基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法技术

本发明专利技术公开基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，包括：建立T型三电平有源电力滤波器的数学模型；分别对不同开关管故障时的故障特性进行分析，推导出每个开关管故障对应的电压残差和电流残差特性；对电压残差进行计算工频周期平均值处理得到电压残差标准值；对电流残差进行计算工频周期平均值处理，再进行归一化处理，得到电流残差标准值。将所得到的数据作为逆变器功率器件故障诊断的依据。当三相电压残差标准值绝对值之和大于阈值时，即判定为出现开关管故障；锁定最大电压残差标准值绝对值所在相为故障开关管所在相；通过故障相电压残差标准值的正、负判定开关管所在上、下桥臂。通过电流残差标准值判定故障管为纵向管还是横向管。

【技术实现步骤摘要】
基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法
本专利技术涉及基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，属于谐波治理和逆变器故障诊断

技术介绍
有源电力滤波器(ActivePowerFilter，APF)作为新型谐波抑制装置，具有补偿谐波频率范围广，跟踪特性优良，动态特性良好，补偿程度可控等优点，成为新一代电能质量调节装置。然而，其功率开关器件(如IGBT)由于长时间工作在高频、高温、和高压状态，不免会发生短路或者开路故障。一旦故障发生，APF不但难以有效补偿电网中的谐波分量，甚至成为一个谐波源，降低电网电能质量。相比传统的采用两电平拓扑的有源电力滤波器，T型三电平拓扑的有源电力滤波器所含的IGBT开关管的数量增加了一倍，这意味着T型三电平APF发生IGBT故障的概率升高了一倍，因此，本专利技术公开的一种基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法对解决有源电力滤波器系统乃至采用T型三电平主电路拓扑的其他系统都有着重大的意义。现有的逆变器功率开关器件故障诊断方法大部分是针对传统的三相两电平逆变器拓扑，而针对三电平拓扑的故障诊断技术研究成果却比较少，而且，现有的研究成果多针对采用传统PWM或者是SVPWM调制方式的逆变器，当采用如模型预测控制策略这种不需要以上调制技术产生开关触发信号时，现有的故障诊断方法多不适用。查将逆变器的指令电压和输出电压做差值，得到电压残差，将逆变器的指令电流和输出电流做差值，得到电流残差。再将电压残差做求取周期平均值处理，得到电压残差标准值，将电流残差做求取周期平均值和归一化处理，得到电流残差标准值。在研究中发现，不同的开关管故障条件下，APF的逆变器输出会呈现不同的电压残差标准值特性和电流残差标准值特性，可以利用这些数据，判断出故障开关管是否存在，以及故障开关管的位置。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足之处，本专利技术提供基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，提出提取逆变器输出端的电压残差和电流残差标准值作为故障诊断的依据，其中电压残差标准值用来诊断是否出现故障、故障管所在相和故障管是在上桥臂还是下桥臂，电流残差标准值用来诊断故障管是纵向功率器件还是横向功率器件。本专利技术是通过如下技术方案实现的：基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，其特征在于，包括：建立T型三电平拓扑的有源电力滤波器APF的数学模型；定义T型三电平逆变器的开关函数；计算不同的开关函数组合对应的APF交流侧输出电压；定义APF运行时的电压残差和电流残差即其中为各相指令电压(x＝a,b,c)，uxn为各相交流侧输出相对于电网中性点的电压，为各相指令电流，icx为各相输出补偿电流；对不同的开关管故障进行电压电流残差故障特性分析；对各相电压残差做计算工频周期平均值处理，得到的数据记为电压残差标准值ΔUx；对各相电流残差做计算工频周期平均值处理，再进行归一化处理，得到的数据记为电流残差标准值ΔIx；通过电压残差判据和电流残差判据相互配合，实现锁定故障锁定功率器件位置。所述的T型三电平拓扑的有源电力滤波器APF的数学模型为，所述的开关函数包括：定义开关函数Sx为：式中x表示相序(x＝a,b,c)。所述的电压电流残差故障特性为：所述的通过电压残差判据和电流残差判据相互配合，实现锁定故障锁定功率器件位置包括步骤：1)通过将三相电压残差标准值的绝对值之和与设定的阈值作比较，来判断是否故障，若大于阈值，说明出现开关管开路故障，反之，无故障；2)通过比较各相电压残差标准值的绝对值大小，绝对值最大的所对应相即为故障开关管所在相；3)通过判断故障管所在相的电压残差标准值正负，判断故障管是在该相的上桥臂还是下桥臂，若为正，则故障管在该相上桥臂，若为负，则故障管在该相下桥臂；4)通过将三相电流残差标准值的绝对值之和与设定的阈值作比较，来判断是纵向开关管故障还是横向开关管故障，若大于阈值，说明纵向开关管故障，反之，说明横向开关管故障。