CN103487706B - 基于脉冲电压比较的级联型并网逆变器单元故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲电压比较的级联型并网逆变器单元故障检测方法，该方法适用于载波移相PWM方式，分为输出交流电压调理及采样、检测条件的判断、故障判断及定位三部分。级联型并网逆变器的输出相电压经传感器和调理电路后进行A/D采样；根据载波移相PWM的原理，在逆变器输出相电压大小为单个H桥单元直流侧电压的时刻，通过简单比较即可进行故障判断与定位。该方法只需对输出的三相电压进行采样和简单比较便可快速、准确得到级联型逆变器的H桥单元的直流侧电压值，进而进行故障判断，通过软件可方便实现，节约了成本并提高了效率，对于级联型并网逆变器实时故障检测以及直流侧电压平衡控制方面具有研究和应用价值。

Description

基于脉冲电压比较的级联型并网逆变器单元故障检测方法

技术领域

本发明属于高压大功率电力电子技术在电力***中的应用技术领域，涉及载波移相PWM调制方式下的级联型并网逆变器的单元故障检测方法。

背景技术

近年来，随着新能源技术、电力电子技术的发展，H桥级联结构在并网逆变、储能、电力电子变压器等领域成为了研究的热点。H桥级联型逆变器具有功率容量大、开关器件应力小、谐波含量低、模块化易扩展等优点，因此被广泛应用在各种电气装置中。

级联型并网逆变器在虽然在多方面取得了较为成功的应用，但也有其需要改进之处：由于级联型结构采用了多个H桥单元串联的形式，使具有其结构上的复杂性和控制上的复杂性，这就增加了其故障的可能性。级联型并网逆变器常应用于风力发电机、电力电子变压器等场合，其应用场合的重要性决定了其必须要有尽可能低的故障可能性，如果应用在某些重要场合的级联型并网逆变器发生故障却未得到及时有效的处理，会带来重大的经济损失和其他严重后果。这就对级联型逆变器的故障诊断能力提出了一定的要求。

在逆变器故障检测方面，主要有两种途径可以达到故障检测的目的。一种方法是通过在逆变器装置中增加专门负责检测故障的硬件电路，此方法具有检测速度快、灵敏度高的优点，但硬件电路大大增加了装置成本和***复杂度，降低了装置的可靠性，而且随着级联单元数目的增加，其缺点也会随之放大。另一种方法是通过软件方法对逆变器的输出电压或电流进行分析，这种方法可以节约成本并且不影响装置的可靠性，具有较高的效率，在满足检测速度的前提下更具有优势。目前，国内外针对级联型并网逆变器故障检测方面的研究很少，考虑到级联型并网逆变器一般均采用载波移相PWM调制的方式，其输出相电压为多电平的叠加，可通过检测级联型并网逆变器的输出相电压间接得到H桥单元直流侧电压值，从而进行故障判断与定位。另外，本方法在级联型逆变器直流电压平衡的方法研究方面也具有实用价值。

发明内容

发明目的：针对上述级联型并网逆变器故障检测的问题，本发明的目的在于提出一种基于脉冲电压比较的级联型并网逆变器的单元故障检测方法，该方法可以准确、快速进行故障判断与定位，提高装置的可靠性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于脉冲电压比较的级联型并网逆变器单元故障检测方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：输出交流电压调理及采样：

步骤1.1：利用电压传感器采集级联型并网逆变器的三相电压，记为v_ox，其中x代表x相，即x=a,b,c，a,b,c为三相符号；将所述模拟信号v_ox通过调理电路，该调理电路为全波不控整流电路，经过调理电路后的信号为v′_ox；

步骤1.2：对所述滤波后的模拟信号v′_ox进行A/D采样；

步骤2：检测条件的判断：

步骤2.1：根据载波移相脉宽调制原理，得到逆变器中各个绝缘栅双极型晶体管的开关驱动信号其中x代表x相，即x=a,b,c，1≤i≤n，n为单相H桥单元的个数，m=1,2,3,4，表示单个H桥单元中的绝缘栅双极型晶体管标号；开关驱动信号取值为0或1，0代表关断，1代表导通；

步骤2.2：根据每个H桥单元的四个绝缘栅双极型晶体管开关驱动信号，得到该H桥单元的开关状态HS_xi，其中x代表x相，即x=a,b,c，1≤i≤n；开关状态HS_xi的取值原则为：若H桥单元输出电压为零，则HS_xi＝0，若H桥单元输出电压为±V_dcxi，则HS_xi＝1，其中V_dcxi为H桥单元直流侧电压；

步骤2.3：在单相链节中，根据所述的H桥单元开关状态HS_xi，确定输出相电压的单电平脉冲区域[t₁-Δt,t₂-Δt]，其中t₁与t₂为输出单电平的理论起始时刻和理论结束时刻，Δt为硬件电路死区时间；在单电平脉冲区域内相电压瞬时值的大小即为某单元的直流侧电压；单电平脉冲区域用R表示，R＝i表示输出相电压为第i个单元的直流侧电压；若不在单电平脉冲区域内，则R＝0；R≠0时检测条件成立；

