[發明專利]基于模型參考分析的有源電力濾波器開關器件開路故障診斷方法

有效

• 申請號: 201410238270.6
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN103983889B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 彭濤;玉華雄;林志立;孫堯;韓華;羅朝旭;張維
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01R31/02
• 分類號: G01R31/02
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所43114
• 代理人: 歐陽迪奇

1.一種基于模型參考分析的有源電力濾波器開關器件開路故障診斷方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：建立有源電力濾波器即APF的主電路中端電壓與補償電流之間的關系公式：

$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{ca}}{dt}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{cb}}{dt}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{cc}}{dt}\end{array}\right]=\frac{1}{L_f}\left[\begin{array}{c}{u}_{AO}-e_a\\ u_{BO}-e_b\\ u_{CO}-e_c\end{array}\right]$

其中，i_ca、i_cb、i_cc分別為a、b、c三相補償電流，u_AO、u_BO、u_CO分別為APF輸出a、b、c三相電壓相對O點的相電壓，e_a、e_b、e_c分別為a、b、c三相電網電壓，L_f為APF輸出濾波電感，

然后變換為d-q同步旋轉坐標系下的實際運行模型：

$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{cd}}{dt}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{cq}}{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& -\mathrm{\ω}\\ \mathrm{\ω}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{cd}\\ i_{cq}\end{array}\right]+\frac{1}{L_f}\left[\begin{array}{c}{u}_d-e_d\\ u_q-e_q\end{array}\right]$

其中，i_cd、i_cq分別為APF補償電流i_ca、i_cb、i_cc在d-q同步旋轉坐標系下的d-q軸電流，u_d、u_q分別為APF相電壓u_AO、u_BO、u_CO在同步旋轉坐標系下的d-q軸電壓，e_d、e_q分別為電網電壓e_a、e_b、e_c在d-q同步旋轉坐標系下的d-q軸電壓，ω為電網電壓基波角頻率，

再采用模型參數以及與正常運行時相同的輸入信號構建參考模型：

$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{cd}^{*}}{dt}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{cq}^{*}}{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& -\mathrm{\ω}\\ \mathrm{\ω}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{cd}^{*}\\ i_{cq}^{*}\end{array}\right]+\frac{1}{L_f}\left[\begin{array}{c}{u}_d^{*}-e_d\\ u_q^{*}-e_q\end{array}\right]$

其中，分別為參考模型的d-q軸電流，分別為參考模型的d-q軸電壓；

步驟二：利用每個采樣周期內可測量的有源電力濾波器輸出三相補償電流和三相電網電壓，結合步驟一中的實際運行模型和參考模型采用模型參考分析生成電壓殘差：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_A\\ {\mathrm{\γ}}_B\\ {\mathrm{\γ}}_C\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}sin\mathrm{\ω}t& cos\mathrm{\ω}t\\ sin(\mathrm{\ω}t-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\ω}t-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ sin(\mathrm{\ω}t+\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\ω}t+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_d\\ {\mathrm{\γ}}_q\end{array}\right]$

其中γ_A、γ_B、γ_C為三相電壓殘差，γ_d、γ_q為構造電壓殘差γ_A、γ_B、γ_C在d-q軸坐標系下的電壓殘差；

步驟三：通過設定閾值以及2個判斷標志位對步驟二中得到電壓殘差進行評價，實時檢測出APF開關器件是否發生開路故障，如果有故障則執行步驟四，如無故障則返回步驟一繼續進行故障檢測，所述的故障檢測閾值u_th為：

$u_{th}=m\·max\{u_{AO}^{dead},u_{BO}^{dead},u_{CO}^{dead}\}$

其中：分別為APF正常運行時a、b、c相電壓的死區電壓、m為動態系數，

其中一個判斷標志位差ε_k為：

${\mathrm{\ϵ}}_k=\left\{\begin{array}{cc}1,& {\mathrm{\γ}}_k\>u_{th}\\ 0,& \left|{\mathrm{\γ}}_k\right|\<u_{th}\\ -1,& {\mathrm{\γ}}_k\<-u_{th}\end{array}\right.$

其中k＝{A，B，C)；

當ε_k＝0時，判斷APF未發生IGBT開路故障；

當ε_k≠0時，則進入步驟3以確認APF是否發生IGBT開路故障；

當ε_k≠0時，給定靈敏度系數K，則定義持續時間t_e的臨界時間T_f為：

T_f＝K·T 公式15

再設定一個判斷標志位Flag_k，其中k＝{A，B，C}：

當t_e>＝T_f時，若其中某個ε_k與其他兩個不相等，則可判斷Flag_k＝1；否則，Flag_k＝0；

當t_e<T_f時，Flag_k＝0；

當Flag_k＝1時，判斷APF發生IGBT開路故障；否則，無故障；

步驟四：根據已設定的2個判斷標志位診斷出開關器件開路故障發生的具體位置；

根據標志位Flag_k值判斷APF哪一相發生故障：

當Flag_A＝1時，A相發生開路故障；

當Flag_B＝1時，B相發生開路故障；

當Flag_C＝1時，C相發生開路故障；

結合標志位ε_k(k＝{A，B，C})與標志位Flag_k(k＝{A，B，C})，判斷開關器件發生開路故障的具體位置:

當Flag_A＝1時，若ε_A＝-1，T₁發生開路故障；若ε_A＝1，則T₄發生開路故障；

當Flag_B＝1時，若ε_B＝-1，T₃發生開路故障；若ε_B＝1，則T₆發生開路故障；

當Flag_C＝1時，若ε_C＝-1，T₅發生開路故障；若ε_C＝1，則T₂發生開路故障。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟二包括以下子步驟：

步驟1：在每個采樣周期T內測量APF實際輸出三相補償電流i_ca、i_cb、i_cc和電網電壓e_a、e_b、e_c，并將其變換到d-q軸坐標系下的電流值i_cd、i_cq和電壓值e_d、e_q，公式為:

步驟2：根據模型參考分析構造電壓殘差γ_A、γ_B、γ_C在d-q軸坐標系下的電壓殘差γ_d、γ_q，其公式為：

將公式2、3代入公式5，可得：

將公式2、3分別離散化為：

其中：i_cd(k)、i_cq(k)，為分別連續電流i_cd、i_cq，的第k次采樣值，i_cd(k-1)、i_cq(k-1)，和e_d(k-1)、e_q(k-1)分別為相應變量在上一采樣周期的采樣值；

于是，公式6生成的電壓殘差可表示為：

式中，γ_d(k)、γ_q(k)分別為連續電壓殘差γ_d、γ_q的第k次采樣值；u_d(k)、u_q(k)、的計算公式為：

步驟3：將電壓殘差γ_d(k)、γ_q(k)進行d-q旋轉坐標反變換可獲得三相電壓殘差γ_A、γ_B、γ_C，變換公式為：