基于SVPWM扇区号的三相整流器开路故障诊断方法与流程

本发明涉及一种基于svpwm扇区号的三相整流器开路故障诊断方法，属于整流器开路故障诊断技术。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，三相pwm整流器具有正弦化的输入电流、能量双向流动、可调的直流电压等特点，在海上风力发电、新能源电动汽车等中、大功率场合领域得到广泛应用。在风力发电系统可靠性研究中，相关调查表明，功率整流器由于需要在恶劣环境下长时间持续工作，以及其门极信号的不可靠性，导致其成为最容易发生故障的器件。功率整流器故障分为门极信号缺失故障、短路故障以及开路故障。门极信号缺失故障一般是间歇性的，可能对导致短暂的短路故障或者开路故障；短路故障会产生电流突增现象，一般会在电路中串联快速熔丝，使短路故障变为开路故障，以减小对系统的损坏；开路故障虽然不会导致系统瞬时损坏，但会引起三相电流畸变、直流侧电压脉动等问题。由此，无论功率整流器发生哪一种故障，最后都会转换为开路故障，这就要求系统能够快速准确地检测出开路故障并对故障开关管进行定位。目前功率整流器开路故障诊断方法多数只能实现在定风速或者较稳定的情况下进行故障诊断，而且对多管故障的定位效果较差，从检测变量的角度可以分为：基于电流量的诊断方法和基于电压量的诊断方法。基于电流量的诊断方法虽然不需要增加额外的硬件设备，但是受负载影响较大，对于一些小电流系统无法做出较好的判断，因而一般需要通过额外的算法或者控制方法对其进行改进；基于电压量的诊断方法虽然能够较快速作出反应，但是一般需要额外的硬件设施如电压传感器，增加了系统的成本以及结构复杂性。因此，对于较复杂环境中的(如风力发电系统中)功率整流器开路故障，需要开发新的方法，解决现有诊断方法动态性能较差、算法复杂、受负载影响较大、硬件成本高等问题。技术实现要素：针对现有整流器开路故障诊断方法只能检测单管故障、动态性能较差、计算量较大、成本较高、受负载影响较大等问题，本发明提出一种基于svpwm扇区号的三相整流器开路故障诊断方法，降低了算法复杂度和硬件成本，提高了诊断的动态性能和对负载的鲁棒性。实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于svpwm扇区号的三相整流器开路故障诊断方法，包括如下步骤：步骤1、采集与svpwm扇区号对应的n值(由产生igbt门极信号的控制算法生成)。步骤2、对持续不变的n值(1-6)进行计数，得到诊断变量。步骤3、判断诊断变量是否超过设置的阈值，若是，则让对应于该n值的标志位置1，否则置0。步骤4、在系统运行一个三相电压基波周期内重复步骤1-3，当系统运行到一个周期时，通过六个标志位确定异常的n值(1-6)，用n*记录(0-6，若n*为零则表示无故障区域，即无标志位置1)，并将诊断变量及标志位清零。步骤5、通过n值与扇区号的对应关系，将异常的n值(即n*值)转换为异常的扇区号(0-6，其中0代表无故障区域)。步骤6、通过扇区号与功率开关管之间的对应关系表，对发生开路故障的单管或多管进行准确定位。进入下一个系统三相电压基波周期。本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的检测变量为与扇区号对应的n值，该n值是由系统本身产生igbt门极信号的控制算法产生，因而不需要额外的检测算法和额外的硬件设备；2)本发明采用周期性诊断方法，动态跟踪性能较好，每个周期都可以自动更新功率整流器运行状态；3)本发明只需对采集的n值进行处理，所以故障定位算法十分简单；4)本发明根据n值、扇区号与故障开关管之间的对应关系，能够实现对单管开路故障及多管开路故障进行准确快速定位。附图说明图1是本发明直驱式永磁同步风力发电系统机侧结构图。图2是本发明直驱式永磁同步风力发电系统机侧控制及故障诊断框图。图3是本发明α、β两相静止坐标系中的基本空间电压矢量及扇区图。图4是本发明基于svpwm扇区号的三相整流器开路故障诊断方法的流程图。图5是本发明风速变化曲线。图6是本发明1秒前正常运行时n值图像、异常n*值图像、异常扇区图像以及故障定位图，其中(a)为n值的采集波形；(b)为经与阈值判断后异常的n值曲线(即n*值，0表示无异常n值)；(c)为异常扇区号曲线(0-6，0表示无异常扇区号)；(d)为故障定位结果。