CN110058111B - 基于相电压残差的t型三电平逆变器故障诊断方法 - Google Patents

基于相电压残差的t型三电平逆变器故障诊断方法 Download PDF

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CN110058111B CN201910321522.4A CN201910321522A CN110058111B CN 110058111 B CN110058111 B CN 110058111B CN 201910321522 A CN201910321522 A CN 201910321522A CN 110058111 B CN110058111 B CN 110058111B
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Abstract

本发明公开了一种基于相电压残差的T型三电平逆变器故障诊断方法，其先获取待故障诊断的T型三电平逆变器的三相电压，并对三相电压进行滤波和放大或缩小处理；计算每相参考电压与每相处理后的电压的残差电压；根据每相残差电压中的采样电压值判断每相电路是否发生故障；在发生故障的前提下，通过计算发生异常变化的采样电压值的采样时刻开始的一个时间周期内的残差电压的平均值和正负峰差值；再根据平均值和正负峰差值来判定具体哪一个器件发生了开路故障；优点是其只需获取三个相电压，故障诊断的原始信息比较少，且故障诊断成本低，故障诊断准确率高，故障诊断结果能自动精确定位到具体的器件，从而能有效地提高T型三电平逆变器的工作可靠性。

Description

基于相电压残差的T型三电平逆变器故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种逆变器故障检测技术，尤其是涉及一种基于相电压残差的T型三电平逆变器故障诊断方法。
背景技术
多电平逆变器已越来越多地应用于宽范围的功率场合。相对于传统的两电平逆变器，多电平逆变器能够获得更多电平，具有更少的谐波，而且可以降低器件对电压应力的要求。近年来，有学者提出了一种称为T型中点钳位三电平逆变器(T-type neutral-point-clamped inverter，下文简称T型三电平逆变器或者TNPC)的拓扑结构，其主要应用于太阳能、电动汽车逆变器等高效率场合。在电路运行过程中，因过载、温升、不规范操作等原因，会导致电路出现各种故障，其中半导体开关器件的故障是最常见的一种。由于多电平逆变器中的半导体开关器件会随着输出电压电平增加而增加，这些半导体开关器件中只要其中一个出现故障，那么整个多电平逆变器就会失效甚至引起严重的后果，因此，对多电平逆变器进行故障诊断研究是非常有必要的。
目前，国内外针对T型三电平逆变器的故障诊断问题已开展了不少研究。例如：Ui-Min Choi、Kyo-Beum Lee、Frede Blaabjerg等人在IEEE Transactions on IndustryApplications(IEEE工业应用学报)中发表的Diagnosis and tolerant strategy of anopen-switch fault for T-type three-level inverter systems(T型三电平逆变器***开路故障的诊断和容错策略)(2014,50(1):495-508)，提出了一种开关管开路故障诊断方法，其采集三个相电流，并分别计算三个相电流的平均值的极性，然后判断输入直流中点电压的极性，根据相电流和中点电压极性的不同组合，可以确定电路中哪个开关器件发生开路故障。该方法不需要复杂的算法，具有可靠性高的优点。但是，该方法既要检测电路的电流，又要检测电路的电压，在故障诊断过程中需要选取的故障特征种类比较多，实际实现时诊断成本较高，诊断***的硬件电路比较复杂。
又如：V.Fernao Pires、D.Foito、Tito G.Amaral等人发表在2015InternationalConference on Renewable Energy Research and Applications(2015年可再生能源研究与应用国际会议)上的文章Fault detection and diagnosis in a PV grid-connectedT-type three level inverter(光伏并网T型三电平逆变器的故障检测与诊断)(2015:933-937)，提出了一种基于柱状图(histogram)的开关器件开路故障诊断方法，其首先检测三个输出的相电压，然后将相电压的每个电平都通过一定的算法利用柱状图表示出来，再经过一个计算重心的算法将柱状图的重心计算出来，再根据计算出来的重心值的不同，判断是哪一个开关器件发生了故障。该方法只需要检测三个电流信号，不受负载的影响，其余都是通过软件计算完成的，但是提出的软件算法还是相对比较复杂，而且软件***必须增加包括单片机最小***等在内的硬件电路。
