[发明专利]一种T型三电平并网变换器开路故障诊断方法

说明书

本发明提出了一种T型三电平并网变换器开路故障诊断方法，其步骤为：首先，分析T型三电平并网变换器发生开路故障后的运行情况，根据开关状态计算出直流侧电容中点流向各相的电流；其次，计算中点流向各相电流平均值和变换器输出电流平均值，分别将中点流向各相电流平均值、变换器输出电流平均值与设定的阈值比较，定位故障位置；最后，根据故障位置，分为I类故障和II类故障；并分别建立I类故障和II类故障的容错结构，基于模型预测控制策略分别对两类故障进行容错控制。本发明能快速定位变换器故障功率器件位置，实现故障容错连续运行，提高变换器的可靠性。

技术领域

本发明涉及T型变换器故障诊断技术领域，特别是指一种T型三电平并网变换器开路故障诊断方法。

背景技术

为加快构建绿色低碳可持续发展现代能源体系，风力、光伏等新能源发电得到快速发展。新能源并网变换器作为新能源接入电网的关键设备，其可靠性直接影响电网电能质量。T型三电平变换器具有效率高、输出谐波含量低、功耗分布更均衡的优点，广泛应用于新能源发电领域。

在光伏电站运营过程中，变换器故障率占光伏电站常见故障的60％。由于电磁干扰、脉冲电流以及工作环境等因素的影响，T型三电平并网变换器的故障率增高。故障发生后，如果能及时找到并切除故障，将会提高新能源发电并网的可靠性。为保证并网发电系统安全可靠运行，许多研究致力于提高并网变换器可靠性，进而提高新能源并网系统稳定性。

并网变换器的功率器件故障包括开路故障和短路故障。短路故障可使用功率器件驱动电路进行保护。开路故障时，一般不会发生过流现象，保护不容易动作，因此针对并网变换器进行开路故障检测对提高系统可靠性具有重要意义。

开路故障诊断方法主要有两类，包括基于电流和基于电压的诊断方法。基于电流的方法通常利用相电流、中点电流和电流残差检测故障。文献[U.Choi,J.Lee,F.Blaabjerg,K.Lee,etal.Open-circuit fault diagnosis and fault-tolerantcontrol for a grid-connected NPC inverter,IEEE Transactions on PowerElectronics,2016,31(10):7234-7247.]根据变换器实际输出电流与参考电流的误差确定故障相。在不同并网条件下，输出电流畸变程度不同，该方法可能会造成误诊断。文献[X.Ge,J.Pu,B.Gou,et al.An open-circuit fault diagnosis approach for single-phase three-level neutral-point-clamped converters[J].IEEE Trans.PowerElectron.,2018,33(3):2559-2570.]利用变换器输出电流误差，根据残差变化率的特点定位故障。该方法需要将特定的控制信号注入系统，降低影响变换器输出电流质量。基于电压的方法通过额外硬件电路或电压观测器获得暂态故障信息。文献[C.Yang et al.,Voltagedifference residual-based open-circuit fault diagnosis approach for three-level converters in electric traction systems[J].IEEE Trans.Power Electron.,2020,35(3):3012-3028.]提出一种直流母线电压模型，利用残差评估函数和电流相似函数进行故障诊断。文献[Wang,Y.Tang,and C.-J.Zhang.Open circuit fault diagnosis andtolerance strategy applied to four-wire T-type converter systems[J].IEEETrans.Power Electron.,2019,34(6):5764–5778.]将模型分解为正、负、零序电压模型，根据不同电压模型确定故障位置。不同功率器件导致相似的故障特征是三电平变换器故障诊断难点，为解决这一问题，文献[J.Chen,C.Zhang,X.Xing,et al.An open-circuit faultdiagnosis method for T-type three-level rectifiers[J].Proc.IEEE EnergyConvers.Congr.Expo.,2019:5502–5506.]根据直流侧电容中点电压变化趋势定位故障器件，采用中点电压平衡控制会影响中点电压变化趋势，造成误诊断。文献[Z.Li,B.Zhao,X.Zhang,et al.An IGBT open-circuit fault diagnosis method for grid-tied T-type three-level inverters[J].Proc.IEEE Energy Convers.Congr.Expo.,2020:5324–5327.]和文献[Z.Li,H.Ma,Z.Bai,et al.Fast transistor open-circuit faultsdiagnosis in grid-tied three-phase VSIs based on average bridge arm pole-to-pole voltages and error-adaptive thresholds[J].IEEE Trans.Power Electron.,2018,33(9):8040–8051.]提出基于电压模型的故障诊断方法，该方法与调制策略有关，只适用于脉宽调制(PWM)策略。