本专利技术的有益效果是：提取逆变器输出端的电压残差和电流残差标准值作为故障诊断的依据，其中电压残差标准值用来诊断是否出现故障、故障管所在相和故障管是在上桥臂还是下桥臂，电流残差标准值用来诊断故障管是纵向功率器件还是横向功率器件。附图说明下面根据附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1为本专利技术涉及到的基于T型三电平拓扑的APF结构图；图2为本专利技术基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法的诊断结构图(图中x均表示a,b,c三相)；图3为模型预测控制策略的同步原理图；图4为本专利技术基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法的正常运行情况下MATLAB仿真结果；图5为本专利技术基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法的Ta1开路故障情况下MATLAB仿真结果；图6为本专利技术基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法的Ta2开路故障情况下MATLAB仿真结果。具体实施方式如图1所示的T型三电平拓扑的APF结构图，每相包含上下两个垂直桥臂和中间一个水平桥臂。水平桥臂通过两个反向串联的功率器件连接直流侧中点，实现中点电压钳位。定义开关函数Sx为：式中x表示相序(x＝a,b,c)。交流侧各相相对于直流侧中点O的电压uxo可表示为式中Vdc表示直流侧电压。交流侧各相相对于电网中性点N的电压可表示为uxn＝uxO+uOn。式中uON表示直流侧中点O和电网中性点n之间的电压。根据三相对称性知uan+ubn+ucn＝0。联立上式可得T型三电平逆变器的输出-开关状态表达式：在不考虑支路电阻和电感的情况下，由图1可以得APF的数学模型为：通过离散方式前向预测下一控制时刻的电流输出值(x＝a,b,c)：指令电流可通过二阶拉格朗日外推插值法进行预测构建价值函数为G＝Δi(k+1)+λΔu(k+1)+λswFsw其中Δi(k+1)表示(k+1)时刻的跟踪电流误差，Δu(k+1)表示(k+1)时刻的直流电容偏差，Fsw为工作状态发生变化的开关数。λ、λsw为价值系数。模型预测控制策略的基本原理为，通过对不同的开关状态组合进行寻优计算，选取使价值函数最小的开关状态作为下一时刻的作用的开关状态。下面从时序角度分析横向功率器件开路故障对电流跟踪的影响。图3所示为模型预测控制策略的同步原理图。为简化分析，假设正常运行时MPC在tk、tk+1输出的开关状态指令为如图3(a)所示，那么逆变器输出开关状态与指令同步，输出电流在两个控制周期均能够有效跟踪指令电流。一旦Sa2发生故障，如图3(b)所示，逆变器在tk时刻输出Sa本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，其特征在于，包括：/n建立T型三电平拓扑的有源电力滤波器APF的数学模型；/n定义T型三电平逆变器的开关函数；/n计算不同的开关函数组合对应的APF交流侧输出电压；/n定义APF运行时的电压残差和电流残差即/n

【技术特征摘要】
1.基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，其特征在于，包括：
建立T型三电平拓扑的有源电力滤波器APF的数学模型；
定义T型三电平逆变器的开关函数；
计算不同的开关函数组合对应的APF交流侧输出电压；
定义APF运行时的电压残差和电流残差即






其中为各相指令电压(x＝a,b，c)，uxn为各相交流侧输出相对于电网中性点的电压，为各相指令电流，icx为各相输出补偿电流；
对不同的开关管故障进行电压电流残差故障特性分析；
对各相电压残差做计算工频周期平均值处理，得到的数据记为电压残差标准值ΔUx；
对各相电流残差做计算工频周期平均值处理，再进行归一化处理，得到的数据记为电流残差标准值ΔIx；
通过电压残差判据和电流残差判据相互配合，实现锁定故障锁定功率器件位置。


2.根据权利要求1所述的基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，其特征在于：所述的T型三电平拓扑的有源电力滤波器APF的数学模型为，


3.根据权利要求1所述的基于电压电流残差法的T型三电平APF故障诊断方法，其特征在于，所述的开关函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：史丽萍，李衡，马也，缪荣新，孙裔峰，周畅，李昊，
申请(专利权)人：徐州上若科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32