再如：Jiangbiao He、Nabeel A.O.Demerdash、Nathan Weise、Ramin Katebi等人在IEEE Transactions on Industry Applications(IEEE工业应用学报)中发表的A FastOn-Line Diagnostic Method for Open-Circuit Switch Faults in SiC-MOSFET-BasedT-Type Multilevel Inverters(基于SiC-MOSFET的T型多电平逆变器开路故障的快速在线诊断方法)(2017,53(3):2948-2958.)，其介绍了一种用于检测T型多电平变换器中开路故障的在线非侵入式诊断方法，该方法首先检测直流母线中性点电流的异常变化，然后检测三相电流信号，并结合检测瞬间的电路开关状态等信息，判断当前电路中哪个开关器件出现了开路故障。该方法具有很高的可靠性，但是该方法不仅要检测直流中点电流和三相电流，而且还要获取电路中的开关状态，故障诊断的原始信息需求比较多。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于相电压残差的T型三电平逆变器故障诊断方法，其只需获取三个相电压，故障诊断的原始信息需求比较少，且故障诊断成本低，故障诊断准确率高，故障诊断结果能够自动精确定位到具体的器件，从而能够有效地提高T型三电平逆变器的工作可靠性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于相电压残差的T型三电平逆变器故障诊断方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：搭建一个T型三电平逆变器，该T型三电平逆变器为能正常工作的T型三电平逆变器或为已加入了一种开路故障的T型三电平逆变器；其中，已加入的开路故障为12种开路故障中的一种，第1种开路故障～第12种开路故障对应为a相的第一绝缘栅双极型晶体管Sa1、a相的第二绝缘栅双极型晶体管Sa2、a相的第三绝缘栅双极型晶体管Sa3、a相的第四绝缘栅双极型晶体管Sa4、b相的第一绝缘栅双极型晶体管Sb1、b相的第二绝缘栅双极型晶体管Sb2、b相的第三绝缘栅双极型晶体管Sb3、b相的第四绝缘栅双极型晶体管Sb4、c相的第一绝缘栅双极型晶体管Sc1、c相的第二绝缘栅双极型晶体管Sc2、c相的第三绝缘栅双极型晶体管Sc3、c相的第四绝缘栅双极型晶体管Sc4发生开路故障；
步骤二：获取该T型三电平逆变器的a相电压、b相电压和c相电压，对应记为Uan、Ubn和Ucn；然后对Uan进行滤波处理以去除高频噪声，将去除高频噪声后的电压记为U'an；同样，对Ubn进行滤波处理以去除高频噪声，将去除高频噪声后的电压记为U'bn；对Ucn进行滤波处理以去除高频噪声，将去除高频噪声后的电压记为U'cn；再以a相参考电压Urefa为基准，对U'an进行放大或缩小处理，将放大或缩小处理后的电压记为U”an；同样，以b相参考电压Urefb为基准，对U'bn进行放大或缩小处理，将放大或缩小处理后的电压记为U”bn；以c相参考电压Urefc为基准，对U'cn进行放大或缩小处理，将放大或缩小处理后的电压记为U”cn；其中，Uan、Ubn、Ucn、U'an、U'bn、U'cn、U”an、U”bn、U”cn、Urefa、Urefb、Urefc的单位均为伏特；
步骤三：计算该T型三电平逆变器的a相残差电压，记为Ucca，Ucca＝Urefa-U”an；然后判断Ucca中是否存在采样电压值大于+2伏特或小于-2伏特，若存在，则判定该T型三电平逆变器的a相电路发生故障，再执行步骤四；若不存在，则判定该T型三电平逆变器的a相电路未发生故障，再执行步骤五；其中，Ucca的单位为伏特，获取采样电压值的过程中设定采样周期为T'、采样点数为Num个；
步骤四：将Ucca中第1个大于+2伏特或小于-2伏特的采样电压值的采样时刻作为起始时刻；然后从Ucca中提取起始时刻开始的一个时间周期的电压，记为U'cca；接着计算U'cca的平均值和U'cca的正负峰差值，对应记为Ua,ave和Ua,PN，
Figure BDA0002034868830000041
