基于閾值的混合電網開關故障診斷方法

肖徐兵， 徐瑋, 程煒,2,3, 張凌翔,2,3， 司云強,2,3

(1.南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院)， 江蘇,南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇，南京 211106；3.智能電網保護和運行控制國家重點實驗室， 江蘇，南京 211106)

0 引言

在電網中，為了增加可再生能源發電量和直流負荷，學者對混合電網系統進行了大量研究[1-3],該系統同時運行交流和直流電網以補償不規則的可再生能源發電率。在這種混合電網系統中，互聯變流器連接交流和直流電網[4],影響互聯變流器性能的最重要因素是其恢復能力:即使在互聯變流器發生故障的情況下，仍能保持電網系統間的穩定供電。根據調查結果，電力電子設備中功率半導體故障率占比很大[5],因此在電力電子系統中，開關故障診斷對獲得良好的恢復能力具有重要意義[6-8]。為了檢測開關故障很多作者進行了大量的研究[9-10]，并根據極電壓和相電流對檢測方法進行了分類。換流器極電壓法的缺點是使用電壓傳感器，而電壓傳感器在并網換流器中通常不用于檢測極電壓。另外，在以往采用相電流法的情況下，故障閾值的確定很少有人研究。因此，本文提出了一種無需附加傳感器的快速開關故障診斷的閾值點計算方法。為了提高故障診斷的性能，對相電流和電流紋波進行了理論分析，確定了閾值點。

1 并網交直流變換器系統早期故障診斷的局限性

對于優越的彈性系統，采用圖1所示的系統以降低成本并防止輸出功率降低,如果檢測到開關故障，則具有故障開關的支路停止，并且冗余支路通電以獲得系統彈性。圖2顯示了開關故障前后的相電流和等效電路,如果變頻器的高壓側開關發生故障，則負極側的相電流不受控制。當開關發生故障時，故障支路上的相電流斜率由式(1)得出;開關故障后，相電流減小，直至接近零。

(1)

圖1 混合電網系統帶冗余支路的AC-DC變換器框圖

圖2 開關故障狀態下的相電流波形及等效電路

先前的開關故障診斷方法通過圖3所示方法操作。當變流器正常運行時，由于平均相電流為零，式(2)計算出的故障幅值為零;開關故障時，平均相電流不為零。因此，故障幅值表示用于故障診斷的具體值，比較閾值。在檢測到開關故障后，利用ids和iqs的平均電流值和式(3)計算出的故障角來確定具體的故障開關。此故障角根據平均電流差、每個故障開關和負載條件的變化而變化。其中S=1可以看成Sa.high開,如果S=0時,可以看成Sa.low或者Da.low關。

圖3 以往的開關故障診斷方法

(2)

(3)

在以往的故障診斷方法中，由于相電流的周期性隨電網頻率的變化而變化，難以用于故障診斷，故采用平均相電流進行故障診斷。平均電流需要很長時間才能獲得，但低閾值時負載變化敏感，故障檢測速度快。圖4顯示了通常使用的高閾值點的情況。在這種情況下，由于故障幅值超過開關故障檢測的高閾值點，因此延長了獲得一個以上周期的平均電流的開關診斷時間。在降低閾值點以減少診斷時間的情況下，如圖5所示，故障檢測方法在非故障條件下也能靈敏地作出反應。因此，閾值點在開關故障診斷方法中的作用極為重要。

圖4 系統以往故障診斷的仿真波形Sa.high閾值為2.2的故障條件

圖5 系統以往故障診斷的仿真波形Sa.high閾值為1的故障條件

2 一種新的開關故障診斷方法

實現魯棒故障診斷方法需要利用瞬時相電流和計算出的理論閾值基本上不需要平均電流。為了確定開關故障診斷，需要計算瞬時電流的閾值點，它可以從理論上的交直流變換器參數中導出，并且該參數與負載無關。在交直流變換器參數中，由于電流紋波的確定不依賴于負載的變化，因此適合于并網變換器的閾值計算。

在并網AC-DC變換器中，電流紋波由逆變器極電壓的諧波根據調制指數(ma)和為滿足標準5%THD而設計的濾波器決定。在并網系統中，ma主要由直流連接電壓和電網電壓決定，而紋波電流是恒定的，因為ma是不變的，這取決于負載的變化。

通過分析開關故障狀態下的相電流特性，可以確定閾值點，識別開關故障和開關正常狀態。圖6顯示了開關故障前后PWM轉換器上的相電流。在圖6中，開關故障由Ψ(電流頻帶)和τ(頻帶中的持續時間)確定。在正常開關條件下，Ψ(tΨ)范圍內的電流保持在τ以下,然而在開關故障條件下，電流保持在Ψ的時間超過τ。

(a) 故障前

(b) 故障發生圖6 開關故障前后PWM轉換器上的相電流

利用這些參數診斷開關故障，需要知道Ψ和τ的數學定義。Ψ的數學定義可由滿足THD標準的5%電流紋波值確定，如圖7所示，Ψ被確定為最大電流的0.05倍。τ由式(4)確定，即由電流紋波和基波之間的關系確定。相電流由參考電流和紋波電流之和構成。根據負載條件，+波段的瞬時相電流由式(5)得出。Γ按THD標準0.05確定。τ是通過式(6)電流參考方程獲得的，因為在并網系統中紋波電流是恒定的。

(a)

(b)圖7 電流帶隨負載條件的參數確定

(4)

(5)

(6)

利用上述方法實現了圖8所示的開關故障診斷方法。在該方法中，當每相電流在ψ以內時開始計數。每相電流保持在ψ以內所需的時間tψ用于故障診斷。如果相電流超過ψ，則重置計數。開始計數時，如果A相的tψ超過τ，則A相被檢測為故障。否則，當tψ小于τ時，A相看成正常。

圖8 開關故障診斷方法

3 實驗結果

為了驗證所提出的開關故障診斷方法，使用圖9所示的3-kW原型進行實驗。實驗使用表1中的參數進行，控制器用中斷周期為100 μs的系統控制。圖10(a)是以往輕載情況下的故障診斷波形。示波器通道1代表開關故障信號，通道2代表檢測信號。用上述方法診斷開關故障的時間超過16.6 ms，在提出的方法中4 ms內檢測到開關故障，如圖10(b)所示。如圖11所示，該結果在滿載條件下同樣呈現。該方法可以實現比原方法高0.25倍的快速故障診斷。

表1 3-kW交直流變換器系統參數

圖9 并網交直流變換器3-kW實驗臺

(a) 3 kW的以前方法

(b) 3 kW時的提出方法圖10 開關故障診斷方法的實驗結果

(a) 3 kW的以前方法

(b) 3 kW時的提出方法圖11 開關故障診斷方法的實驗結果

4 總結

為提高診斷速度，提出了混合電網互聯變流器的開關故障診斷方法。通過對瞬時相電流的理論分析，計算了提高故障診斷率的重要因素——閾值。利用計算出的閾值，將故障診斷時間縮短到4 ms以內，并通過實驗驗證了該方法的有效性。