[发明专利]基于降阶观测器的NPC三电平逆变器多类故障诊断方法

说明书

本发明公开了基于降阶观测器的NPC三电平逆变器多类故障诊断方法，属于故障诊断技术领域。该方法包括以下步骤：建立混合逻辑动态模型，利用矩阵变换进行解耦，将传感器故障与系统状态分解并建立降阶观测器，定义电流形态因子、故障诊断自适应阈值，进行故障诊断，再进行故障定位。本发明采用矩阵变换将传感器故障与系统状态进行分解，使得可以同时诊断逆变器开关管故障和传感器故障；本发明采用的电流形态因子和自适应阈值提高故障诊断的准确性和鲁棒性；本发明通过三相输出电流和传感器故障估计值的特征，来定义开关管故障检测特征值、传感器故障检测特征值和故障定位特征值对NPC三电平逆变器进行多类故障诊断。

技术领域

本发明涉及故障诊断技术领域，尤其涉及基于降阶观测器的NPC三电平逆变器多类故障诊断方法。

背景技术

在光伏发电系统中，逆变器发挥着重要的作用。NPC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。尽管NPC三电平逆变器具有上述众多优点，但由于光伏发电系统所处环境复杂多变，逆变器中功率器件和传感器很容易发生故障，严重威胁光伏发电系统的安全，而NPC三电平逆变器结构复杂，具有过多电力电子器件，导致了运行时故障率的增大，不仅降低了系统运行的可靠性，而且增加了系统的运行和维护成本。为了保证NPC三电平逆变器在实际运行中的可靠性，对逆变器的开关管故障诊断的快速性和准确性提出了更高的要求。

NPC三电平逆变器的开关管故障主要可以分为短路故障和开路故障，开关管的短路故障由保护电路保护，当系统发生短路故障时保护电路迅速断开，最终会将开关管短路故障转换为开路故障，鉴于短路故障时间短，会迅速转换为开路故障，故只考虑对NPC三电平逆变器开关管开路故障进行诊断；电流传感器故障则分为增益故障、卡死故障、开路故障等，其中开路故障会导致逆变器控制系统获取不到参考电流信号，增益故障、卡死故障会导致逆变器控制系统获取到发生畸变的参考电流信号，均会导致NPC逆变器的输出电流发生严重畸变，进而导致整个逆变器系统的崩溃，因此对电流传感器的故障诊断也尤为重要。

目前对逆变器的故障诊断技术大多都是只针对开关管故障，大致可分为以下几种：

1、基于特征提取的方法。此类方法主要利用主成分分析等方法对故障的主要成分进行提取分析，并用智能分类器对故障进行诊断，如基于小波变换的方法和基于瞬时频率的方法等，具体的相关论文及专利如《A Diagnosis Algorithm for Multiple Open-Circuited Faults of Microgrid Inverters Based on Main Fault ComponentAnalysis》、《一种基于小波分析和SVM的逆变器故障诊断方法》(申请公布号CN 105095566A)、《基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法》(申请公布号CN111077471 A)等，此类方法存在信号处理复杂度大、诊断周期长等问题。

2、基于知识的方法。其基本的理论思想是通过模拟人的思维方式去实现逆变器的故障诊断。如基于神经网络的方法和基于支持向量机的方法等，具体的相关专利文献如《一种NPC三电平光伏逆变器开路故障诊断方法》(申请公布号CN108229544A)、《基于优化支持向量机的三电平逆变器开路故障诊断方法.》(申请公布号CN110068776A)等，此类方法存在诊断计算量大、建立知识库比较难且知识库维护难度大的问题。

3、基于解析模型的方法。此类方法主要思想是建立逆变器的数学模型，将估计的系统输出与测量信息进行比较得到残差，对残差进行分析以实现变换器的故障诊断，相关专利文献如《基于区间滑模观测器的逆变器开路故障诊断方法》、《一种基于模型的多电平逆变器参数性故障诊断方法》(申请公布号CN108649600A)等，此类方法存在数学模型要求高，鲁棒性差的问题。

综上所述，现有的技术存在信号处理复杂度大、诊断周期长、计算量大、建立知识库比较难且知识库维护难度大、数学模型要求高和鲁棒性差等问题。

发明内容