Ua,PN＝||Ua,pos|-|Ua,neg||；再根据Ua,ave和Ua,PN判定该T型三电平逆变器的a相电路中发生开路故障的绝缘栅双极型晶体管，若Ua,ave＞0且Ua,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的a相的第一绝缘栅双极型晶体管Sa1发生开路故障，故障诊断结束；若Ua,ave＞0且Ua,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的a相的第二绝缘栅双极型晶体管Sa2发生开路故障，故障诊断结束；若Ua,ave＜0且Ua,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的a相的第三绝缘栅双极型晶体管Sa3发生开路故障，故障诊断结束；若Ua,ave＜0且Ua,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的a相的第四绝缘栅双极型晶体管Sa4发生开路故障，故障诊断结束；其中，T”表示一个时间周期，T”与T'相同，U'cca、Ua,ave、Ua,PN、Ua,pos、Ua,neg的单位均为伏特，t为时间积分变量，符号“| |”为取绝对值符号，Ua,pos表示U'cca的正峰值，Ua,neg表示U'cca的负峰值，Vth为设定的电压阈值，Vth的单位为伏特；
步骤五：计算该T型三电平逆变器的b相残差电压，记为Uccb，Uccb＝Urefb-U”bn；然后判断Uccb中是否存在采样电压值大于+2伏特或小于-2伏特，若存在，则判定该T型三电平逆变器的b相电路发生故障，再执行步骤六；若不存在，则判定该T型三电平逆变器的b相电路未发生故障，再执行步骤七；其中，Uccb的单位为伏特，获取采样电压值的过程中设定采样周期为T'、采样点数为Num个；
步骤六：将Uccb中第1个大于+2伏特或小于-2伏特的采样电压值的采样时刻作为起始时刻；然后从Uccb中提取起始时刻开始的一个时间周期的电压，记为U'ccb；接着计算U'ccb的平均值和U'ccb的正负峰差值，对应记为Ub,ave和Ub,PN，
Figure BDA0002034868830000042
Ub,PN＝||Ub,pos|-|Ub,neg||；再根据Ub,ave和Ub,PN判定该T型三电平逆变器的b相电路中发生开路故障的绝缘栅双极型晶体管，若Ub,ave＞0且Ub,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的b相的第一绝缘栅双极型晶体管Sb1发生开路故障，故障诊断结束；若Ub,ave＞0且Ub,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的b相的第二绝缘栅双极型晶体管Sb2发生开路故障，故障诊断结束；若Ub,ave＜0且Ub,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的b相的第三绝缘栅双极型晶体管Sb3发生开路故障，故障诊断结束；若Ub,ave＜0且Ub,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的b相的第四绝缘栅双极型晶体管Sb4发生开路故障，故障诊断结束；其中，T”表示一个时间周期，T”与T'相同，U'ccb、Ub,ave、Ub,PN、Ub,pos、Ub,neg的单位均为伏特，t为时间积分变量，符号“| |”为取绝对值符号，Ub,pos表示U'ccb的正峰值，Ub,neg表示U'ccb的负峰值，Vth为设定的电压阈值，Vth的单位为伏特；
步骤七：计算该T型三电平逆变器的c相残差电压，记为Uccc，Uccc＝Urefc-U”cn；然后判断Uccc中是否存在采样电压值大于+2伏特或小于-2伏特，若存在，则判定该T型三电平逆变器的c相电路发生故障，再执行步骤八；若不存在，则判定该T型三电平逆变器的c相电路未发生故障，再执行步骤九；其中，Uccc的单位为伏特，获取采样电压值的过程中设定采样周期为T'、采样点数为Num个；
步骤八：将Uccc中第1个大于+2伏特或小于-2伏特的采样电压值的采样时刻作为起始时刻；然后从Uccc中提取起始时刻开始的一个时间周期的电压，记为U'ccc；接着计算U'ccc的平均值和U'ccc的正负峰差值，对应记为Uc,ave和Uc,PN，
Figure BDA0002034868830000051
Uc,PN＝||Uc,pos|-|Uc,neg||；再根据Uc,ave和Uc,PN判定该T型三电平逆变器的c相电路中发生开路故障的绝缘栅双极型晶体管，若Uc,ave＞0且Uc,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的c相的第一绝缘栅双极型晶体管Sc1发生开路故障，故障诊断结束；若Uc,ave＞0且Uc,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的c相的第二绝缘栅双极型晶体管Sc2发生开路故障，故障诊断结束；若Uc,ave＜0且Uc,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的c相的第三绝缘栅双极型晶体管Sc3发生开路故障，故障诊断结束；若Uc,ave＜0且Uc,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的c相的第四绝缘栅双极型晶体管Sc4发生开路故障，故障诊断结束；其中，T”表示一个时间周期，T”与T'相同，U'ccc、Uc,ave、Uc,PN、Uc,pos、Uc,neg的单位均为伏特，t为时间积分变量，符号“| |”为取绝对值符号，Uc,pos表示U'ccc的正峰值，Uc,neg表示U'ccc的负峰值，Vth为设定的电压阈值，Vth的单位为伏特；