图7是本发明1秒时s1开关管发生单管开路故障时n值图像、异常n*值图像、异常扇区图像以及故障定位图，其中(a)为n值的采集波形；(b)为经与阈值判断后异常的n值曲线(即n*值，0表示无异常n值)；(c)为异常扇区号曲线(0-6，0表示无异常扇区号)；(d)为故障定位结果。图8是本发明2秒时s1、s3开关管发生多管开路故障时n值图像、异常n*值图像、异常扇区图像以及故障定位图，其中(a)为n值的采集波形；(b)为经与阈值判断后异常的n值曲线(即n*值，0表示无异常n值)；(c)为异常扇区号曲线(0-6，0表示无异常扇区号)；(d)为故障定位结果。图9是本发明3秒时s1、s3恢复正常工作，s5发生单管开路故障时n值图像、异常n*值图像、异常扇区图像以及故障定位图，其中(a)为n值的采集波形；(b)为经与阈值判断后异常的n值曲线(即n*值，0表示无异常n值)；(c)为异常扇区号曲线(0-6，0表示无异常扇区号)；(d)为故障定位结果。图10是本发明4秒时所有开关管恢复正常工作时n值图像、异常n*值图像、异常扇区图像以及故障定位图，其中(a)为n值的采集波形；(b)为经与阈值判断后异常的n值曲线(即n*值，0表示无异常n值)；(c)为异常扇区号曲线(0-6，0表示无异常扇区号)；(d)为故障定位结果。图中标号说明：s1-s6三相pwm整流器中6个功率开关管，d1-d6三相pwm整流器6个续流二极管，f1-f6为三相pwm整流器6个热熔丝，c为直流侧滤波电容。三相电流ia,ib,ic为永磁同步发电机产生的三相电流，vw为自然风速大小，ωm为永磁同步发电机角速度，tm为风轮提供的转矩，θ为三相电流电角度，id,iq为dq两相旋转坐标系下的电流给定值，为dq两相旋转坐标系下的电流反馈值，为电机转矩反馈值，为α、β两相静止坐标系下的目标电压。具体实施方法下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明方案。图1是直驱式永磁同步风力发电系统机侧结构图，本发明只考虑功率开关管发生故障，默认与其反并联的二极管仍正常工作。图2给出了直驱式永磁同步风力发电系统机侧控制及故障诊断框图，目标αβ平面电压输入到svpwm控制模块后，一方面会生成6路控制igbt门极通断的信号，另一方面会产生与svpwm扇区号对应的n值。图3为本发明α、β两相静止坐标系中的基本空间电压矢量及扇区图。基于上述理论，本发明提出一种基于svpwm扇区号的三相整流器开路故障诊断方法，通过检测与扇区号对应的n值，进行故障诊断和定位，流程如图4所示，步骤如下：步骤1、采集与svpwm扇区号对应的n值，n值由产生igbt门极信号的控制算法生成，其中生成n值的部分svpwm控制算法如下：定义线性变换：其中ua、ub、uc为定子三相电压，电机控制部分已经测得的参数，所以在进行开路故障诊断时无需添加额外硬件设备对其测量。再定义a、b、c三个符号函数，取1或者0。当u1>0时，a＝1，反之为0；当u2>0时，b＝1，反之为0；当u3>0时，c＝1，反之为0。如此，可以组合成6种状态(abc同时为1或0的情况不存在)，定义n值的表达式为：n＝a+2b+4cn值可取的值为整数1-6。步骤2、对持续不变的n值(1-6)进行计数得到诊断变量。n值是随同步电机的运行状态改变而改变的，但是由于n值的采样时间很短，故可以认为在n值的一个采样时间内，同步电机的运行状态是不变的，所以n值会出现持续相同的情况，本发明需要对持续相同的n值进行计数，得到诊断变量即计数值。步骤3、判断诊断变量(计数值)是否超过设置的阈值。若是，则让对应于该n值的标志位置1，否则置0。功率开关管发生开路故障与正常运行相比，由于电压矢量得不到补偿，故对持续相同的n值的计数会多出3倍以上。最直接的反应就是在n值波形图中，当功率开关管发生开路故障时，n值图像会出现较长的一段波形，如图6至图10所示。阈值选择可根据进行选择，其中ts是正常运行时持续相同的n值持续时间，s为一个周期内对所有n值的计数总值，ts是一个周期时长。本发明选取的阈值为500。