柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法与流程

本发明属于电力系统故障诊断领域，具体涉及一种柔性直流输电系统送端换流器igbt开路故障诊断方法。

背景技术：

较之传统的高压直流输电技术，以电压源换流器为核心部件的柔性直流输电技术，具有可实现有功无功独立控制、可向无源网络供电以及潮流反转方便可靠等优点，在大规模可再生能源并网、孤岛供电等领域具有广阔的应用前景。在柔性直流输电系统中，送端换流器将三相交流电转换为直流电，电能经过输电线路传输，受端换流器再将直流电进行逆变为三相交流电，电能送入受电端的交流系统。

送端换流器由于与送端电源连接，长期在高功率和强电磁干扰的环境下工作，其关键组成元件igbt开关管容易发生开路故障。igbt开路故障虽不会导致柔性直流系统立即崩溃停运，但将引起系统的电压或者电流失真，导致正常的igbt开关管或者柔性直流输电系统的其它设备过载，从而可能引发二次故障，严重时将可能导致柔性直流输电系统停运，影响电网的安全稳定运行。因此，有必要研究柔性直流输电系统送端换流器igbt开关管的开路故障诊断方法，以提高对柔性直流输电系统的运营维护效率，从而保障设备安全以及系统的可靠稳定运行。

技术实现要素：

为提高对柔性直流输电系统的运营维护效率，从而保障设备安全以及系统的可靠稳定运行。本发明提供一种柔性直流输电系统送端换流器igbt开路故障诊断方法。

本发明的技术方案具体为：

一种柔性直流输电系统送端换流器igbt开路故障诊断方法，步骤如下：

a：信号的实时采集

实时采集送端换流器信号数据，包括输入端的三相电流：a相电流ia、b相电流ib与c相电流ic；换流器直流侧的直流电压udc；换流器六个桥臂igbt开关管vt1～vt6的驱动信号s1～s6；换流器输入端与变压器二次侧中性点之间的三相电压：a相电压ua、b相电压ub、c相电压uc。

b：三相电压残差特征值的计算

b1：对采集的ia、ib与ic进行方向判断，当判断k相电流ik为正方向，令k相电流方向指示信号δk＝1；当判断ik为负方向，令δk＝0；其中k为a、b或c；k相电流流进送端换流器的方向为ik的正方向；

b2：计算a相电压估计值ua^*、b相电压估计值ub^*与c相电压估计值uc^*：

其中与分别为δa、δb与δc的逻辑非，与分别为s2、s4与s6的逻辑非；

b3：计算a相电压残差δua＝ua^*-ua、b相电压残差δub＝ub^*-ub与c相电压残差δuc＝uc^*-uc；

b4：计算a相电压残差特征值δuas、b相电压残差特征值δubs与c相电压残差特征值δucs，具体计算公式如下：

c：igbt开关管的开路故障诊断

c1：实时将δuas与阈值h进行比较，若在时间t内δuas存在5次大于h的情况，则令与a相相连的上桥臂igbt开关管vt1的故障标志f1＝1，否则令f1＝0，并判断vt1正常；若在时间t内δuas存在5次小于-h的情况，则令与a相相连的下桥臂igbt开关管vt2的故障标志f2＝1，否则令f2＝0，并判断vt2正常；

c2：实时将δubs与阈值h进行比较，若在时间t内δubs存在5次大于h的情况，则令与b相相连的上桥臂igbt开关管vt3的故障标志f3＝1，否则令f3＝0，并判断vt3正常；若在时间t内δubs存在5次小于-h的情况，则令与b相相连的下桥臂igbt开关管vt4的故障标志f4＝1，否则令f4＝0，并判断vt4正常；

c3：实时将δucs与阈值h进行比较，若在时间t内δucs存在5次大于h的情况，则令与c相相连的上桥臂igbt开关管vt5的故障标志f5＝1，否则令f5＝0，并判断vt5正常；若在时间t内δucs存在5次小于-h的情况，则令与c相相连的下桥臂igbt开关管vt6的故障标志f6＝1，否则令f6＝0，并判断vt6正常；

c4：判断故障标志为1的个数n<3是否成立，若是，则判断故障标志为1的桥臂igbt开关管发生开路故障，若否，则判断同为上桥臂或同为下桥臂且故障标志为1的桥臂igbt开关管发生开路故障。

进一步的，步骤a对信号的采集频率为20khz。

进一步的，步骤c中的阈值h＝krel×1/3udc，其中krel为可靠系数，取为1.5，即阈值h＝0.5udc。

进一步的，步骤c中的时间t为2ms。

本发明的有益技术效果为：

(1)本发明能够在柔性直流输电送端换流器的桥臂igbt开关管发生开路故障后，快速实现单桥臂igbt开关管开路故障和双桥臂igbt开关管开路故障的诊断，便于故障的快速有效处理。

(2)本发明通过实时测量的信号计算三相电压残差特征值，从而基于电压残差特征值实现igbt开关管的开路故障诊断，不受负载变化、闭环控制以及故障发生时刻的影响。

(3)本发明电压残差特征值在2ms时间内存在5次大于h或者小于-h的情况，才令相应桥臂的igbt开关管的故障标志为1，可以避免某一时刻的测量误差或干扰引起的误判。