步骤九：继续对该T型三电平逆变器进行故障诊断。
所述的步骤二中，滤波处理采用的方法为低通滤波方法。
所述的步骤二中，放大或缩小处理的比例的确定过程为：在该T型三电平逆变器正常工作的情况下，获取正常工作下的a相电压、b相电压和c相电压，对应记为Unormal-an、Unormal-bn和Unormal-cn；然后将Unormal-an的峰值与Urefa的峰值的比值作为U'an放大或缩小处理的比例，将Unormal-bn的峰值与Urefb的峰值的比值作为U'bn放大或缩小处理的比例，将Unormal-cn的峰值与Urefc的峰值的比值作为U'cn放大或缩小处理的比例；其中，Unormal-an、Unormal-bn和Unormal-cn的单位均为伏特。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明方法只需要采样T型三电平逆变器的三相电压即a相电压、b相电压和c相电压，然后将每相参考电压与每相相电压经过滤波处理和放大或缩小处理后得到的电压进行比较，获得残差电压，再对残差电压进行分析，根据分析结果判断T型三电平逆变器中具体哪一个器件发生了开路故障，由于只需获取三个相电压，因此故障诊断的原始信息需求比较少，而且能够诊断出具体的哪一个器件发生了开路故障，不仅故障诊断准确率高，而且减少了因开路故障带来的损失，提高了T型三电平逆变器的工作可靠性。
2)本发明方法在实现时只需要增加三个电压传感器，省去了传统故障诊断方法所需的大量电压、电流传感器，降低了故障诊断成本。
3)本发明方法简单易实现，只需要分析残差电压，计算有异变的一个时间周期的残差电压的平均值和正负峰差值，就可以获得故障诊断结果。
附图说明
图1为T型三电平逆变器的主电路；
图2为本发明方法的总体实现框图；
图3为T型三电平逆变器的控制***输出的信号示意图；
图4a为正常工作情况下的T型三电平逆变器的a相参考电压Urefa的波形图；
图4b为正常工作情况下的T型三电平逆变器中获取的a相电压Uan经滤波处理和放大或缩小处理后的电压U”an的波形图；
图4c为正常工作情况下的T型三电平逆变器的a相残差电压Ucca的波形图；
图5a为已加入了第1种开路故障的T型三电平逆变器的a相残差电压Ucca的波形图；
图5b为已加入了第2种开路故障的T型三电平逆变器的a相残差电压Ucca的波形图；
图5c为已加入了第3种开路故障的T型三电平逆变器的a相残差电压Ucca的波形图；
图5d为已加入了第4种开路故障的T型三电平逆变器的a相残差电压Ucca的波形图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
图1给出了T型三电平逆变器的主电路，其包括a相的第一功率开关器件Sa1、a相的第二功率开关器件Sa2、a相的第三功率开关器件Sa3、a相的第四功率开关器件Sa4、b相的第一功率开关器件Sb1、b相的第二功率开关器件Sb2、b相的第三功率开关器件Sb3、b相的第四功率开关器件Sb4、c相的第一功率开关器件Sc1、c相的第二功率开关器件Sc2、c相的第三功率开关器件Sc3、c相的第四功率开关器件Sc4，a相电压为Uan(图1中a点与n点间的电压)，b相电压为Ubn(图1中b点与n点间的电压)，c相电压为Ucn(图1中c点与n点间的电压)；上述12个功率开关器件均为绝缘栅双极型晶体管。图1所示的主电路中如果Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3、Sc4中的任一个功率开关器件发生开路故障为一种故障类型，则有12种故障类型，不管发生哪种故障类型，均会使主电路无法正常工作，为此本发明提出了一种T型三电平逆变器故障诊断方法。
本发明提出的一种基于相电压残差的T型三电平逆变器故障诊断方法，其总体实现框图如图2所示，其包括以下步骤：
步骤一：采用现有的元器件搭建一个T型三电平逆变器，如图1所示，该T型三电平逆变器为能正常工作的T型三电平逆变器或为已加入了一种开路故障的T型三电平逆变器；其中，已加入的开路故障为12种开路故障中的一种，第1种开路故障～第12种开路故障对应为a相的第一绝缘栅双极型晶体管Sa1、a相的第二绝缘栅双极型晶体管Sa2、a相的第三绝缘栅双极型晶体管Sa3、a相的第四绝缘栅双极型晶体管Sa4、b相的第一绝缘栅双极型晶体管Sb1、b相的第二绝缘栅双极型晶体管Sb2、b相的第三绝缘栅双极型晶体管Sb3、b相的第四绝缘栅双极型晶体管Sb4、c相的第一绝缘栅双极型晶体管Sc1、c相的第二绝缘栅双极型晶体管Sc2、c相的第三绝缘栅双极型晶体管Sc3、c相的第四绝缘栅双极型晶体管Sc4发生开路故障。
