适用于载波移相调制级联全桥NPC逆变器的并行开路故障诊断方法

本发明涉及电力系统的柔性直流输电领域，特别是一种适用于载波移相调制级联全桥npc逆变器的并行开路故障诊断方法。

背景技术：

1、相比于传统两电平和三电平逆变器，级联多电平逆变器产生的阶跃电压(du/dt)和阶跃电流(di/dt)更低，具有结构模块化、输出波形质量高、器件开关频率低等优点。在众多的级联多电平逆变器电路拓扑中，级联全桥npc型多电平逆变器使用的隔离直流电源数目更少，且单个子模块可产生的输出电平数更多，因而被广泛应用于数字功率放大、光伏发电、有源整流和电机驱动等领域。近些年来成为国内外专家和学者的研究热点，并有了部分工程应用。

2、然而，作为一种电力电子变换器，级联全桥npc逆变器的可靠性仍然受到电力电子器件可靠性的制约。有调查显示，38％的电力电子变换器故障是由半导体器件的故障引起的。电力电子器件故障可分为短路故障和开路故障两类。其中，短路故障具有直接破坏性，可在短时间内造成变换器的永久性损坏，因而工程上一般通过带硬件检测与保护电路的驱动器处理短路故障。开路故障不具有直接破坏性，但是会间接地引起过电压、过电流、波形畸变等问题，严重时可能引发二次故障，导致连锁反应。开路故障一般通过软件方法实现诊断，但由于级联逆变器使用的电力电子器件数量庞大，因而其开路故障的检测与定位也较为复杂。

3、在实际工程中，载波移相调制可使不同子模块以相同的低开关频率在交流输出端合成较高的等效开关频率并提高输出波形质量，因而被广泛应用于级联多电平变换器。

4、目前迫切需要一种针对采用载波移相调制级联全桥npc逆变器的并行开路故障诊断方法，以实现对不同子模块内的多个开路故障器件的同时诊断。

技术实现思路

1、本发明为了解决由于级联逆变器使用的电力电子器件数量庞大，因而其开路故障的检测与定位也较为复杂的问题，提供了一种适用于载波移相调制级联全桥npc逆变器的并行开路故障诊断方法。

2、本发明是通过如下技术方案来实现的：种适用于载波移相调制级联全桥npc逆变器的并行开路故障诊断方法，所述并行开路故障诊断方法应用于以下电路拓扑结构，如图1所示，载波移相调制级联全桥npc逆变器的输出电压为vab，输出电流为io，io设有正方向；负载电阻为ro，负载电感为lo；载波移相调制级联全桥npc逆变器由n个完全相同的子模块串联构成，每个子模块的拓扑结构均为全桥npc逆变器；每个子模块直流侧电源电压为vdc，两个等值电容ci1和ci2串联分压得到vdc/2和-vdc/2两个电平；每个子模块由左、右两个桥臂构成，每个桥臂包含4个带反并联二极管的igbt和2个钳位二极管，均可输出+1、0和-1三个输出电平；左、右桥臂差分输出后每个子模块交流侧可输出-2，-1，0，+1，+2五个电平，则n个子模块级联后可输出-2n，-2n+1，…，0，…，2n-1，2n的4n+1个电平；igbt的驱动信号用sxij表示，其中x∈{a,b}表示子模块桥臂，x＝a代表左桥臂，x＝b代表右桥臂；i∈{1,2,…,n}表示子模块编号，而j∈{1,2,3,4}表示单个子模块同一桥臂内的igbt编号；正常运行时，sai1和sai3互补，sai2和sai4互补；同时，sbi1，sbi2，sbi3和sbi4也满足此约束条件；uc1i和uc2i分别表示ci1和ci2的电压。

3、所述载波移相调制级联全桥npc逆变器的n个子模块均采用单极性调制方法，ma和mb分别表示左、右桥臂的调制波，ca1和ca2表示左桥臂的载波，cb1和cb2表示右桥臂的载波，载波频率用fc表示；若ma大于ca1，则sai1开通，若mb大于cb1，则sbi1开通，否则均关断；若ma小于ca2，则sai4开通，若mb小于cb2，则sbi4开通，否则均关断；ma与mb大小相同，极性相反，cb1相位滞后ca1相位π，cb2相位滞后ca2相位π；这样，左、右桥臂均能够产生极性相反、相位互补、频率为fc的单极性三电平spwm波，左、右桥臂交流端差分输出后可得等效频率为2fc、五电平的spwm波；n个子模块级联时，第一个至第n个子模块左桥臂载波的初始相位依次设置为0，π/n，…，(n-1)π/n，右桥臂载波初始相位依次设置为π，(n+1)π/n，…，2π。因此，n个子模块的输出叠加后可将输出电压的等效开关频率提高为2nfc，这将显著提升输出电流的波形质量。

