一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法

本发明涉及电力电子，具体涉及一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法；

背景技术：

1、在各类并网变换器拓扑结构中，三电平拓扑是最为常用的结构；其中，混合型有源中点钳位变换器(hybrid active neutral point converter，hanpc)有效结合了si与sic器件各自优势，具备高性能、高效率、低成本等优点；然而，作为hanpc核心组成部分，半导体器件是设备中最为薄弱的部件，其常见的全控器件开路故障事件影响装置可靠运行与性能表现，需要特别关注；

2、目前，针对t型、npc型三电平变换器的全控器件开路故障诊断方法主要可分为三类。基于模型解析的诊断方法、基于信号处理的诊断方法与基于数据驱动的方法；基于模型解析的方法通过构建诊断变量(电压或电流)期望值与实际测量值的残差，对故障进行识别，但由于建模误差，参数扰动影响，其鲁棒性问题突出；基于信号处理的诊断方法直接利用信号处理技术提取信号的方差、幅值、频率等特征，建立故障特征库以标识故障器件，但较少关注系统动态输入，在未知输入干扰下容易误判；基于数据驱动的诊断方法采用数据挖掘技术并依附人工智能算法对大量的在线和离线数据分析与训练，通过分类器对故障进行辨识，然而该类方法计算复杂，不符合工程实际应用要求；此外，由于hanpc拓扑采用高频单元与低频单元混合调制运行，器件故障存在新的征兆，上述现有面向t型与npc型变换器同一开关频率调制的器件故障诊断方法难以直接套用；

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法，用以至少解决现有技术中全控器件开路故障诊断方法可靠性差、鲁棒性差以及适用性差的问题；

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案.

3、一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法，包括以下步骤：

4、s1.从hanpc控制器中获取故障诊断数据；

5、s2.根据所述故障诊断数据获取桥臂线电压残差；

6、s3.根据参数采样误差和死区时间估算电压残差计算误差；

7、s4.通过滑窗计数的方法识别电流极性状态；

8、s5.根据电流极性状态判断是否检测到零区域，若是，则启动故障特征异构策略，若否，则全控器件健康；

9、s6.基于故障特征异构策略下空间矢量调制脉冲冲量故障演化规律，结合所述电压残差计算误差，构建全控器件的故障电压残差的阈值检测区域；

10、s7. 根据所述桥臂线电压残差和故障电压残差阈值检测区域之间关系，所述电流状态数据个数与窗口长度之间关系，分别建立电压残差与电流极性状态诊断逻辑变量；

11、s8.根据所述诊断逻辑变量来定位具体故障全控器件。

12、优选的，s2中所述桥臂线电压残差的计算方法具体为：

13、 (1)

14、其中，为第个采样时刻相桥臂与相桥臂间线电压残差，其中为两相或两相或两相；为实际桥臂间线电压估计值，为hanpc并网线电压，为开关周期，为滤波电感，为相输出电流，为相输出电流；为桥臂间线电压期望值，为直流侧电压，为内相桥臂正电平时间占比或负电平时间占比，若内为正电平开关序列则取0，若为负电平开关序列则取1；为内相桥臂正电平时间占比或负电平时间占比，若内为正电平开关序列则取0，若为负电平开关序列则取1。

15、优选的，s3中所述电压残差计算误差的计算方法具体为：

16、          (2)

17、其中，为开关周期，为电感参数误差，为相输出电流，为相输出电流，为交流侧电压采样误差，为电流采样误差，为直流侧电压，为开关死区时间，为实际桥臂间线电压估计值与其线电压真实值之间的延迟角，为正弦函数的因变量。