步骤二：获取该T型三电平逆变器的a相电压、b相电压和c相电压，对应记为Uan、Ubn和Ucn；然后对Uan进行滤波处理以去除高频噪声，将去除高频噪声后的电压记为U'an；同样，对Ubn进行滤波处理以去除高频噪声，将去除高频噪声后的电压记为U'bn；对Ucn进行滤波处理以去除高频噪声，将去除高频噪声后的电压记为U'cn；再以a相参考电压Urefa为基准，对U'an进行放大或缩小处理，将放大或缩小处理后的电压记为U”an；同样，以b相参考电压Urefb为基准，对U'bn进行放大或缩小处理，将放大或缩小处理后的电压记为U”bn；以c相参考电压Urefc为基准，对U'cn进行放大或缩小处理，将放大或缩小处理后的电压记为U”cn；其中，Uan、Ubn、Ucn、U'an、U'bn、U'cn、U”an、U”bn、U”cn、Urefa、Urefb、Urefc的单位均为伏特。
在此，Urefa、Urefb、Urefc由DSP控制***给出。图3给出了T型三电平逆变器的控制***，T型三电平逆变器是由DSP控制***进行控制的，由DSP控制***提供T型三电平逆变器正常工作的各种控制信号，Urefa、Urefb、Urefc由DSP控制***直接输出，Uan、Ubn和Ucn由三个电压传感器分别从T型三电平逆变器的三相负载处获取。
在本实施例中，步骤二中，滤波处理采用的方法为低通滤波方法；放大或缩小处理的比例的确定过程为：在该T型三电平逆变器正常工作的情况下，获取正常工作下的a相电压、b相电压和c相电压，对应记为Unormal-an、Unormal-bn和Unormal-cn；然后将Unormal-an的峰值与Urefa的峰值的比值作为U'an放大或缩小处理的比例，将Unormal-bn的峰值与Urefb的峰值的比值作为U'bn放大或缩小处理的比例，将Unormal-cn的峰值与Urefc的峰值的比值作为U'cn放大或缩小处理的比例；其中，Unormal-an、Unormal-bn和Unormal-cn的单位均为伏特。
步骤三：计算该T型三电平逆变器的a相残差电压，记为Ucca，Ucca＝Urefa-U”an；然后判断Ucca中是否存在采样电压值大于+2伏特或小于-2伏特，若存在，则判定该T型三电平逆变器的a相电路发生故障，再执行步骤四；若不存在，则判定该T型三电平逆变器的a相电路未发生故障，再执行步骤五；其中，Ucca的单位为伏特，获取采样电压值的过程中设定采样周期为T'、采样点数为Num个，在本实施例中取T'＝20毫秒、取Num＝1000。
图4a给出了正常工作情况下的T型三电平逆变器的a相参考电压Urefa的波形图，图4b给出了正常工作情况下的T型三电平逆变器中获取的a相电压Uan经滤波处理和放大或缩小处理后的电压U”an的波形图，图4c给出了正常工作情况下的T型三电平逆变器的a相残差电压Ucca的波形图。从图4c中可以看出，当T型三电平逆变器正常工作时，a相残差电压Ucca几乎等于0，不存在大于+2伏特或小于-2伏特的采样电压值，因此判定T型三电平逆变器的a相电路未发生故障。
图5a给出了已加入了第1种开路故障的T型三电平逆变器的a相残差电压Ucca的波形图，图5b给出了已加入了第2种开路故障的T型三电平逆变器的a相残差电压Ucca的波形图，图5c给出了已加入了第3种开路故障的T型三电平逆变器的a相残差电压Ucca的波形图，图5d给出了已加入了第4种开路故障的T型三电平逆变器的a相残差电压Ucca的波形图。从图5a至图5d中可以看出，均存在大于+2伏特或小于-2伏特的采样电压值，因此判定T型三电平逆变器的a相电路发生故障。
步骤四：将Ucca中第1个大于+2伏特或小于-2伏特的采样电压值的采样时刻作为起始时刻；然后从Ucca中提取起始时刻开始的一个时间周期的电压，记为U'cca；接着计算U'cca的平均值和U'cca的正负峰差值，对应记为Ua,ave和Ua,PN，
Figure BDA0002034868830000101
Ua,PN＝||Ua,pos|-|Ua,neg||；再根据Ua,ave和Ua,PN判定该T型三电平逆变器的a相电路中发生开路故障的绝缘栅双极型晶体管，若Ua,ave＞0且Ua,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的a相的第一绝缘栅双极型晶体管Sa1发生开路故障，故障诊断结束；若Ua,ave＞0且Ua,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的a相的第二绝缘栅双极型晶体管Sa2发生开路故障，故障诊断结束；若Ua,ave＜0且Ua,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的a相的第三绝缘栅双极型晶体管Sa3发生开路故障，故障诊断结束；若Ua,ave＜0且Ua,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的a相的第四绝缘栅双极型晶体管Sa4发生开路故障，故障诊断结束；其中，T”表示一个时间周期，T”与T'相同，U'cca、Ua,ave、Ua,PN、Ua,pos、Ua,neg的单位均为伏特，t为时间积分变量，符号“| |”为取绝对值符号，Ua,pos表示U'cca的正峰值，Ua,neg表示U'cca的负峰值，Vth为设定的电压阈值，Vth的单位为伏特，在本实施例中取Vth＝2.5伏特。
