[发明专利]NPC型三电平逆变器可靠性在线监测系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于功率器件在线健康监测领域，特别涉及一种针对三电平NPC型逆变器拓扑的可靠性监测系统及方法。

背景技术

相对于传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有输出电平数增加、更好的谐波频谱、器件所承受的电压应力小等优势，但是由于多电平电路使用了数量较多的开关器件，导致电路的可靠性相应降低，任何一个器件故障都有可能导致整个电路停止工作，甚至会影响到其他电路的安全，造成不可估量的经济损失。

器件结温是衡量IGBT功率器件热可靠性的主要因素之一。目前对功率器件在热冲击下的性能劣化和可靠性衰退的机理研究较少，对失效进程的认识和把握不足，缺少能表征器件失效进程的特征量；对功率器件及并网变流装置的离线概率可靠性评估也因器件基础可靠性指标(如平均寿命、老化失效率、不可用率)的缺失，其深入开展受到限制。因此，提出围绕功率器件(以NPC型三电平逆变器中常用的IGBT为对象)的可靠性在线监测。

文献1发明专利申请《一种NPC三电平逆变器故障冗余控制方法》(公布号CN103378759A)；通过对NPC三电平逆变器进行器件故障实时监测，当检测到IGBT器件端电压始终为零时，认定该管发生短路故障；端电压始终为非零值时，认定该管发生开路故障，这样只能在器件发生故障后得到IGBT功率器件的可靠性的检测结果。因此对逆变器应用中在线监测方面，是不可行的。

文献2《AFaultDetectionandProtectionSchemeforThree-LevelDC–DCConvertersBasedonMonitoringFlyingCapacitorVoltage》2012IEEERANSACTIONSONPOWERELECTRONICS.(《基于监测飞跨电容电压的三电平直流-直流变换器的故障检测和保护方案》，2010IEEE电力电子学会刊)通过提取基于器件失效后造成开关管两端不平衡的电压应力，通过飞跨电容电压的监测，分析故障位置，提出保护策略并采取补救措施。但该方法只能够快速识别器件失效后带来的主电路电压变化，不能实现器件失效前的诊断和预测。

现有专利中，测量结温时使用接触式或非接触式直接测量法均不能实现针对逆变器运行状态下的在线实时监测。通过选择合适的温敏电气参数，提高推算结温的精度是判断器件健康状态的关键因素。

发明内容

本发明是针对多电平逆变电路容易出现故障的问题，提出一种NPC型三电平逆变器可靠性监测系统，该系统能在不同的开关周期依次检测NPC三电平逆变器三相桥臂中共六个IGBT器件/反并联二极管(每相桥臂中间两个器件)是否发生故障，并在容错控制PWM驱动波形后保持三相平衡工作，不降低电路的输出功率。由于每相桥臂首尾两个器件在工况下，导通状态不满足测试条件，因此只能依据导通次序相似的器件，即已测的六个IGBT器件/反并联二极管，估计其健康程度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种NPC型三电平逆变器可靠性在线监测系统，其特征在于，包括PWM驱动调整单元(10)、辅助电源单元(20)、继电器单元(30)、数据采集单元(40)、分析可靠性单元(50)和NPC型三电平逆变器主电路(60)；

其中所述NPC型三电平逆变器主电路(60)，包括十二个功率开关器件，器件中十二个IGBT分别为Ta1～Ta4、Tb1～Tb4、Tc1～Tc4，十二个与IGBT反并联的二极管分别为Da1～Da4、Db1～Db4、Dc1～Dc4；

其中所述PWM驱动调整单元(10)，输入端与分析可靠性单元(50)中控制器(501)连接，输出端与逆变器主电路(60)中十二个功率开关器件的驱动信号端相连；

所述辅助电源单元(20)，主要由幅值为I1和I2的两个电流源并联组成，通过继电器单元(30)与逆变器主电路(60)中待测功率开关器件(601)连接，其中待测功率开关器件(601)包括：Ta2、Ta3、Tb2、Tb3、Tc2、Tc3、Da2、Da3、Db2、Db3、Dc2、Dc3；