4、子模块i的电容电压平衡控制器如图3所示。为了实现电容电压平衡，在载波最低点采集子模块i内两电容电压uc1i、uc2i，并按式(1)计算电压偏差δuci。考虑电流方向及电压偏差极性求得共模调制分量δmi如式(2)所示，其中kp为均压控制的比例系数。基于δmi将左桥臂调制波微调为mai＝ma+sgn(ma)δmi，右桥臂调制波微调为mbi＝mb-sgn(mb)δmi，这样可对δuci形成负反馈，随着时间的推移，δuci将趋近于0。

5、δmi＝kpioδuci    (2)

6、一、在正常工况下电容电压变化规律如下：

7、由于载波移相调制级联全桥npc逆变器由左、右两个桥臂并联构成，则子模块i可等效为图4(a)和图4(b)的叠加，因而正常运行工况下的电容电压变化也由左、右桥臂电流共同作用引起，可分别分析。

8、假设子模块载波周期用tc表示，死区时间为ddtc，dd>0，以下根据电流方向分类讨论。

9、(1)电流正方向

10、调制波为正(mai>0)：输出+1电平的时间为(mai-dd)tc，电流路径包括sai1和sai2两个igbt，如图5(a)所示，此时ci1放电，则uci1减小，而uci2增大。输出0电平的时间为(1-mai+dd)tc，电流路径包括sai2一个igbt，如图5(b)所示，此时ci1和ci2未进行充放电，则uci1和uci2保持不变。

11、调制波为负(mai<0)：输出-1电平的时间为-(mai+dd)tc，电流路径不包括igbt，如图6(a)所示，此时ci2充电，则uci2增大，而uci1减小。输出0电平的时间为(1+mai+dd)tc，电流路径包括sai2一个igbt，如图5(b)所示，ci1和ci2未进行充放电，uci1和uci2保持不变。

12、(2)电流负方向

13、调制波为正：输出+1电平的时间为(mai-dd)tc，电流路径不包括igbt，如图6(a)所示，此时ci1充电，则uci1增大，而uci2减小。输出0电平的时间为(1-mai+dd)tc，电流路径包括sai3一个igbt，如图6(b)所示，ci1和ci2未进行充放电，则uci1和uci2保持不变。

14、调制波为负：输出-1电平的时间为-(mai+dd)tc，电流路径包括sai3和sai4两个igbt，如图7(a)所示，ci2放电，uci2减小，uci1增大。输出0电平的时间为(1+mai+dd)tc，电流路径包括sai3一个igbt，如图7(b)所示，ci1和ci2未进行充放电，uci1和uci2保持不变。

15、总结可得，在第k个载波周期内，由左桥臂电流作用引起的子模块i电容电压偏差变化量可由式(3)计算，

16、

17、其中，死区实现方式按上升沿延时计算。

18、右桥臂电流的作用为：采用与上述方法相同的方法分析可得，在第k个载波周期内，由右桥臂电流作用引起的子模块i电容电压偏差变化量可由式(4)计算：

19、

20、电容电压变化规律：在第k个载波周期内，由左、右桥臂电流共同作用引起的电容电压偏差变化量可由叠加定理求得，如式(5)所示。

21、

22、根据式(5)可知，在正常工况下，基于式(2)计算δmi，并对|mai|和|mbi|的大小进行微调，在电流正方向时令δuci与(|mbi|-|mai|)符号相反，在电流负方向时令δuci与(|mbi|-|mai|)符号相同，从而可使δuci向其相反方向变化，并最终在0v上、下波动，uci1和uci2是收敛的。

23、二、在开路故障工况下电容电压变化规律如下：

24、开路故障会导致故障器件所在桥臂电流路径发生变化，这将对正常的子模块电容电压平衡控制造成影响。在电流正方向仅sai1、sai2、sbi3、sbi4被使用，在电流负方向仅sai3、sai4、sbi1、sbi2被使用，以下分别分析各器件开路故障工况下电容电压的异常变化规律。

25、1)电流正方向

26、①sai1开路

27、sai1仅在调制波为正时才被使用，开路后会导致直流侧p极无法与交流输出端a连通，当左桥臂被要求输出+1电平时，实际输出0电平，电流路径如图5(b)所示。因此，sai1开路故障时，左桥臂电流维持δuci不变，右桥臂电流使δuci增大，叠加后的变化量计算由式(5)变为式(6)，δuci将单调增大，uci1和uci2发散并最终导致uci1>uci2。