步骤五：计算该T型三电平逆变器的b相残差电压，记为Uccb，Uccb＝Urefb-U”bn；然后判断Uccb中是否存在采样电压值大于+2伏特或小于-2伏特，若存在，则判定该T型三电平逆变器的b相电路发生故障，再执行步骤六；若不存在，则判定该T型三电平逆变器的b相电路未发生故障，再执行步骤七；其中，Uccb的单位为伏特，获取采样电压值的过程中设定采样周期为T'、采样点数为Num个，在本实施例中取T'＝20毫秒、取Num＝1000。
步骤六：将Uccb中第1个大于+2伏特或小于-2伏特的采样电压值的采样时刻作为起始时刻；然后从Uccb中提取起始时刻开始的一个时间周期的电压，记为U'ccb；接着计算U'ccb的平均值和U'ccb的正负峰差值，对应记为Ub,ave和Ub,PN，
Figure BDA0002034868830000111
Ub,PN＝||Ub,pos|-|Ub,neg||；再根据Ub,ave和Ub,PN判定该T型三电平逆变器的b相电路中发生开路故障的绝缘栅双极型晶体管，若Ub,ave＞0且Ub,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的b相的第一绝缘栅双极型晶体管Sb1发生开路故障，故障诊断结束；若Ub,ave＞0且Ub,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的b相的第二绝缘栅双极型晶体管Sb2发生开路故障，故障诊断结束；若Ub,ave＜0且Ub,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的b相的第三绝缘栅双极型晶体管Sb3发生开路故障，故障诊断结束；若Ub,ave＜0且Ub,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的b相的第四绝缘栅双极型晶体管Sb4发生开路故障，故障诊断结束；其中，T”表示一个时间周期，T”与T'相同，U'ccb、Ub,ave、Ub,PN、Ub,pos、Ub,neg的单位均为伏特，t为时间积分变量，符号“| |”为取绝对值符号，Ub,pos表示U'ccb的正峰值，Ub,neg表示U'ccb的负峰值，Vth为设定的电压阈值，Vth的单位为伏特，在本实施例中取Vth＝2.5伏特。
步骤七：计算该T型三电平逆变器的c相残差电压，记为Uccc，Uccc＝Urefc-U”cn；然后判断Uccc中是否存在采样电压值大于+2伏特或小于-2伏特，若存在，则判定该T型三电平逆变器的c相电路发生故障，再执行步骤八；若不存在，则判定该T型三电平逆变器的c相电路未发生故障，再执行步骤九；其中，Uccc的单位为伏特，获取采样电压值的过程中设定采样周期为T'、采样点数为Num个，在本实施例中取T'＝20毫秒、取Num＝1000。
步骤八：将Uccc中第1个大于+2伏特或小于-2伏特的采样电压值的采样时刻作为起始时刻；然后从Uccc中提取起始时刻开始的一个时间周期的电压，记为U'ccc；接着计算U'ccc的平均值和U'ccc的正负峰差值，对应记为Uc,ave和Uc,PN，
Figure BDA0002034868830000121
Uc,PN＝||Uc,pos|-|Uc,neg||；再根据Uc,ave和Uc,PN判定该T型三电平逆变器的c相电路中发生开路故障的绝缘栅双极型晶体管，若Uc,ave＞0且Uc,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的c相的第一绝缘栅双极型晶体管Sc1发生开路故障，故障诊断结束；若Uc,ave＞0且Uc,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的c相的第二绝缘栅双极型晶体管Sc2发生开路故障，故障诊断结束；若Uc,ave＜0且Uc,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的c相的第三绝缘栅双极型晶体管Sc3发生开路故障，故障诊断结束；若Uc,ave＜0且Uc,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的c相的第四绝缘栅双极型晶体管Sc4发生开路故障，故障诊断结束；其中，T”表示一个时间周期，T”与T'相同，U'ccc、Uc,ave、Uc,PN、Uc,pos、Uc,neg的单位均为伏特，t为时间积分变量，符号“| |”为取绝对值符号，Uc,pos表示U'ccc的正峰值，Uc,neg表示U'ccc的负峰值，Vth为设定的电压阈值，Vth的单位为伏特，在本实施例中取Vth＝2.5伏特。