附图说明

图1为本发明的故障诊断流程图；

图2为柔性直流输电系统送端换流器连接示意图；

图3为vt1开路故障的仿真结果；

图4为vt1与vt2开路故障的仿真结果；

图5为vt1与vt3开路故障的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和仿真实验对本发明作进一步详细说明。

一种柔性直流输电系统送端换流器igbt开路故障诊断方法，流程图如图1所示，其所在柔性直流输电系统送端换流器连接示意图如图2所示，步骤具体如下：

a：信号的实时采集

实时采集送端换流器信号数据。采集频率为20khz；采集的数据包括输入端的三相电流：a相电流ia、b相电流ib与c相电流ic；换流器直流侧的直流电压udc；换流器六个桥臂igbt开关管vt1～vt6的驱动信号s1～s6；换流器输入端与变压器二次侧中性点之间的三相电压：a相电压ua、b相电压ub、c相电压uc。

b：三相电压残差特征值的计算

b1：对采集的ia、ib与ic进行方向判断，当判断k相电流ik为正方向，令k相电流方向指示信号δk＝1；当判断ik为负方向，令δk＝0；其中k为a、b或c；k相电流流进送端换流器的方向为ik的正方向；

b2：计算a相电压估计值ua^*、b相电压估计值ub^*与c相电压估计值uc^*：

其中与分别为δa、δb与δc的逻辑非，与分别为s2、s4与s6的逻辑非；

b3：计算a相电压残差δua＝ua^*-ua、b相电压残差δub＝ub^*-ub与c相电压残差δuc＝uc^*-uc；

b4：计算a相电压残差特征值δuas、b相电压残差特征值δubs与c相电压残差特征值δucs，具体计算公式如下：

c：igbt开关管的开路故障诊断

c1：实时将δuas与阈值h(阈值h＝0.5udc，下同)进行比较，若在2ms内δuas存在5次大于h的情况，则令与a相相连的上桥臂igbt开关管vt1的故障标志f1＝1，否则令f1＝0，并判断vt1正常；若在2ms内δuas存在5次小于-h的情况，则令与a相相连的下桥臂igbt开关管vt2的故障标志f2＝1，否则令f2＝0，并判断vt2正常；

c2：实时将δubs与阈值h进行比较，若在2ms内δubs存在5次大于h的情况，则令与b相相连的上桥臂igbt开关管vt3的故障标志f3＝1，否则令f3＝0，并判断vt3正常；若在2ms内δubs存在5次小于-h的情况，则令与b相相连的下桥臂igbt开关管vt4的故障标志f4＝1，否则令f4＝0，并判断vt4正常；

c3：实时将δucs与阈值h进行比较，若在2ms内δucs存在5次大于h的情况，则令与c相相连的上桥臂igbt开关管vt5的故障标志f5＝1，否则令f5＝0，并判断vt5正常；若在2ms内δucs存在5次小于-h的情况，则令与c相相连的下桥臂igbt开关管vt6的故障标志f6＝1，否则令f6＝0，并判断vt6正常；

c4：判断故障标志为1的个数n<3是否成立，若是，则判断故障标志为1的桥臂igbt开关管发生开路故障，若否，则判断同为上桥臂或同为下桥臂且故障标志为1的桥臂igbt开关管发生开路故障。

仿真实验：

本实施例中，分别对上桥臂igbt开关管开路故障、同相上下桥臂igbt开关管开路故障和两上桥臂igbt开关管开路故障进行了仿真验证。仿真结果分别如图3、图4和图5所示。

图3中(a)部分为与a相连接的上桥臂igbt开关管vt1开路故障下的三相电压残差特征值；图3中(b)部分为vt1～vt6的故障标志情况。由图3可知，vt1在1s时刻发生开路故障后，当a相电压残差特征值δuas在2ms时间内第5次大于0.5udc后，vt1的故障标志变为1。由于此情况下故障标志为1的个数n＝1，即n小于3，故本发明判断故障标志为1的vt1发生开路故障。

图4中(a)部分为与a相连接的上桥臂igbt开关管vt1和下桥臂igbt开关管vt2开路故障下的三相电压残差特征值；图4中(b)部分为vt1～vt6的故障标志信号。由图4可知，vt1与vt2在1s时刻发生开路故障后，a相电压残差特征值存在小于-0.5udc的情况与大于0.5udc的情况。当a相电压残差特征值在2ms时间内第5次小于-0.5udc后，vt2的故障标志变为1；当a相电压残差特征值在2ms时间内第5次大于阈值0.5udc情况后，vt1的故障标志由0变为1，由于此情况下故障标志为1的个数n＝2，即n小于3，故本发明判断故障标志为1的vt1与vt2发生开路故障。

图5中(a)部分为与a相连接的上桥臂igbt开关管vt1以及与b相上桥臂连接的上桥臂igbt开关管vt3开路故障下的三相电压残差特征值；图5中(b)部分为vt1～vt6的故障标志情况。由图5可知，a相与b相的电压残差特征值均存在大于0.5udc的情况，c相电压残差特征值存在小于-0.5udc的情况。当a相电压残差特征值在2ms时间内第5次大于0.5udc后，vt1的故障标志变为1；当b相电压残差特征值在2ms时间内第5次大于0.5udc后，vt3的故障标志变为1；当c相电压残差特征值在2ms时间内第5次小于-0.5udc后，vt6的故障标志变为1；此情况下，由于故障标志为1的个数n＝3，则本发明判断同为上桥臂的故障标志为1的vt1与vt3发生开路故障。