基于相电压柱状图的多电平逆变器的开路故障诊断方法与流程

本发明涉及逆变器技术领域，具体涉及一种多电平逆变器的开路故障诊断方法。

背景技术

目前，多电平逆变器更多地应用在高压大功率场合，与两电平传统逆变器相比，它们具有更好的谐波特性、高效率、更低的电压应力等优势。其中，二极管中点钳位(neutralpointclamped，npc)逆变器是最常用的拓扑结构。在电路运行过程中，由于过载、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igbt和钳位二极管的开路故障最为常见。由于多电平逆变器中的器件会随着输出电压电平的增加而增加，从而导致器件发生故障的概率也随之增加。而且，任何一个器件故障都有可能导致整个电路停止工作，有时甚至会影响到其他电路的安全，造成不可估量的经济损失。

目前国内外针对二极管中点钳位逆变器的开路故障诊断问题已开展了不少研究。例如：苗贝贝、沈艳霞等人在电源学报中发表的《npc三电平逆变器的开关管开路故障诊断》(网络出版：http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.tm.20171214.1307.002.html.)，提出了一种开关管开路故障诊断方法。文中选取开关状态、负载相电流的极性及桥臂相电压作为故障特征，在不同的电流流通路径下进行开路故障特征分析，实现故障开关管的准确定位。该方法不需要复杂的算法，具有诊断迅速、可靠性高的优点。但是该方法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，诊断系统比较复杂。

又如：陈丹江、叶银忠等人在电工技术学报中提出的《基于多神经网络的三电平逆变器器件开路故障诊断方法》(2013，28(6)，120-126)，其通过采样每相的上、中、下桥臂电压，并建立一个具有主神经网络和辅助神经网络的智能故障诊断系统，解决了单个器件开路故障和多个器件同时开路故障的诊断问题。但是该方法需要获取每相3个电压信号，一共9个电压信号，作为文中提出的神经网络的输入参数。

再如：choium、jeonghg、leekb、blaabjergf等人在ieeetransactionsonpowerelectronics(ieee电力电子学报)中提出的methodfordetectinganopen-switchfaultinagrid-connectednpcinvertersystem(联网的中点钳位逆变器系统器件开路故障诊断方法)(2012,27(6):2726-2739)，文中首先将电路在正常工作情况下和器件故障情况下三相电流进行帕克变换，并将变换结果以电流矢量图形显示，然后通过分析电流矢量图形的形状和角度，从而判断是哪个器件出现开路故障。该方法不仅能够诊断出电路是否发生故障，还能精确定位到是具体哪一个器件出现故障。缺点是对电流矢量图形的形状和角度的分析比较复杂。

因此综上所述，现有的多电平逆变器的开路故障诊断方法存在诊断系统或原理较为复杂的缺陷，需要大量的电压、电流传感器或者复杂的算法等。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种诊断系统和原理较为简单、诊断性能优秀的基于相电压柱状图的多电平逆变器的开路故障诊断方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于相电压柱状图的多电平逆变器的开路故障诊断方法，其应用于npc多电平逆变器电路，所述npc多电平逆变器电路的每相均包括多个igbt、多个钳位二极管、以及一个电压传感器，其特征在于：它包括以下步骤：

(1)分别在电路正常工作情况下以及加入各种故障的情况下，通过各电压传感器获取三个相电压uan、ubn、ucn的一个周期的波形图，作为原始的故障诊断信号，各相相电压uan、ubn、ucn的一个周期的波形图中均具有多个电平，各种故障是指各igbt、各钳位二极管分别发生开路故障；

(2)分别统计电路正常工作情况下以及加入各种故障的情况下，各相相电压uan、ubn、ucn的一个周期的波形图中各电平的采样点数，然后将各电平的采样点数以柱状图的形式表示，从而获得各相相电压uan、ubn、ucn的柱状图；

