一种应用于电压源换流器的实时故障检测方法技术

本发明专利技术涉及一种应用于电压源换流器的实时故障检测方法，对电力电子模型进行连续离散分离，提取线性与非线性模型并通过多速率联合仿真的系统对高频开关器件进行实时仿真测试分析。以Mallat分解法分割频域后得到的高频小波分解系数来区分暂、稳态扰动。暂态信号则根据模极大值点判别故障发生起止时间，以故障时间处的模极大值作为判决故障是否发生的阈值。高频分解系数进行小波熵暂态特征提取，在频域计算结果不准确时通过计算小波分解系数熵来判决故障发生的相。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电子
，特别是一种应用于电压源换流器的实时故障检测方法。
技术介绍
近年来风能、太阳能等可再生能源蓬勃发展，由换流器构成的电力系统因其运行灵活、可控性好，成为未来电网互联的主流结构。应用于电力系统的交直流电网互联、分布式能源并网、无功动态补偿等领域的电力电子装置是一个复杂的非线性时变元素。其高频换流器也存在诸多问题(如，故障、谐波、控制与保护等)，引起学者广泛关注。为提高其可靠性，保证安全运行，必须对电力电子装置的电力电子系统进行大量的仿真测试研究。而采用真实的试验来对系统进行分析验证的难度较大且成本高昂，通常需要采用仿真技术来缩短开发周期、降低开发费用。电力电子设备的调节方式和自身结构的特殊性导致在传输线路发生故障时，极易使其控制失衡造成停电事故。如，输电线路易受故障影响产生故障电流，故障电流反馈至IGBT中，使器件受损造成停电事故。而当下直流断路器技术不成熟，直流侧故障不能由直流断路器断开，一般采用交流断路器切除故障电流。传统的输电线路继电保护涉及三个主要任务：检测、分类和故障定位。为保证安全运行，对其有效的故障检测必不可少。因此，对交、直流输电线路故障检测和保护提出了更高要求。对于交流线路产生的单线接地、双相短路等故障，不仅需要一种快速准确的方法对故障进行检测，也需要相应措措施对发生的故障类型加以识别区分，并对处理结果进行进一步甄别判断，以减少故障对换流器件、输电线路和系统的损害。如何从换流器侧识别区分此类故障，根据故障波形的暂升、暂降中断等判断定位，检测预警成为当下关注的重点。与本专利技术最为接近的专利文献有：[1]一种含有多电力电子开关的电力系统电磁暂态仿真方法(申请号：201410534881.5)，利用冲激响应不变原理，给出电力电子开关导通和关断时模型。本方法分别建立通用支路等值模型和电力电子开关的等值模型，通过节点电压方程分别得到各步长下的电磁暂态仿真结果。[2]一种基于FPGA的电力电子仿真系统及方法(申请号：201510818192.1)，公开了一种基于FPGA的电力电子仿真系统及方法。根据更新的导纳矩阵，解算电力电子系统的电路模型中的状态参数，对电力电子系统进行仿真。[3]一种柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法(申请号：201510218127.5)，公开了一种柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法，获取直流侧正、负直流母线对地电压。依据直流单极接地故障发展过程中电压的变化特性，选择正负直流母线对地电压作为直流单极接地故障辨识参数。[4]三相模块化多电平换流器及其子模块中IGBT开路故障检测容错方法(申请号：201310198506.3)，公开了现有MMC发生开路故障导致整机无法工作的问题。采用两个半桥臂功率单元相并联的方法，检测子模块输出电压定位开路故障。以上基于电力电子系统的仿真对暂态仿真、数字建模与故障的问题作出细致的讨论，但对电力电子模型分割、故障实时检测等问题未作详细论述。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种应用于电压源换流器的实时故障检测方法，能够提高准确分离线性与非线性模型并通过多速率联合仿真的系统对高频开关器件进行实时仿真测试分析。本专利技术采用以下方案实现：一种应用于电压源换流器的实时故障检测方法，具体包括以下步骤：步骤S1：在Matlab仿真环境中对三相两电平逆变器闭环控制模型仿真算例进行单速率离线仿真；采用延迟信号以及过零点信号将三相两电平逆变器闭环控制仿真算例模型划分为快速逆变器子模型以及慢速控制子模型，并对其进行离线多速率仿真测试；步骤S2：将算例仿真模型分成包含线性子模型与非线性子模型的快速逆变器子模型、包含线性子模型与非线性子模型的慢速控制子模型；步骤S3:设计线性子模型与非线性子模型的FPGA解算器；步骤S4：设计仿真模型与DSP的数据交互接口，第一FPGA向DSP提供闭环控制的电压、电流信号，DSP向第一FPGA提供PWM波驱动第一FPGA的非线性解算器，进而实现闭环控制；步骤S5：设计仿真模型故障检测算法：将解算后的实时波形经DA转换模块输出到AD采集卡中，最终传输送至第二FPGA；第二FPGA作为实时检测平台，将采集到的原始信号经AD控制核送至Mallat暂态信号检测端；非平稳信号通过小波熵暂态特征提取识别故障发生相；常见的直流故障包括：单极接地故障和双极短路故障等。而交流故障有：单相接地故障、双相短路故障、三相接地故障等。