基于阈值的混合电网开关故障诊断方法

肖徐兵， 徐玮, 程炜,2,3, 张凌翔,2,3， 司云强,2,3

(1.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院)， 江苏,南京 211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏，南京 211106；3.智能电网保护和运行控制国家重点实验室， 江苏，南京 211106)

0 引言

在电网中，为了增加可再生能源发电量和直流负荷，学者对混合电网系统进行了大量研究[1-3],该系统同时运行交流和直流电网以补偿不规则的可再生能源发电率。在这种混合电网系统中，互联变流器连接交流和直流电网[4],影响互联变流器性能的最重要因素是其恢复能力:即使在互联变流器发生故障的情况下，仍能保持电网系统间的稳定供电。根据调查结果，电力电子设备中功率半导体故障率占比很大[5],因此在电力电子系统中，开关故障诊断对获得良好的恢复能力具有重要意义[6-8]。为了检测开关故障很多作者进行了大量的研究[9-10]，并根据极电压和相电流对检测方法进行了分类。换流器极电压法的缺点是使用电压传感器，而电压传感器在并网换流器中通常不用于检测极电压。另外，在以往采用相电流法的情况下，故障阈值的确定很少有人研究。因此，本文提出了一种无需附加传感器的快速开关故障诊断的阈值点计算方法。为了提高故障诊断的性能，对相电流和电流纹波进行了理论分析，确定了阈值点。

1 并网交直流变换器系统早期故障诊断的局限性

对于优越的弹性系统，采用图1所示的系统以降低成本并防止输出功率降低,如果检测到开关故障，则具有故障开关的支路停止，并且冗余支路通电以获得系统弹性。图2显示了开关故障前后的相电流和等效电路,如果变频器的高压侧开关发生故障，则负极侧的相电流不受控制。当开关发生故障时，故障支路上的相电流斜率由式(1)得出;开关故障后，相电流减小，直至接近零。

(1)

图1 混合电网系统带冗余支路的AC-DC变换器框图

图2 开关故障状态下的相电流波形及等效电路

先前的开关故障诊断方法通过图3所示方法操作。当变流器正常运行时，由于平均相电流为零，式(2)计算出的故障幅值为零;开关故障时，平均相电流不为零。因此，故障幅值表示用于故障诊断的具体值，比较阈值。在检测到开关故障后，利用ids和iqs的平均电流值和式(3)计算出的故障角来确定具体的故障开关。此故障角根据平均电流差、每个故障开关和负载条件的变化而变化。其中S=1可以看成Sa.high开,如果S=0时,可以看成Sa.low或者Da.low关。

图3 以往的开关故障诊断方法

(2)

(3)

在以往的故障诊断方法中，由于相电流的周期性随电网频率的变化而变化，难以用于故障诊断，故采用平均相电流进行故障诊断。平均电流需要很长时间才能获得，但低阈值时负载变化敏感，故障检测速度快。图4显示了通常使用的高阈值点的情况。在这种情况下，由于故障幅值超过开关故障检测的高阈值点，因此延长了获得一个以上周期的平均电流的开关诊断时间。在降低阈值点以减少诊断时间的情况下，如图5所示，故障检测方法在非故障条件下也能灵敏地作出反应。因此，阈值点在开关故障诊断方法中的作用极为重要。

图4 系统以往故障诊断的仿真波形Sa.high阈值为2.2的故障条件

图5 系统以往故障诊断的仿真波形Sa.high阈值为1的故障条件

2 一种新的开关故障诊断方法

实现鲁棒故障诊断方法需要利用瞬时相电流和计算出的理论阈值基本上不需要平均电流。为了确定开关故障诊断，需要计算瞬时电流的阈值点，它可以从理论上的交直流变换器参数中导出，并且该参数与负载无关。在交直流变换器参数中，由于电流纹波的确定不依赖于负载的变化，因此适合于并网变换器的阈值计算。

在并网AC-DC变换器中，电流纹波由逆变器极电压的谐波根据调制指数(ma)和为满足标准5%THD而设计的滤波器决定。在并网系统中，ma主要由直流连接电压和电网电压决定，而纹波电流是恒定的，因为ma是不变的，这取决于负载的变化。

通过分析开关故障状态下的相电流特性，可以确定阈值点，识别开关故障和开关正常状态。图6显示了开关故障前后PWM转换器上的相电流。在图6中，开关故障由Ψ(电流频带)和τ(频带中的持续时间)确定。在正常开关条件下，Ψ(tΨ)范围内的电流保持在τ以下,然而在开关故障条件下，电流保持在Ψ的时间超过τ。

(a) 故障前

(b) 故障发生图6 开关故障前后PWM转换器上的相电流

利用这些参数诊断开关故障，需要知道Ψ和τ的数学定义。Ψ的数学定义可由满足THD标准的5%电流纹波值确定，如图7所示，Ψ被确定为最大电流的0.05倍。τ由式(4)确定，即由电流纹波和基波之间的关系确定。相电流由参考电流和纹波电流之和构成。根据负载条件，+波段的瞬时相电流由式(5)得出。Γ按THD标准0.05确定。τ是通过式(6)电流参考方程获得的，因为在并网系统中纹波电流是恒定的。

(a)

(b)图7 电流带随负载条件的参数确定

(4)

(5)

(6)

利用上述方法实现了图8所示的开关故障诊断方法。在该方法中，当每相电流在ψ以内时开始计数。每相电流保持在ψ以内所需的时间tψ用于故障诊断。如果相电流超过ψ，则重置计数。开始计数时，如果A相的tψ超过τ，则A相被检测为故障。否则，当tψ小于τ时，A相看成正常。

图8 开关故障诊断方法

3 实验结果

为了验证所提出的开关故障诊断方法，使用图9所示的3-kW原型进行实验。实验使用表1中的参数进行，控制器用中断周期为100 μs的系统控制。图10(a)是以往轻载情况下的故障诊断波形。示波器通道1代表开关故障信号，通道2代表检测信号。用上述方法诊断开关故障的时间超过16.6 ms，在提出的方法中4 ms内检测到开关故障，如图10(b)所示。如图11所示，该结果在满载条件下同样呈现。该方法可以实现比原方法高0.25倍的快速故障诊断。

表1 3-kW交直流变换器系统参数

图9 并网交直流变换器3-kW实验台

(a) 3 kW的以前方法

(b) 3 kW时的提出方法图10 开关故障诊断方法的实验结果

(a) 3 kW的以前方法

(b) 3 kW时的提出方法图11 开关故障诊断方法的实验结果

4 总结

为提高诊断速度，提出了混合电网互联变流器的开关故障诊断方法。通过对瞬时相电流的理论分析，计算了提高故障诊断率的重要因素——阈值。利用计算出的阈值，将故障诊断时间缩短到4 ms以内，并通过实验验证了该方法的有效性。