步骤4、在系统运行一个三相电压基波周期内重复步骤1-3，当系统运行到一个周期时，通过六个标志位确定异常的n值(1-6)，用n*记录(0-6，若n*为零则表示无故障区域，即无标志位置1)，并将诊断变量及标志位清零。步骤5、通过n值与扇区号的对应关系，将异常的n值(即n*值)转换为异常的扇区号(0-6，其中0代表无故障区域)。n值与扇区号对应关系如表1所示。表1n值与扇区号对应表n123456扇区号261435步骤6、通过扇区号与功率开关管之间的对应关系表，对发生开路故障的单管或多管进行准确定位。系统进入下一个系统三相电压基波周期。发生开路故障时，故障开关管、n值、扇区号以及对应的开关管目标状态如表2、表3所示。表2单管故障时故障开关管、n值、扇区号对应关系n值3,21,54,64,52,61,3扇区号1,62,34,54,36,52,1故障开关管s1s3s5s4s6s2表3多管故障时故障开关管、n值、扇区号对应关系n值扇区号故障开关管2,3,4,56,1,3,4s1,s41,2,5,62,3,5,6s3,s61,3,4,61,2,4,5s5,s21,2,3,56,1,2,3s1,s32,3,4,64,5,6,1s1,s51,4,5,62,3,4,5s3,s52,4,5,63,4,5,6s4,s61,3,4,51,2,3,4s4,s21,2,3,65,6,1,2s6,s22,3,65,6,1s1,s61,2,36,1,2s1,s21,4,52,3,4s3,s41,3,51,2,3s3,s24,5,63,4,5s5,s42,4,64,5,6s5,s6实施例1本实施例为体现本发明的动态性能以及稳定性，设置风速为变风速，如图5所示，并且对系统功率开关管运行状态做如下设置：0-1秒，6个功率开关管均正常工作；1-2秒，s1管发生单管开路故障；2-3秒，s1、s3管发生多管开路故障；3-4秒，s1、s3管恢复正常工作，s5管发生单管开路故障；4-5秒，所有功率开关管均恢复正常工作。具体如下：0-1秒：系统正常运行，n值的采集波形、经与阈值判断后异常的n值(即n*值，0表示无异常n值)、异常扇区号(0-6，0表示无异常扇区号)、以及故障定位如图6所示。从图中可以看出，当系统正常运行时，无较长n值波形出现，故n*值以及异常扇区号都为0，故障定位显示0，即无开路故障发生。1-2秒：s1开关管发生单管开路故障，n值的采集波形、经与阈值判断后异常的n值(即n*值，0表示无异常n值)、异常扇区号(0-6，0表示无异常扇区号)、以及故障定位如图7所示。从图中可以看出，当s1开关管发生开路故障时，n值采集波形较正常波形会出现一段较长的波形，这就是异常的n值，用n*值进行记录，分别为：2、3；对应的异常扇区号为：1、6；故障定位显示1，即诊断出s1管发生开路故障。2-3秒：s1管仍然处于开路故障状态，同时s3管发生开路故障，n值的采集波形、经与阈值判断后异常的n值(即n*值，0表示无异常n值)、异常扇区号(0-6，0表示无异常扇区号)、以及故障定位如图8所示。可以看出，异常n值增多，同时n*值变为：1、2、3、5；对应的异常扇区号为：1、2、3、6；故障定位显示13，即诊断出s1、s3管同时发生开路故障。3-4秒：s1、s3管恢复正常工作，s4管发生单管开路故障，n值的采集波形、经与阈值判断后异常的n值(即n*值，0表示无异常n值)、异常扇区号(0-6，0表示无异常扇区号)、以及故障定位如图9所示。可以看出，异常n值发生了改变，n*值变为：4、6；对应的异常扇区号为：4、5；故障定位显示5，即s5管发生开路故障。4-5秒：所有开关管均恢复正常工作，n值的采集波形、经与阈值判断后异常的n值(即n*值，0表示无异常n值)、异常扇区号(0-6，0表示无异常扇区号)、以及故障定位如图10所示。可以看出，无异常n值出现，n*值变为：0；对应的异常扇区号为：0；故障定位显示0，即所有开关管均恢复正常工作。从本实施例可以看出，本发明能够及时跟踪功率开关管的运行状态，动态性能较好，这样做的好处一方面可以在功率开关管修复后，不需要重启系统，就可以看出其是否正常工作；另一方面，可以判断出功率开关管是发生永久性开路故障，还是由门极信号缺失引起的间歇性开路故障，方便维修人员制定维修方案。当前第1页12