步骤S6：设立故障阈值，测量熵值与阈值大小比较，判断发生故障的相；若熵值大于阈值，则发生故障；否则，没有故障发生。进一步地，步骤S3中所述线性子模型的FPGA解算器设计具体为：结合连续离散分离法与状态空间法对仿真算例模型的线性子模型进行建模，实现浮点型线性解算器的设计，得到的状态空间方程表达式如下： X · = A X + B [ U V s ] [ Y I s ] = C X + D [ U V s ] ; ]]>其中，为更新的状态变量、X为状态变量，它一般为微分变量的反应元件，如穿过电感的电流以及穿过电容的电压等，U为输入量，Vs为非线性子模型三相输出电压，Y为输出量，Is为非线性子模型三相输入电流，A、B、C、D分别表示系统矩阵、控制矩阵、输出矩阵、直达矩阵。进一步地，步骤S3中所述非线性子模型的FPGA解算器设计具体为：采用开关函数法建模，将每相的上桥臂与下桥臂上的两个功率开关器件看作是理想的开关，则其相对应的开关函数表达式为：其中，sx表示功率开关器件的关断；结合连续离散分离法与开关函数法得到： I d c = 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于电压源换流器的实时故障检测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：在Matlab仿真环境中对三相两电平逆变器闭环控制模型仿真算例进行单速率离线仿真；采用延迟信号以及过零点信号将三相两电平逆变器闭环控制仿真算例模型划分为快速逆变器子模型以及慢速控制子模型，并对其进行离线多速率仿真测试；步骤S2：将算例仿真模型分成包含线性子模型与非线性子模型的快速逆变器子模型、包含线性子模型与非线性子模型的慢速控制子模型；步骤S3:设计线性子模型与非线性子模型的FPGA解算器；步骤S4：设计仿真模型与DSP的数据交互接口，第一FPGA向DSP提供闭环控制的电压、电流信号，DSP向第一FPGA提供PWM波驱动第一FPGA的非线性解算器，进而实现闭环控制；步骤S5：设计仿真模型故障检测算法：将解算后的实时波形经DA转换模块输出到AD采集卡中，最终传输送至第二FPGA；第二FPGA作为实时检测平台，将采集到的原始信号经AD控制核送至Mallat暂态信号检测端；非平稳信号通过小波熵暂态特征提取识别故障发生相；步骤S6：设立故障阈值，测量熵值与阈值大小比较，判断发生故障的相；若熵值大于阈值，则发生故障；否则，没有故障发生。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于电压源换流器的实时故障检测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：在Matlab仿真环境中对三相两电平逆变器闭环控制模型仿真算例进行单速率离线仿真；采用延迟信号以及过零点信号将三相两电平逆变器闭环控制仿真算例模型划分为快速逆变器子模型以及慢速控制子模型，并对其进行离线多速率仿真测试；步骤S2：将算例仿真模型分成包含线性子模型与非线性子模型的快速逆变器子模型、包含线性子模型与非线性子模型的慢速控制子模型；步骤S3:设计线性子模型与非线性子模型的FPGA解算器；步骤S4：设计仿真模型与DSP的数据交互接口，第一FPGA向DSP提供闭环控制的电压、电流信号，DSP向第一FPGA提供PWM波驱动第一FPGA的非线性解算器，进而实现闭环控制；步骤S5：设计仿真模型故障检测算法：将解算后的实时波形经DA转换模块输出到AD采集卡中，最终传输送至第二FPGA；第二FPGA作为实时检测平台，将采集到的原始信号经AD控制核送至Mallat暂态信号检测端；非平稳信号通过小波熵暂态特征提取识别故障发生相；步骤S6：设立故障阈值，测量熵值与阈值大小比较，判断发生故障的相；若熵值大于阈值，则发生故障；否则，没有故障发生。2.根据权利要求1所述的一种应用于电压源换流器的实时故障检测方法，其特征在于：步骤S3中所述线性子模型的FPGA解算器设计具体为：结合连续离散分离法与状态空间法对仿真算例模型的线性子模型进行建模，实现浮点型线性解算器的设计，得到的状态空间方程表达式如下： X · = A X + B [ U V s ] [ Y I s ] = C X + D [ U V s ] ; ]]>其中，X为状态变量，为更新的状态变量，U为输入量，Vs为非线性子模型三相输出电压、Y为输出量、Is为非线性子模型三相输入电流，A、B、C、D分别表示系统矩阵、控制矩阵、输出矩阵、直达矩阵。3.根据权利要求1所述的一种应用于电压源换流器的实时故障检测方法，其特征在于：步骤S3中所述非线性子模型的FPGA解算器设计具体为：采用开关函数法建模，将每相的上桥臂与下桥臂上的两个功率开关器件看作是理想的开关，则其相对应的开关函数表达式为：其中，sx表示功率开关器件的关断；结合连续离散分离法与开关函数法得到： I d c = I s ( 2 S x - 1 ) = [ I a...

【专利技术属性】
技术研发人员：张逸，吴文宣，林焱，黄道姗，吴丹岳，熊军，
申请(专利权)人：国网福建省电力有限公司，国家电网公司，国网福建省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：福建;35