步骤3：故障判断及定位：

H桥单元的直流侧电压正常范围为当所述检测条件成立时，R＝i；检测v′_ox的大小，若则逆变器工作正常，若则第i个H桥单元发生故障；单电平脉冲区域R，滤波后的模拟信号v′_ox。

有益效果：

(1)本方法无需增加硬件，在原有硬件基础上通过改变测量的电压量即可进行故障检测，且不影响直流侧电压控制的实现；

(2)本方法检测速度快，不受输出电压的影响。直接比较脉冲电压，实时性强，故障响应速度快。传统的傅立叶分解的故障检测方式不适合STATCOM（静止同步补偿器）等可能输出非正弦电压的并网逆变器场合，但该方法仍可以正确检测；

(3)本方法相比于IGBT（绝缘栅双极型晶体管）驱动保护电路的故障检测功能具有更宽的检测范围。

附图说明

图1是级联型并网逆变器整体结构图；

图2是级联型并网逆变器H桥单元结构图；

图3是故障检测方法框图；

图4是全波整流调理电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明提供的一种基于脉冲电压比较的级联型并网逆变器单元故障检测方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：输出交流电压调理及采样：

步骤1.1：利用电压传感器采集级联型并网逆变器的三相电压，记为v_ox，其中x代表x相，即x=a,b,c，a,b,c为三相符号；将所述模拟信号v_ox通过调理电路，该调理电路为全波不控整流电路，经过调理电路后的信号为v′_ox；

步骤1.2：对所述滤波后的模拟信号v′_ox进行A/D采样；

步骤2：检测条件的判断：

步骤2.1：根据载波移相脉宽调制原理，得到逆变器中各个绝缘栅双极型晶体管的开关驱动信号其中x代表x相，即x=a,b,c，1≤i≤n，n为单相H桥单元的个数，m=1,2,3,4，表示单个H桥单元中的绝缘栅双极型晶体管标号；开关驱动信号取值为0或1，0代表关断，1代表导通；

步骤2.2：根据每个H桥单元的四个绝缘栅双极型晶体管开关驱动信号，得到该H桥单元的开关状态HS_xi，其中x代表x相，即x=a,b,c，1≤i≤n；开关状态HS_xi的取值原则为：若H桥单元输出电压为零，则HS_xi＝0，若H桥单元输出电压为±V_dcxi，则HS_xi＝1，其中V_dcxi为H桥单元直流侧电压；

步骤2.3：在单相链节中，根据所述的H桥单元开关状态HS_xi，确定输出相电压的单电平脉冲区域[t₁-Δt,t₂-Δt]，其中t₁与t₂为输出单电平的理论起始时刻和理论结束时刻，Δt为硬件电路死区时间；在单电平脉冲区域内相电压瞬时值的大小即为某单元的直流侧电压；单电平脉冲区域用R表示，R＝i表示输出相电压为第i个单元的直流侧电压；若不在单电平脉冲区域内，则R＝0；R≠0时检测条件成立；

步骤3：故障判断及定位：

H桥单元的直流侧电压正常范围为当所述检测条件成立时，R＝i；检测v′_ox的大小，若则逆变器工作正常，若则第i个H桥单元发生故障；单电平脉冲区域R，滤波后的模拟信号v′_ox。

本发明用于载波移相PWM（脉宽调制）调制方式下的级联型逆变器H桥单元故障检测，图1为级联并网逆变器结构图，其中各相分别由N个H桥单元串联而成，三相之间采用星形连接。另外，本发明也适用于三角形连接方式。

如图2所示，为级联型并网逆变器的一个H桥单元，若该图表示x相第i个H桥单元，其直流侧电压为v_dcxi，输出电压为v_oxi，四个IGBT（绝缘栅双极型晶体管）分别为ST_1xi，ST_2xi，ST_3xi，ST_4xi，其对应开关状态分别为且与与始终相反，则单元输出电压与IGBT开关状态之间的关系如表1所示。

表1单元输出电压与IGBT开关状态的关系

由表1可知，单元输出电压与IGBT开关状态的关系式为：

$\left|v_{\mathrm{oxi}}\right|=v_{\mathrm{dcxi}}(S_{\mathrm{xi}}^1\⊕S_{\mathrm{xi}}^2)---\left(1\right)$

设H桥单元的开关状态为HS_xi，若H桥单元输出电压为零，则HS_xi＝0，若H桥单元输出电压为±V_dcxi，则HS_xi＝1，则单元开关状态与IGBT开关状态关系为：

${\mathrm{HS}}_{\mathrm{xi}}=S_{\mathrm{xi}}^1\⊕S_{\mathrm{xi}}^2---\left(2\right)$