18、优选的，s4中通过滑窗计数的方法识别电流极性状态的具体内容包括：

19、将前窗口长度和后窗口长度均设为；

20、若相电流，计为零电流状态；，计为正电流状态；，计为负电流状态，其中，为额定电流的倍,；

21、计初始前窗口内正电流状态数据个数为，零电流状态数据个数为，负电流状态数据个数；初始后窗口正、零与负电流状态数据个数分别记为与；

22、窗口滑动时，若前窗口首位置滑出一个电流数据，则在原电流状态计数对应的个数上减去1，若末位置进入一个电流数据，则在原电流状态计数对应的个数上加1。

23、优选的，s5的具体内容包括：

24、若检测到当前前窗口内零电流状态个数时，则启动所述故障特征异构策略，所述故障特征异构策略具体包括：

25、启动无功控制，设置无功参考电流值为，取值为逆变器额定电流的0.2~0.5倍，同时启动高低频切换策略，将原本用于低频调制的全控器件切换为高频调制，用于高频调制的全控器件切换为低频调制。

26、优选的，s6中所述故障电压残差阈值的检测区域包括：

27、     (3)

28、其中，为第一检测区域，为第二检测区域，为第三检测区域，为第四检测区域，和为7段式空间矢量调制基本矢量作用时间，为中点电位平衡因子，为所述电压残差计算误差。

29、优选的，s7中所述诊断逻辑变量包括电压残差诊断逻辑变量与电流极性状态诊断逻辑变量，具体为：

30、        (4)

31、            (5)

32、其中，为第一检测区域，为第二检测区域，为第三检测区域，为第四检测区域，为相桥臂与相桥臂间线电压残差，表示检测到相电流从故障零区域到负电流区域的跃迁状态，表示检测到相电流从故障零区域到正电流区域的跃迁状态，表示检测到相电流故障零区域，表示当前前窗口内正电流状态数据个数，表示当前前窗口内零电流状态数据个数，表示当前前窗口内负电流状态数据个数，同理，当前后窗口正、零与负电流状态分别记为与，表示逻辑与运算符。

33、优选的，s8中根据所述诊断逻辑变量来定位具体故障全控器件的具体内容包括：

34、

35、其中，为电压残差诊断逻辑变量，为电流极性状态诊断逻辑变量，为低频调制的全控硅基器件，为高频调制的全控碳化硅器件，为或三相中任意一相， =1，2，3，4，=1,2。

36、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法，具有以下有益效果：

37、（1）不需要额外的硬件电路，利用控制器既有电气信息，在较低成本下实现了并网hanpc故障全控器件的检测。

38、（2）所提方法有效结合了电压与电流故障特征，弥补单一信息源使用的局限性，提升了检测算法的鲁棒性，保障诊断结果的准确性。

39、（3）提出故障特征异构策略，相比较现有特定故障识别开关序列注入策略，所提方法对系统输出特性影响较小，不会造成过流的风险。

技术特征：

1.一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，s2中所述桥臂线电压残差的计算方法具体为：

3.根据权利要求1所述的一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，s3中所述电压残差计算误差的计算方法具体为：

4.根据权利要求1所述的一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，s4中通过滑窗计数的方法识别电流极性状态的具体内容包括：

5.根据权利要求1所述的一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，s5的具体内容包括：

6.根据权利要求1所述的一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，s6中所述故障电压残差阈值的检测区域包括：

7.根据权利要求1所述的一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，s7中所述诊断逻辑变量包括电压残差诊断逻辑变量与电流极性状态诊断逻辑变量，具体为：

8.根据权利要求1所述的一种并网hanpc全控器件开路故障诊断方法，其特征在于，s8中根据所述诊断逻辑变量来定位具体故障全控器件的具体内容包括：

技术总结
一种并网HANPC全控器件开路故障诊断方法，包括：从HANPC控制器中获取故障诊断数据；根据故障诊断数据获取桥臂线电压残差；根据参数采样误差和死区时间估算电压残差计算误差；通过滑窗计数法识别电流极性状态；根据电流极性状态判断是否检测到零区域，若是则启动故障特征异构策略，若否则全控器件健康；构建全控器件的故障电压残差的阈值检测区域；根据桥臂线电压残差与故障电压残差阈值检测区域之间关系，电流状态数据个数与窗口长度之间关系，分别建立电压残差与电流极性状态诊断逻辑变量；根据诊断逻辑变量来定位具体故障全控器件；本发明利用控制器既有电气信息，在较低成本下精准辨识并网HANPC故障全控器件。

技术研发人员：彭星,涂春鸣,肖凡,郭祺,蒋毅
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16