柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法

摘要

本发明公开了一种柔性直流输电系统送端换流器IGBT开路故障诊断方法，其步骤为：1、实时采集送端换流器输入端三相电流信号、三相电压信号，送端换流器直流侧直流电压信号以及IGBT开关管驱动信号；2、利用所采集的信号计算三相电压残差特征值；3、通过设置阈值和故障标志实现单桥臂IGBT开关管开路故障和双桥臂IGBT开关管开路故障的诊断。本发明能快速实现单桥臂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。

说明书

技术领域

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。

发明内容

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i_a、B相电流i_b与C相电流i_c；换流器直流侧的直流电压U_dc；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u_a、B相电压u_b、C相电压u_c。

B：三相电压残差特征值的计算

B1：对采集的i_a、i_b与i_c进行方向判断，当判断k相电流i_k为正方向，令k相电流方向指示信号δ_k＝1；当判断i_k为负方向，令δ_k＝0；其中k为a、b或c；k相电流流进送端换流器的方向为i_k的正方向；

B2：计算A相电压估计值u_a^*、B相电压估计值u_b^*与C相电压估计值u_c^*：

其中与分别为δ_a、δ_b与δ_c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Δu_a＝u_a^*-u_a、B相电压残差Δu_b＝u_b^*-u_b与C相电压残差Δu_c＝u_c^*-u_c；

B4：计算A相电压残差特征值Δu_as、B相电压残差特征值Δu_bs与C相电压残差特征值Δu_cs，具体计算公式如下：

C：IGBT开关管的开路故障诊断

C1：实时将Δu_as与阈值H进行比较，若在时间t内Δu_as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Δu_as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Δu_bs与阈值H进行比较，若在时间t内Δu_bs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Δu_bs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Δu_cs与阈值H进行比较，若在时间t内Δu_cs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Δu_cs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＝k_rel×1/3U_dc，其中k_rel为可靠系数，取为1.5，即阈值H＝0.5U_dc。

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i_a、B相电流i_b与C相电流i_c；换流器直流侧的直流电压U_dc；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u_a、B相电压u_b、C相电压u_c。

B：三相电压残差特征值的计算

B1：对采集的i_a、i_b与i_c进行方向判断，当判断k相电流i_k为正方向，令k相电流方向指示信号δ_k＝1；当判断i_k为负方向，令δ_k＝0；其中k为a、b或c；k相电流流进送端换流器的方向为i_k的正方向；

B2：计算A相电压估计值u_a^*、B相电压估计值u_b^*与C相电压估计值u_c^*：

其中与分别为δ_a、δ_b与δ_c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Δu_a＝u_a^*-u_a、B相电压残差Δu_b＝u_b^*-u_b与C相电压残差Δu_c＝u_c^*-u_c；

B4：计算A相电压残差特征值Δu_as、B相电压残差特征值Δu_bs与C相电压残差特征值Δu_cs，具体计算公式如下：

C：IGBT开关管的开路故障诊断

C1：实时将Δu_as与阈值H(阈值H＝0.5U_dc，下同)进行比较，若在2ms内Δu_as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Δu_as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Δu_bs与阈值H进行比较，若在2ms内Δu_bs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Δu_bs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Δu_cs与阈值H进行比较，若在2ms内Δu_cs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Δu_cs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Δu_as在2ms时间内第5次大于0.5U_dc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-0.5U_dc的情况与大于0.5U_dc的情况。当A相电压残差特征值在2ms时间内第5次小于-0.5U_dc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0.5U_dc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0.5U_dc的情况，C相电压残差特征值存在小于-0.5U_dc的情况。当A相电压残差特征值在2ms时间内第5次大于0.5U_dc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0.5U_dc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-0.5U_dc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。