一种NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种基于瞬时幅值的NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法。该发明专利技术基于逆变器三相电流的特征，实现逆变器开路故障诊断。对三相电流进行Park变换以及归一化处理，利用加权滑动希尔伯特变换求得瞬时幅值，利用瞬时幅值和三相电流的周期均值定义故障检测值，通过故障检测值和故障阈值从而确定故障类型。该发明专利技术利用加权滑动希尔伯特算法有效地克服了数据段之间的端点效应，并且很好的克服了电流信号频率变化的影响，同时定义故障检测值对故障进行诊断，降低了计算量和诊断的复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法
本专利技术涉及故障诊断
，尤其是一种NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法。
技术介绍
NPC型三电平逆变器具有损耗低、输出电压和电流波形谐波含量低、器件应力小、输出容量大等诸多优点，被广泛运用在光伏微电网中。然而，在光伏逆变器运行过程中，受环境或其他因素影响可能会发生由高电或高热应力、驱动电路故障或者导线断路所造成的开路故障，其中逆变器的功率开关器件在光伏逆变系统中是最容易发生开路故障的薄弱环节。为了保证NPC型三电平逆变器在实际运行环境中的可靠运行，对逆变器的功率开关器件故障诊断的及时性以及准确性提出了更高的要求。这样将减少维修人员对故障器件的更换或者维修的时间，从而减少由于功率开关器件故障而造成的经济以及效率问题。NPC型三电平逆变器的功率开关器件的常见故障可以分为开路故障和短路故障。当发生短路故障时，保护电路会立即对其进行封锁，利用自身的熔断器转化为开路故障；当功率开关器件发生开路故障时，故障现象不易被察觉，会导致输出波形发生畸变、直流侧电压不平衡甚至会导致整个电路停止工作，使得整个NPC三电平逆变器系统崩溃，造成不可估计的经济损失。有数据表明，在众多开路故障类型中，发生单个功率开关管开路故障的几率最高，因此，我们着重研究单个功率开关管发生开路故障时的故障类型。当前针对逆变器开路故障诊断方法可分为以下几种：①电流Park矢量斜率法，在开路故障检测时，容易受到负载扰动以及瞬时变化等因素的干扰，导致存在较小负载下的漏报以及瞬态变化下的误报。②开关器件特征参数法，需要引入新的采集点来获取特征参数，增加了系统的复杂性，不利于系统的可靠性的提高，同时也增加了成本。③归一化直流法，主要是为了解决故障诊断过程中由于负载扰动导致的误诊问题，利用归一化直流量完成功率管开路的诊断以及定位，但是计算量较大，存在诊断延迟现象。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法。本专利技术的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有一种NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，具体步骤如下：1)数据采样：对NPC三电平逆变器一个采样周期内三相输出电流进行多次采样，三相电路分别记为支路a、b、c，则三相输出电流为ijh；其中：j＝a,b,c，h为第h次采样获得的样本，h＝1,2,...N,N为一个采样周期内的最大的采样次数，N为正整数；2)计算归一化Park矢量：对步骤1得到的三相输出电流ijh，通过Park变换得到Park矢量经归一化计算得到归一化Park矢量其中：j＝a,b,c，h＝1,2,...N；3)计算瞬时幅均值：将步骤2得到的归一化Park矢量通过加权滑动希尔伯特算法分解为三角函数形式的复分解信号，并得到三相输出电流的归一化Park矢量的瞬时幅值根据进行均值计算得到瞬时幅均值均值μj，其中：j＝a,b,c，h＝1,2,...N；4)将步骤1)得到的三相输出电流ijh，经归一化以及均值计算得到三相输出电流ijh的周期均值，三相输出电流周期均值为νj，其中：j＝a,b,c；5)自定义故障检测值M，设定故障检测值M的故障检测阈值M1、M2、M3；6)通过步骤3)计算的瞬时幅均值均值μj及步骤4)计算的三相输出电流周期均值νj计算故障检测值M，通过将故障检测值M与故障检测阈值M1、M2、M3比较，进行故障判定，其中：j＝a,b,c。进一步，步骤1)中对NPC三电平逆变器一个采样周期内三相输出电流进行采样的步骤如下：1-1)将NPC三电平逆变器三相电路分别记为支路a、b、c；1-2)对NPC三电平逆变器三相回路的输出电流分别进行采样，得到三相输出电流为ijh；其中：j＝a,b,c，h为第h次采样获得的样本，h＝1,2,...N,N为一个采样周期内的最大的采样次数，N为正整数。进一步，对步骤1)得到的三相输出电流ijh，通过Park变换得到Park矢量，经归一化计算得到归一化Park矢量的步骤如下：2-1)对步骤1)得到的三相输出电流ijh，通过Park变换得到Park矢量公式为:2-2)经归一化计算得到归一化Park矢量公式为：进一步，计算瞬时幅均值的具体步骤如下：3-1)将步骤2)得到的归一化Park矢量通过加权滑动希尔伯特算法分解为三角函数形式的复分解信号，并得到三相输出电流的归一化Park矢量的瞬时幅值其步骤如下:3-1-1)记对归一化Park矢量进行加权滑动希尔伯特变换的滑动窗口S的移动步长为K，每个滑动窗口的滑动次数为L，则每个窗口的数据长度为M＝K×L，则记任意一个滑动窗口的序列号为Si，i＝1,2...,L,；3-1-2)将归一化Park矢量经滑动窗口Si进行Hilbert变换结果记为电流序列Zi(t)＝Xi(t)+Yi(t)，则与电流序列Xi(t)对应的归一化Park矢量的瞬时幅值的表达式为：其中，t为时间；q为第(i-M/K+1)个滑动窗口到第i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...,cL]；3-2)根据得到进行均值计算得到相应故障特征值μj，j＝a,b,c，h＝1,2,...N；公式为:进一步，步骤4)中计算电流周期均值的具体步骤如下：4-1)根据步骤1)得到的三相输出电流ijh，经归一化以及均值计算得到三相输出电流ijh的周期均值，并记周期均值为νj，j＝a,b,c；公式为：进一步，步骤5)中自定义故障检测值M，设定故障检测阈值阈值的具体步骤如下：5-1)设定故障检测值M，其公式如下：其中：j＝a,b,c5-2)设定故障检测值M的3个故障检测阈值M1、M2、M3。进一步，步骤6中进行故障判定的具体情况如下：6-1)通过步骤3)计算的瞬时幅均值均值μj及步骤4)计算的三相输出电流周期均值νj计算故障检测值Ma、Mb、Mc；6-2)将步骤6-1)计算得到的故障检测值Ma、Mb、Mc分别与故障检测阈值M1、M2、M3进行比较，判定故障，共分为13种情况：若Ma、Mb、Mc都趋近于无穷大，则逆变器正常工作，无故障；若M1<Ma<M2,则三相电路a支路的第一个开关管Va1发生开路故障；若Ma<M1，则三相电路a支路的第二个开关管Va2发生开路故障；若M3<Ma，则三相电路a支路的第三个开关管Va3发生开路故障；若M2<Ma<M3，则三相电路a支路的第四个开关管Va4发生开路故障；若M1<Mb<M2,，则三相电路b支路的第一个开关管Vb1发生开路故障；若Mb<M1，则三相电路b支路的第二个开关管Vb2发生开路故障；若M3<Mb，则三相电路b支路的第三个开关管Vb3发生开路故障；若M2<Mb<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，具体步骤如下：/n1)数据采样：对NPC三电平逆变器一个采样周期内三相输出电流进行多次采样，三相电路分别记为支路a、b、c，则三相输出电流为i

