/K+1)个滑动窗口到第q个滑动窗口中的任一个窗口；C为用于加权求和运算的高斯序列,C＝[c1,c2...,cM/K]；Yq(t)为对电 流 序列Xq (t) 进行 希尔 伯特变换 得到的 复解 析
信号的 虚 部函数 ，P为柯西主值，τ为时间常数。
[0045] 与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
[0046] 1、利用加权滑动希尔伯特变换法对网侧瞬时频率进行估计，可以消除数据段之间的“飞翼效应”带来的误差，实现了时间序列的连续光滑的
频谱分析，更加准确的求出三相输出电流的瞬时频率
[0047] 2、很好地克服NPC型三电平逆变器输入端电流幅值以及频率的扰动；
[0048] 3、基于加权滑动希尔变换法求出的三相输出电流的瞬时频率 和电流均值法求出的三相输出电流的周期均值νj相结合，实现了直接基于三相输出电流的特征对功率开关管故障的检测以及定位。
附图说明
[0049] 图1是本发明基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法
流程图；
[0050] 图2是本发明
实施例中NPC三电平逆变器的拓扑图；
[0051] 图3是本发明实施例中采样获得的电流样本的仿真
波形图；
[0052] 图4是本发明实施例中三相输出电流ijh的瞬时频率 的仿真波形图；
[0053] 图5是本发明实施例中三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|errjh|的仿真波形图；
[0054] 图6是本发明实施例中三相相电流频率残差的绝对值的均值μj的仿真波形图；
[0055] 图7是本发明实施例中三相输出电流ijh的周期均值νj的仿真波形图；
[0056] 图8是本发明实施例中的故障诊断结果。
具体实施方式
[0057] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
[0058] 图2是本发明实施例中NPC三电平逆变器的拓扑图。由图2可见，本开路故障诊断方法涉及的NPC三电平逆变器的拓扑结构包括直流电源Udc、主逆变电路和3个相同的负载电阻。
[0059] 所述主逆变电路包括2个相同的支撑电容和三相桥臂，所述2个相同的支撑电容分别记为支撑电容C1和支撑电容C2，所述三相桥臂中，每相桥臂包括4个带反向并联二极管的开关管和2个箝位二极管，即三相桥臂共包括12个带反向并联二极管的开关管和6个箝位二极管，12个开关管分别记为Vje，其中j表示相序，j＝a,b,c，e表示开关管的序号，e＝1,2,3,4，6个二极管分别记为Djg，其中g表示箝位二极管的序号，g＝1,2；所述3个相同的负载电阻分别记为负载电阻R1、负载电阻R2和负载电阻R3。
[0060] 所述支撑电容C1和支撑电容C2串联后连接在直流电源Udc的直流正母线P与直流负母线Q之间，支撑电容C1、支撑电容C2的公共节点记为点O；所述三相桥臂相互并联在直流正母线P与直流负母线Q之间，即开关管Va1、Vb1、Vc1的输入端并联后连接直流正母线P，开关管Va4、Vb4、Vc4的输出端并联后连接直流负母线Q；在三相桥臂中，开关管Va1、开关管Va2、开关管Va3和Va4顺序串联,开关管Vb1、开关管Vb2、开关管Vb3和Vb4顺序串联，开关管Vc1、开关管Vc2、开关管Vc3和Vc4顺序串联。
[0061] 二极管Da1、Db1、Dc1的阳极并联后连接点O，二极管Da1的阴极连接开关管Va1的输出端，二极管Db1的阴极连接开关管Vb1的输出端，二极管Dc1的阴极连接开关管Vc1的输出端；二极管Da2、Db2、Dc2的阴极并联后连接点O，二极管Da2的阳极连接开关管Va3的输出端，二极管Db2的阳极连接开关管Vb3的输出端，二极管Dc2的阳极连接开关管Vc3的输出端。
[0062] 负载电阻R1的输入端连接开关管Va2的输出端，负载电阻R2的输入端连接开关管Vb2的输出端，负载电阻R3的输入端连接开关管Vc2的输出端，负载电阻R1、负载电阻R2、负载电阻R3的输出端并联后接地。
[0063] 本发明实施时的有关电气参数设置如下：逆变器输入测直流电压Udc＝400V，频率残差均值检测阈值μ1＝0.18、第一相电流周期均值检测阈值ν1＝0.2和第二相电流周期均值检测阈值ν2＝0.3。
[0064] 图1是本发明基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法流程图，由该图可见，本发明开路故障诊断方法的步骤如下：
[0065] 步骤1，通
过采样获得一个采样周期内NPC三电平逆变器三相输出电流并记为三相输出电流ijh，j＝a,b,c，h表示第h次采样得到的样本，h＝1,2,...N,N为采样周期内的最大采样次数，N为正整数。