(3)根据步骤(2)中得到的各相相电压uan、ubn、ucn的柱状图，分别计算各相相电压uan、ubn、ucn的柱状图所对应的参考特征值fa、fb、fc；

(4)获取实际电路工作时的各相相电压uan’、ubn’、ucn’的一个周期的波形图并转换为柱状图，计算各柱状图的实际特征值fa’、fb’、fc’，将实际特征值fa’、fb’、fc’与对应的多个参考特征值fa、fb、fc进行对比分析，来确定当前电路中发生开路故障的器件。

采用上述方法后，本发明具有以下优点：

本发明基于相电压柱状图的多电平逆变器的开路故障诊断方法仅仅采样了三个相电压作为原始信号，因此避免了传感器的大量使用，从而降低了系统的复杂程度和系统成本；而且采用的数据分析原理和算法比较简单，只需要分别在电路正常工作情况下以及加入各种故障的情况下，分析一个周期内的各相相电压的每个电平的采样点数，从而获取每个相电压的柱状图，然后只需要提取各柱状图的一个特征值作为参考特征值，相对于一些需要进行图像处理等算法的开路故障诊断方法，具有简单易实现的特点；然后在实际电路工作时只需对比分析实际特征值与参考特征值，就可准确检测出具体哪个器件发生故障，诊断性能优秀，能大大减少故障带来的损失，提高npc逆变器电路的可靠性。

作为优选，所述步骤(3)中的参考特征值fa、fb、fc采用以下公式得到：

其中pvax(x＝0～k-1)、pvbx(x＝0～k-1)、pvcx(x＝0～k-1)分别对应a相、b相、c相电压uan、ubn、ucn从最低电平到最高电平的k个电平，snmax(x＝0～k-1)、snmbx(x＝0～k-1)、snmcx(x＝0～k-1)分别对应电平pvax、pvbx、pvbx在一个周期的波形图中的采样点数；n为一个周期的波形图中的总的采样点数；

所述步骤(4)中的实际特征值fa’、fb’、fc’也分别依据参考特征值fa、fb、fc的计算公式进行计算。该设置使得特征值的计算类似于取平均值的方法，计算简单且计算结果准确可靠。

作为优选，所述npc多电平逆变器电路为npc三电平逆变器电路，所述步骤(3)中的参考特征值fa、fb、fc采用以下公式得到：

其中pvax(x＝0～8)、pvbx(x＝0～8)、pvcx(x＝0～8)分别对应a相、b相、c相电压uan、ubn、ucn从最低电平到最高电平的9个电平，snmax(x＝0～8)、snmbx(x＝0～8)、snmcx(x＝0～8)分别对应电平pvax、pvbx、pvbx在一个周期的波形图中的采样点数。npc三电平逆变器电路是最为常见的多电平逆变器电路,对其进行故障分析较有意义。

作为优选，所述步骤(4)将实际特征值fa’、fb’、fc’与对应的参考特征值fa、fb、fc进行对比分析包括以下步骤：分别求解实际特征值fa’、fb’、fc’与相应的多个参考特征值fa、fb、fc之间的残差，以最小残差所对应的那个状态为当前实际电路的工作状态。该设置可使开路故障的判断快速准确。

作为优选，残差的计算公式如下：

其中resa、resb、resc分别对应a相残差、b相残差、c相残差。

该设置使得残差的计算简单快速。

附图说明：

图1为本发明npc三电平逆变器电路的电路图；

图2为本发明在电路正常工作情况下以及a相六个器件分别发生开路故障的情况下，a相电压uan的一个周期的波形图，其中图2a：电路正常工作(无故障)、图2b：sa1开路、图2c：sa2开路、图2d：sa3开路、图2e：sa4开路、图2f：da1开路、图2g：da2开路；