【技术特征摘要】
1.一种NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)数据采样：对NPC三电平逆变器一个采样周期内三相输出电流进行多次采样，三相电路分别记为支路a、b、c，则三相输出电流为ijh；其中：j＝a,b,c，h为第h次采样获得的样本，h＝1,2,...N,N为一个采样周期内的最大的采样次数，N为正整数；
2)计算归一化Park矢量：对步骤1得到的三相输出电流ijh，通过Park变换得到Park矢量经归一化计算得到归一化Park矢量其中：j＝a,b,c，h＝1,2,...N；
3)计算瞬时幅均值：将步骤2得到的归一化Park矢量通过加权滑动希尔伯特算法分解为三角函数形式的复分解信号，并得到三相输出电流的归一化Park矢量的瞬时幅值根据进行均值计算得到瞬时幅均值均值μj，其中：j＝a,b,c，h＝1,2,...N；
4)将步骤1)得到的三相输出电流ijh，经归一化以及均值计算得到三相输出电流ijh的周期均值，三相输出电流周期均值为νj，其中：j＝a,b,c；
5)自定义故障检测值M，设定故障检测值M的故障检测阈值M1、M2、M3；
6)通过步骤3)计算的瞬时幅均值均值μj及步骤4)计算的三相输出电流周期均值νj计算故障检测值M，通过将故障检测值M与故障检测阈值M1、M2、M3比较，进行故障判定，其中：j＝a,b,c。


2.如权利要求1所述的NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，步骤1)中对NPC三电平逆变器一个采样周期内三相输出电流进行采样的步骤如下：
1-1)将NPC三电平逆变器三相电路分别记为支路a、b、c；
1-2)对NPC三电平逆变器三相回路的输出电流分别进行采样，得到三相输出电流为ijh；其中：j＝a,b,c，h为第h次采样获得的样本，h＝1,2,...N,N为一个采样周期内的最大的采样次数，N为正整数。


3.如权利要求1所述的NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，对步骤1)得到的三相输出电流ijh，通过Park变换得到Park矢量，经归一化计算得到归一化Park矢量的步骤如下：
2-1)对步骤1)得到的三相输出电流ijh，通过Park变换得到Park矢量公式为:



2-2)经归一化计算得到归一化Park矢量公式为：

。


4.如权利要求3所述的NPC三电平逆变器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，计算瞬时幅均值的具体步骤如下：
3-1)将步骤2)得到的归一化Park矢量通过加权滑动希尔伯特算法分解为三角函数形式的复分解信号，并得到三相输出电流的归一化Park矢量的瞬时幅值其步骤如下:
3-1-1)记对归一化Park矢量进行加权滑动希尔伯特变换的滑动窗口S的移动步长为K，每个滑动窗口的滑动次数为L，则每个窗口的数据长度为M＝K×L，则记任意一个滑动窗口的序列号为Si，i＝1,2...,L,；
3-1-2)将归...

【专利技术属性】
技术研发人员：许水清，亓君锋，王巨兴，冯莉，陶松兵，丁立健，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34