[0066] 步骤2，根据步骤1得到的三相输出电流ijh，通过加权滑动希尔伯特变换法得到三相输出电流ijh的瞬时频率并记为瞬时频率 j＝a,b,c，h＝1,2,...N。
[0067] 具体计算过程如下：
[0068] 设对三相输出电流ijh进行加权滑动希尔伯特变换的滑动窗口为L个，将L个滑动窗口中的任意一个记为滑动窗口Sq，其中q为滑动窗户的序列号，q＝1,2...,L,其中L＝N/K,K为滑动窗口的步长；
[0069] 用滑动窗口Sq采集三相输出电流ijh的片段并记为电流序列Xq(t)，则与电流序列Xq(t)对应的三相输出电流ijh的瞬时频率 的计算式如下：
[0070]
[0071] 其中，t为时间；M为电流序列Xq(t)的长度；r为第(q-M/K+1)个滑动窗口到第q个滑动窗口中的任一个窗口；C为用于加权求和运算的高斯序列,C＝[c1,c2...,cM/K]；Yq(t)为对电 流 序列Xq (t) 进行 希尔 伯特变换 得到的 复解 析信号的 虚 部函数 ，P为柯西主值，τ为时间常数。
[0072] 步骤3，先根据步骤2得到的瞬时频率 求出三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|errjh|，然后根据三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|errjh|计算得到三相相电流频率残差的绝对值的均值并记为均值μj，j＝a,b,c，h＝1,2,...N；
[0073] 三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|errjh|的计算式如下：
[0074]
[0075] 其中，f为正常运行情况下逆变器三相输出电流理论瞬时频率；
[0076] 均值μj的计算式如下：
[0077]
[0078] 步骤4，根据步骤1得到的三相输出电流ijh，归一化后得到三相输出电流ijh的周期均值并记为周期均值νj，j＝a,b,c：
[0079]
[0080] 其中，ijh max为三相输出电流ijh的幅值；
[0081] 步骤5，首先设定以下三个故障检测阈值：频率残差均值检测阈值μ1、第一相电流周期均值检测阈值ν1和第二相电流周期均值检测阈值ν2，然后将均值μj、周期均值νj与三个故障检测阈值进行比较，并根据比较结果对单个开关管开路故障发生状态进行诊断，具体诊断如下：
[0082] 当μa＝0且νa＝0或者μb＝0且νb＝0或者μc＝0且νc＝0，则无开路故障；
[0083] 当μa＞μ1且-ν2＜νa＜-ν1，则Va1发生故障；
[0084] 当μa＞μ1且νa＜-ν2，则Va2发生故障；
[0085] 当μa＞μ1且ν2＜νa，则Va3发生故障；
[0086] 当μa＞μ1且ν1＜νa＜ν2，则Va4发生故障；
[0087] 当μb＞μ1且-ν2＜νb＜-ν1，则Vb1发生故障；
[0088] 当μb＞μ1且νb＜-ν2，则Vb2发生故障；
[0089] 当μb＞μ1且ν2＜νb，则Vb3发生故障；
[0090] 当μb＞μ1且ν1＜νb＜ν2，则Vb4发生故障；
[0091] 当μc＞μ1且-ν2＜νc＜-ν1，则Vc1发生故障；
[0092] 当μc＞μ1且νc＜-ν2，则Vc2发生故障；
[0093] 当μc＞μ1且ν2＜νc，则Vc3发生故障；
[0094] 当μc＞μ1且ν1＜νc＜ν2，则Vc4发生故障。
[0095] 通过仿真对该开路故障诊断方法进行了验证。
[0096] 图3为本发明实施例中采样获得的电流样本的仿真波形图，由该图可见，在0.1秒之后，三相输出电流ijh波形发生了较大的改变，A相电流幅值为负的部分完全丢失，BC两相的电流幅值微微变化。图4为本发明实施例中三相输出电流ijh的瞬时频率 的仿真波形图，由该图可见，0.1秒之后，瞬时频率 由50HZ变为围绕50HZ上下起伏的状态，其中A相起伏幅度最大。图5为本发明实施例三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|errjh|的仿真波形图，由该图可见，0.1秒之后，三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|errjh|由0变为上下起伏的状态，其中A相起伏幅度最大，BC两相起伏幅度较小。图6是本发明实施例中三相相电流频率残差的绝对值的均值μj的仿真波形图，由该图可见，0.1秒之后均值μj变为正数，其中A相的均值μa为0.5左右，BC两相均值μb、μc均低于0.18。图7是本发明实施例中三相输出电流ijh的周期均值νj的仿真波形图,由该图可见，0.1秒之后，A相周期均值νa由0变为了0.32，BC两相周期均值νb、νc都由0变为了-0.16，则μa>μ1且ν2<νa,则判断功率开关管Va3发生故障。图8是本发明实施例中的故障诊断结果图，由该图可见，故障诊断结果图显示0.1秒后功率开关管Va3发生了开路故障。