图3为本发明a相电压uan的9个电平的电压值表；

图4为本发明a相电压uan所对应的柱状图；

图5为本发明在电路正常工作情况下以及a相六个器件分别发生开路故障的情况下，以柱状图的形式示意a相电压uan的参考特征值；

图6为图5中的a相电压uan的参考特征值的图表示意；

图7为本发明实施例1中的残差计算结果的图表示意；

图8为本发明实施例2中的残差计算结果的图表示意；

具体实施方式

下面结合附图，并结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

首先，搭建一个npc三电平逆变器电路如图1所示，每相均包括四个igbt和两个钳位二极管，本发明考虑每相六个器件的开路故障，总共十八种，分别包括：

a相器件sa1、sa2、sa3、sa4、da1、da2；

b相器件sb1、sb2、sb3、sb4、db1、db2；

c相器件sc1、sc2、sc3、sc4、dc1、dc2。

基于上述npc三电平逆变器电路的开路故障诊断方法的步骤如下：

(1)在电路正常工作情况下以及加入上述各种故障的情况下，通过各电压传感器获取三个相电压uan、ubn、ucn的一个周期的波形图，作为原始的故障诊断信号；

以a相为例，npc三电平逆变器输入直流电压为ud＝100v，周期t＝20ms，总的采样点数为n＝4000，在电路正常工作情况下以及a相六个器件分别发生开路故障的情况下，a相电压uan的一个周期的波形图如图2所示；

(2)分别统计电路正常工作情况下以及加入各种故障的情况下，各相相电压uan、ubn、ucn的一个周期的波形图中各电平的采样点数，然后将各电平的采样点数以柱状图的形式表示，从而获得每相相电压uan、ubn、ucn的柱状图，具体过程如下：

a、npc三电平逆变器的相电压一共具有9个电平，从最低电平到最高电平，这里定义：a相电压的9个电平为pvax(x＝0～8)，b相电压的9个电平为pvbx(x＝0～8)，c相电压的9个电平为pvcx(x＝0～8)，以a相为例，ud＝100v，则9个电平的具体电压值如图3所示，改变ud的幅值，相应的9个电平的具体电压值也会按比例增加或减小；

b、在各相相电压uan、ubn、ucn的一个周期的波形图中，每一个采样点都会对应9个电平中的某一个，这里统计每一个电平的采样点数，电平pvax所对应的采样点数为snmax(x＝0～8)，电平pvbx所对应的采样点数为snmbx(x＝0～8)，电平pvcx所对应的采样点数为snmcx(x＝0～8)；以9个电平电压值为横坐标，每个电平所对应的采样点数为纵坐标，得到相电压对应的柱状图，以a相为例，图2中的相电压uan对应的柱状图如图4所示；

(3)根据步骤(2)中得到的各相相电压uan、ubn、ucn的柱状图，分别计算各相相电压uan、ubn、ucn的柱状图所对应的参考特征值fa、fb、fc，所述参考特征值fa、fb、fc采用以下公式得到：

以a相为例，根据上面图4所示的柱状图，依据公式(1)计算出电路正常工作情况下以及加入上述各种故障的情况下的特征值fa，如图5所示，具体的数值如图6所示。

(4)获取实际电路工作时的各相相电压uan’、ubn’、ucn’的一个周期的波形图并转换为柱状图，计算各柱状图的实际特征值fa’、fb’、fc’，实际特征值fa’、fb’、fc’也分别依据参考特征值fa、fb、fc的计算公式进行计算，将实际特征值fa’、fb’、fc’与对应的参考特征值fa、fb、fc进行对比分析，来确定当前电路中发生开路故障的器件；

将实际特征值fa’、fb’、fc’与对应的参考特征值fa、fb、fc进行对比分析包括以下步骤：

分别求解实际特征值fa’、fb’、fc’与相应的多个参考特征值fa、fb、fc之间的残差，以最小残差所对应的那个状态为当前实际电路的工作状态，残差的计算公式如下：

以a相为例，例如实际电路工作时获得的a相电压uan’的柱状图所对应的实际特征值fa’＝-0.058。根据公式(2)，计算与参考特征值fa之间的残差，具体计算结果如图7所示，比较残差的大小，可以得出结论，目前电路的工作状态为无故障。

实施例2：

本实施例中其他步骤均与实施例1相同，不同的是实际电路工作时获得的a相电压uan’的柱状图所对应的实际特征值fa’＝14.373，根据公式(2)，计算与参考特征值fa之间的残差，具体计算结果如图8所示，比较残差的大小，可以得出结论，目前电路的工作状态为sa3开路。