步骤九：继续对该T型三电平逆变器进行故障诊断。

Claims (3)

1.一种基于相电压残差的T型三电平逆变器故障诊断方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：搭建一个T型三电平逆变器，该T型三电平逆变器为能正常工作的T型三电平逆变器或为已加入了一种开路故障的T型三电平逆变器；其中，已加入的开路故障为12种开路故障中的一种，第1种开路故障～第12种开路故障对应为a相的第一绝缘栅双极型晶体管Sa1、a相的第二绝缘栅双极型晶体管Sa2、a相的第三绝缘栅双极型晶体管Sa3、a相的第四绝缘栅双极型晶体管Sa4、b相的第一绝缘栅双极型晶体管Sb1、b相的第二绝缘栅双极型晶体管Sb2、b相的第三绝缘栅双极型晶体管Sb3、b相的第四绝缘栅双极型晶体管Sb4、c相的第一绝缘栅双极型晶体管Sc1、c相的第二绝缘栅双极型晶体管Sc2、c相的第三绝缘栅双极型晶体管Sc3、c相的第四绝缘栅双极型晶体管Sc4其中的任一晶体管发生开路故障；
步骤二：获取该T型三电平逆变器的a相电压、b相电压和c相电压，对应记为Uan、Ubn和Ucn；然后对Uan进行滤波处理以去除高频噪声，将去除高频噪声后的电压记为U'an；同样，对Ubn进行滤波处理以去除高频噪声，将去除高频噪声后的电压记为U'bn；对Ucn进行滤波处理以去除高频噪声，将去除高频噪声后的电压记为U'cn；再以a相参考电压Urefa为基准，对U'an进行放大或缩小处理，将放大或缩小处理后的电压记为U”an；同样，以b相参考电压Urefb为基准，对U'bn进行放大或缩小处理，将放大或缩小处理后的电压记为U”bn；以c相参考电压Urefc为基准，对U'cn进行放大或缩小处理，将放大或缩小处理后的电压记为U”cn；其中，Uan、Ubn、Ucn、U'an、U'bn、U'cn、U”an、U”bn、U”cn、Urefa、Urefb、Urefc的单位均为伏特；
步骤三：计算该T型三电平逆变器的a相残差电压，记为Ucca，Ucca＝Urefa-U”an；然后判断Ucca中是否存在采样电压值大于+2伏特或小于-2伏特，若存在，则判定该T型三电平逆变器的a相电路发生故障，再执行步骤四；若不存在，则判定该T型三电平逆变器的a相电路未发生故障，再执行步骤五；其中，Ucca的单位为伏特，获取采样电压值的过程中设定采样周期为T'、采样点数为Num个；
步骤四：将Ucca中第1个大于+2伏特或小于-2伏特的采样电压值的采样时刻作为起始时刻；然后从Ucca中提取起始时刻开始的一个时间周期的电压，记为U'cca；接着计算U'cca的平均值和U'cca的正负峰差值，对应记为Ua,ave和Ua,PN，
Figure FDA0002759611470000021
Ua,PN＝||Ua,pos|-|Ua,neg||；再根据Ua,ave和Ua,PN判定该T型三电平逆变器的a相电路中发生开路故障的绝缘栅双极型晶体管，若Ua,ave＞0且Ua,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的a相的第一绝缘栅双极型晶体管Sa1发生开路故障，故障诊断结束；若Ua,ave＞0且Ua,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的a相的第二绝缘栅双极型晶体管Sa2发生开路故障，故障诊断结束；若Ua,ave＜0且Ua,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的a相的第三绝缘栅双极型晶体管Sa3发生开路故障，故障诊断结束；若Ua,ave＜0且Ua,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的a相的第四绝缘栅双极型晶体管Sa4发生开路故障，故障诊断结束；其中，T”表示一个时间周期，T”与T'相同，U'cca、Ua,ave、Ua,PN、Ua,pos、Ua,neg的单位均为伏特，t为时间积分变量，符号“| |”为取绝对值符号，Ua,pos表示U'cca的正峰值，Ua,neg表示U'cca的负峰值，Vth为设定的电压阈值，Vth的单位为伏特；
步骤五：计算该T型三电平逆变器的b相残差电压，记为Uccb，Uccb＝Urefb-U”bn；然后判断Uccb中是否存在采样电压值大于+2伏特或小于-2伏特，若存在，则判定该T型三电平逆变器的b相电路发生故障，再执行步骤六；若不存在，则判定该T型三电平逆变器的b相电路未发生故障，再执行步骤七；其中，Uccb的单位为伏特，获取采样电压值的过程中设定采样周期为T'、采样点数为Num个；