级联型并网逆变器单相链节采用串联方式将各H桥单元连接，因此级联型并网逆变器的单相输出电压为该相各H桥单元输出电压之和，即：

$v_{\mathrm{ox}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\mathrm{oxi}}---\left(3\right)$

其中v_ox为逆变器输出相电压，n为每相H桥单元个数。

一般情况下，级联型逆变器输出相电压v_ox为多个单电平脉冲的叠加，但在某些特殊时间段内，v_ox等于单个单电平脉冲的值，即：

v_ox＝v_oxi＝±v_dcxi,(i＝1,2,…,n)（4）

若将v_ox进行全波整流后为v′_ox，则v′_ox与v_ox的关系满足：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ox}}^{\&prime;}=v_{\mathrm{ox}},(v_{\mathrm{ox}}>0)\\ v_{\mathrm{ox}}^{\&prime;}=-v_{\mathrm{ox}},(v_{\mathrm{ox}}<0)\end{array}\right.---\left(5\right)$

v′_ox为单向电量，方便采样和比较，当式（4）成立时，有：

v′_ox＝|v_oxi|＝v_dcxi,(i＝1,2,…,n)（6）

式（4）成立的条件为单相的n个H桥单元开关状态中只有一个为1，即：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{HS}}_{\mathrm{xj}}=1,(j=i)\\ {\mathrm{HS}}_{\mathrm{xj}}=0,(j\&NotEqual;i)\end{array}\right.---\left(7\right)$

设式（7）成立的时间段为[t₁,t₂]，考虑到硬件电路的死区时间，规定单电平脉冲区域为[t₁-Δt,t₂-Δt]，其中Δt为硬件电路死区时间。单电平脉冲区域用符号R表示，若式（7）成立且在单电平脉冲区域内，则R＝i；若不在单电平脉冲区域，R＝0。

该方法为一种基于脉冲电压比较的级联型并网逆变器的单元故障检测方法，其基本原理即利用所述的单电平脉冲区域，通过检测级联型并网逆变器的输出相电压得到H桥单元的直流侧电压，并进行故障判断和定位。该方法的实施方式和步骤如下：

如图3所示，级联型并网逆变器的单相输出电压为v_ox，其经过全波不控整流调理电路，记为v′_ox，并进行A/D采样。根据级联型并网逆变器中各个IGBT的开关驱动信号得到各H桥单元的开关状态HS_xi，再得到单电平脉冲区域R＝i。在R＝i时，检验v′_ox是否在正常范围内，逆变器正常工作的条件为：

$v_{\mathrm{ox}}^{\&prime;}\&Element;[V_{\mathrm{dc}}^l,V_{\mathrm{dc}}^h]---\left(8\right)$

第i个H桥单元发生故障的条件为：

$v_{\mathrm{ox}}^{\&prime;}\&NotElement;[V_{\mathrm{dc}}^l,V_{\mathrm{dc}}^h]---\left(9\right)$

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于脉冲电压比较的级联型并网逆变器单元故障检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：输出交流电压调理及采样：

步骤1.1：利用电压传感器采集级联型并网逆变器的三相电压，记为v_ox，其中x代表x相，即x＝a,b,c，a,b,c为三相符号；将模拟信号v_ox通过调理电路，该调理电路为全波不控整流电路，经过调理电路后的信号为滤波后的模拟信号v′_ox；

步骤1.2：对所述滤波后的模拟信号v′_ox进行A/D采样；

步骤2：检测条件的判断：

步骤2.1：根据载波移相脉宽调制原理，得到逆变器中各个绝缘栅双极型晶体管的开关驱动信号其中x代表x相，即x＝a,b,c，1≤i≤n，n为单相H桥单元的个数，m＝1,2,3,4，表示单个H桥单元中的绝缘栅双极型晶体管标号；开关驱动信号取值为0或1，0代表关断，1代表导通；

步骤2.2：根据每个H桥单元的四个绝缘栅双极型晶体管开关驱动信号，得到该H桥单元的开关状态HS_xi，其中x代表x相，即x＝a,b,c，1≤i≤n；开关状态HS_xi的取值原则为：若H桥单元输出电压为零，则HS_xi＝0，若H桥单元输出电压为±V_dcxi，则HS_xi＝1，其中V_dcxi为H桥单元直流侧电压；

步骤2.3：在单相链节中，根据所述的H桥单元开关状态HS_xi，确定输出相电压的单电平脉冲区域[t₁-Δt,t₂-Δt]，其中t₁与t₂为输出单电平的理论起始时刻和理论结束时刻，Δt为硬件电路死区时间；在单电平脉冲区域内相电压瞬时值的大小即为某单元的直流侧电压；单电平脉冲区域用R表示，R＝i表示输出相电压为第i个单元的直流侧电压；若不在单电平脉冲区域内，则R＝0；R≠0时检测条件成立；

步骤3：故障判断及定位：

H桥单元的直流侧电压正常范围为当所述检测条件成立时，R＝i；检测v′_ox的大小，若则逆变器工作正常，若则第i个H桥单元发生故障。