28、

29、②sai2开路

30、sai2在调制波为正和负时均可被使用，开路后同样会导致直流侧p极无法与交流输出端a连通，当左桥臂被输出+1或0电平时，左桥臂实际输出-1电平，电流路径如图6(a)所示。因此，sai2开路故障时，左桥臂电流仍然使δuci减小，右桥臂电流仍然使δuci增大，叠加后的变化量计算由式(5)变为式(7)。但由于|mbi|≤1，δuci将单调减小，uci1和uci2发散并最终导致uci1<uci2。

31、

32、③sbi3开路

33、sbi3在调制波为正和负时均可被使用，开路后会导致直流侧n极无法与交流输出端b连通，当右桥臂被要求输出-1或0电平时，实际输出+1电平。因此，sbi3开路故障时，左桥臂电流仍然使δuci减小，右桥臂电流仍然使δuci增大，叠加后的变化量计算由式(5)变为式(8)。但由于|mai|≤1，δuci将单调增大，uci1和uci2发散并最终导致uci1>uci2。

34、

35、④sbi4开路

36、sbi4仅在右桥臂调制波为负时被使用，sbi4开路后会导致直流侧n极无法与交流输出端b连通，当右桥臂被要求输出-1电平时，实际输出0电平。因此，sbi4开路故障时，左桥臂电流导致δuci减小，右桥臂电流维持δuci不变，叠加后的变化量计算由式(5)变为式(9)，δuci将单调减小，uci1和uci2发散并最终导致uci1<uci2。

37、

38、2)电流负方向

39、①sai3开路

40、sai3开路故障使δuci(k)的计算由式(5)变为式(7)，δuci将单调增大，uci1和uci2发散并最终导致uci1>uci2。

41、②sai4开路

42、sai4开路故障使δuci(k)的计算由式(5)变为式(6)，δuci将单调减小，uci1和uci2发散并最终导致uci1<uci2。

43、③sbi1开路

44、sbi1开路故障使δuci(k)的计算由式(5)变为式(9)，δuci将单调增大，uci1和uci2发散并最终导致uci1>uci2。

45、④sbi2开路

46、sbi2开路故障使δuci(k)的计算由式(5)变为式(8)，δuci将单调减小，uci1和uci2发散并最终导致uci1<uci2。

47、根据上述分析，igbt开路故障将造成故障器件所在子模块内两电容电压偏差的异常变化，不同的开路故障也将造成不同的异常变化，具体对应关系如表1所示。本发明根据表1所述的对应关系，设计开发了一种适用于载波移相调制级联全桥npc逆变器的并行开路故障诊断方法，适用于上述载波移相调制级联全桥npc逆变器，具体包括如下步骤：

48、

49、s1：判断输出电流io的方向，若io(k)<-ith和io(k-1)<-ith同时成立，则判断电流方向为负；若io(k)>ith和io(k-1)>ith同时成立，则判断电流方向为正；io(k)和io(k-1)表示输出电流io当前开关周期和前一个开关周期的采样值，ith表示电流判断门槛值，选择为系统额定电流的1％或2％；

50、s2：判断子模块i电容电压偏差极性，i＝1，2，……，n，表示子模块编号，n表示总级联子模块数；若δuci(k)>δucth2成立，则判定子模块i电容电压偏差极性为正；若δuci(k)<-δucth2成立，则判定子模块i电容电压偏差极性为负；δuci(k)表示当前开关周期子模块i内两电容电压偏差，按式(1)计算，其中uci1(k)表示当前开关周期子模块i内直流侧上电容电压的采样值，uci2(k)表示当前开关周期子模块i内直流侧下电容电压的采样值；δucth2表示器件开路检测的电容电压偏差门槛值，可设置为正常运行阶段允许存在的电容电压平衡控制误差的2倍；

51、δuci(k)＝uci1(k)-uci2(k)    (1)

52、s3：故障检测计数：对每个子模块均设置四个计数变量m1、m2、m3和m4，其中m1用于统计在电流正方向子模块i内两电容电压偏差δuci(k)大于δucth2的次数，m2用于统计在电流正方向δuci(k)小于-δucth2的次数，m3用于统计在电流负方向δuci(k)大于δucth2的次数，m4用于统计在电流负方向δuci(k)小于-δucth2的次数；

53、s4：故障检测判断：当且仅当第i个子模块的四个计数变量m1、m2、m3和m4中的任意一个增大至3时，判定子模块i内存在器件开路故障，完成故障检测；

54、s5：调制波方向判断；mai(k)>mth和mbi(k)<-mth同时成立，则判定调制波方向为正；若mai(k)<-mth和mbi(k)>mth同时成立，则判定调制波方向为负；mai(k)和mbi(k)分别表示当前开关周期第i个子模块左、右桥臂的调制波瞬时值与载波幅值之比；mth表示调制方向限制门槛，选为死区占空比的2倍；