步骤六：将Uccb中第1个大于+2伏特或小于-2伏特的采样电压值的采样时刻作为起始时刻；然后从Uccb中提取起始时刻开始的一个时间周期的电压，记为U'ccb；接着计算U'ccb的平均值和U'ccb的正负峰差值，对应记为Ub,ave和Ub,PN，
Figure FDA0002759611470000031
Ub,PN＝||Ub,pos|-|Ub,neg||；再根据Ub,ave和Ub,PN判定该T型三电平逆变器的b相电路中发生开路故障的绝缘栅双极型晶体管，若Ub,ave＞0且Ub,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的b相的第一绝缘栅双极型晶体管Sb1发生开路故障，故障诊断结束；若Ub,ave＞0且Ub,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的b相的第二绝缘栅双极型晶体管Sb2发生开路故障，故障诊断结束；若Ub,ave＜0且Ub,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的b相的第三绝缘栅双极型晶体管Sb3发生开路故障，故障诊断结束；若Ub,ave＜0且Ub,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的b相的第四绝缘栅双极型晶体管Sb4发生开路故障，故障诊断结束；其中，T”表示一个时间周期，T”与T'相同，U'ccb、Ub,ave、Ub,PN、Ub,pos、Ub,neg的单位均为伏特，t为时间积分变量，符号“||”为取绝对值符号，Ub,pos表示U'ccb的正峰值，Ub,neg表示U'ccb的负峰值，Vth为设定的电压阈值，Vth的单位为伏特；
步骤七：计算该T型三电平逆变器的c相残差电压，记为Uccc，Uccc＝Urefc-U”cn；然后判断Uccc中是否存在采样电压值大于+2伏特或小于-2伏特，若存在，则判定该T型三电平逆变器的c相电路发生故障，再执行步骤八；若不存在，则判定该T型三电平逆变器的c相电路未发生故障，再执行步骤九；其中，Uccc的单位为伏特，获取采样电压值的过程中设定采样周期为T'、采样点数为Num个；
步骤八：将Uccc中第1个大于+2伏特或小于-2伏特的采样电压值的采样时刻作为起始时刻；然后从Uccc中提取起始时刻开始的一个时间周期的电压，记为U'ccc；接着计算U'ccc的平均值和U'ccc的正负峰差值，对应记为Uc,ave和Uc,PN，
Figure FDA0002759611470000032
Uc,PN＝||Uc,pos|-|Uc,neg||；再根据Uc,ave和Uc,PN判定该T型三电平逆变器的c相电路中发生开路故障的绝缘栅双极型晶体管，若Uc,ave＞0且Uc,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的c相的第一绝缘栅双极型晶体管Sc1发生开路故障，故障诊断结束；若Uc,ave＞0且Uc,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的c相的第二绝缘栅双极型晶体管Sc2发生开路故障，故障诊断结束；若Uc,ave＜0且Uc,PN＞Vth，则判定该T型三电平逆变器中的c相的第三绝缘栅双极型晶体管Sc3发生开路故障，故障诊断结束；若Uc,ave＜0且Uc,PN＜Vth，则判定该T型三电平逆变器中的c相的第四绝缘栅双极型晶体管Sc4发生开路故障，故障诊断结束；其中，T”表示一个时间周期，T”与T'相同，U'ccc、Uc,ave、Uc,PN、Uc,pos、Uc,neg的单位均为伏特，t为时间积分变量，符号“| |”为取绝对值符号，Uc,pos表示U'ccc的正峰值，Uc,neg表示U'ccc的负峰值，Vth为设定的电压阈值，Vth的单位为伏特；
步骤九：继续对该T型三电平逆变器进行故障诊断。
2.根据权利要求1所述的基于相电压残差的T型三电平逆变器故障诊断方法，其特征在于所述的步骤二中，滤波处理采用的方法为低通滤波方法。
3.根据权利要求1或2所述的基于相电压残差的T型三电平逆变器故障诊断方法，其特征在于所述的步骤二中，放大或缩小处理的比例的确定过程为：在该T型三电平逆变器正常工作的情况下，获取正常工作下的a相电压、b相电压和c相电压，对应记为Unormal-an、Unormal-bn和Unormal-cn；然后将Unormal-an的峰值与Urefa的峰值的比值作为U'an放大或缩小处理的比例，将Unormal-bn的峰值与Urefb的峰值的比值作为U'bn放大或缩小处理的比例，将Unormal-cn的峰值与Urefc的峰值的比值作为U'cn放大或缩小处理的比例；其中，Unormal-an、Unormal-bn和Unormal-cn的单位均为伏特。
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