55、s6：选择故障定位程序：若m1增大至3，且调制波方向为正，则执行步骤s7；若m1增大至3，且调制波方向为负，则执行步骤s8；若m2增大至3，且调制波方向为正，则执行步骤s9；若m1增大至3，且调制波方向为负，则执行步骤s10；若m3增大至3，且调制波方向为正，则执行步骤s11；若m3增大至3，且调制波方向为负，则执行步骤s12；若m4增大至3，且调制波方向为正，则执行步骤s13；若m4增大至3，且调制波方向为负，则执行步骤s14；

56、s7：包括a1、b1、c1三步：

57、a1：连续三个开关周期依次按照式(6)、(8)、(13)计算得到和三个变量；

58、

59、

60、

61、其中，uci1(0)和uci2(0)分别表示变换器上电后、加载前子模块i内电容上侧电容ci1和下侧ci2的电压，c表示ci1和ci2的额定参数；uci1(k)和uci1(k-1)表示当前和前一个开关周期电容ci1的电压采样值，uci2(k)和uci2(k-1)表示当前和前一个开关周期电容ci2的电压采样值；

62、b1：根据式(14)计算连续三个开关周期与的绝对误差之和ηx；根据式(15)计算连续三个开关周期和的绝对误差之和ηy；

63、

64、

65、c1：判断故障器件：若ηx<ηy，则故障器件为si1；反之，故障器件为si7；

66、s8：包括a2、b2、c2三步：

67、a2：连续三个开关周期依次按照式(5)、(8)、(13)计算得到和三个变量；

68、

69、

70、

71、b2：根据式(14)计算连续三个开关周期与的绝对误差之和ηx；根据式(15)计算连续三个开关周期和的绝对误差之和ηy；

72、

73、

74、c2：判断故障器件；若ηx<ηy，则故障器件为si1；反之，故障器件为si7；

75、s9：包括a3、b3、c3三步：

76、a3：连续三个开关周期依次按照式(7)、(9)、(13)计算得到和三个变量；

77、

78、

79、

80、b3：根据式(14)计算连续三个开关周期与的绝对误差之和ηx；根据式(15)计算连续三个开关周期和的绝对误差之和ηy；

81、

82、

83、c3：判断故障器件；若ηx<ηy，则故障器件为si2；反之，故障器件为si8；

84、s10：包括a4、b4、c4三步：

85、a4：连续三个开关周期依次按照式(7)、(5)、(13)计算得到和三个变量；

86、

87、

88、

89、b4：根据式(14)计算连续三个开关周期与的绝对误差之和ηx；根据式(15)计算连续三个开关周期和的绝对误差之和ηy；

90、

91、

92、c4：判断故障器件：若ηx<ηy，则故障器件为si2；反之，故障器件为si8；

93、s11：包括a5、b5、c5三步：

94、a5：连续三个开关周期依次按照式(7)、(5)、(13)计算得到和三个变量；

95、

96、

97、

98、b5：根据式(14)计算连续三个开关周期与的绝对误差之和ηx；根据式(15)计算连续三个开关周期和的绝对误差之和ηy；

99、

100、

101、c5：判断故障器件：若ηx<ηy，则故障器件为si3；反之，故障器件为si5；

102、s12：包括a6、b6、c6三步：

103、a6：连续三个开关周期依次按照式(7)、(9)、(13)计算得到和三个变量；

104、

105、

106、

107、b6：根据式(14)计算连续三个开关周期与的绝对误差之和ηx；根据式(15)计算连续三个开关周期和的绝对误差之和ηy；

108、

109、

110、c6：判断故障器件；若ηx<ηy，则故障器件为si3；反之，故障器件为si5；

111、s13：包括a7、b7、c7三步：

112、a7：连续三个开关周期依次按照式(5)、(8)、(13)计算得到和三个变量；

113、

114、

115、

116、b7：根据式(14)计算连续三个开关周期与的绝对误差之和ηx；根据式(15)计算连续三个开关周期和的绝对误差之和ηy；

117、

118、

119、c7：判断故障器件：若ηx<ηy，则故障器件为si4；反之，故障器件为si6；

120、s14：包括a8、b8、c8三步：

121、a8：连续三个开关周期依次按照式(6)、(8)、(13)计算得到和三个变量；

122、

123、

124、

125、b8：根据式(14)计算连续三个开关周期与的绝对误差之和ηx；根据式(15)计算连续三个开关周期和的绝对误差之和ηy；

126、

127、

128、c8：判断故障器件；若ηx<ηy，则故障器件为si4；反之，故障器件为si6。

129、与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种适用于载波移相调制级联全桥npc逆变器的并行开路故障诊断方法，可同时定位不同子模块内的多个开路故障器件，其计算量与定位时间随子模块数的增加维持不变，易被扩展至包含任意子模块数级联逆变器。