三相四线制三桥臂三电平SVG的IGBT开路故障定位方法

摘要

一种三相四线制三桥臂三电平SVG的IGBT开路故障定位方法，属于IGBT开路故障诊断方法。此诊断方法利用3D‑SVPWM的空间矢量图，通过分析开路故障状态下系统参考矢量在水平α‑β平面以及竖直0轴上的偏移变化来诊断开路故障具体发生在哪相桥臂的哪个IGBT；定位分为两步：首先利用开路故障时参考矢量在水平α‑β平面的等效偏移，并结合作用矢量轨迹偏移来锁定故障发生A相桥臂、B相桥臂还是C相桥臂，称为定相。然后，通过开路故障时作用矢量在竖直0轴上的偏移规律，并结合脉冲状态来定位故障桥臂的具体哪个IGBT发生开路故障，称为定位。优点：引入中线电流作为故障诊断的依据，对三相四线制系统适用性强；故障诊断方法适用于同拓扑结构的STATCOM、APF等的故障诊断。

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对SVG的IGBT开路故障诊断方法，特别是一种针对三相四线制三桥臂三电平SVG的IGBT开路故障定位方法。

背景技术

由于工业中非线性负载或部分感性负载的存在，产生了大量的无功功率缺口，导致功率因数降低，电能传输效率降低。为此，各种无功功率发生器被使用于就地无功补偿。无功补偿大致可以分为基于电容器的投切，基于同步电机补偿以及基于开关器件的SVG补偿。SVG补偿可以根据现场需要的无功大小进行同步补偿，不会出现欠补偿或者过补偿的现象，而且SVG补偿实时性好，跟踪快速，而且兼备防止电压降落的功能，因此在无功补偿方面是先进的。因此，SVG也成为了研究的热点。

SVG根据拓扑又可以分为链式H桥结构、两电平、三电平等等。不管哪种拓扑，都需要一定数量的IGBT作为功率开关元件。由于IGBT对大电流、过电压以及温度敏感，加上控制策略和保护策略的不完善，会出现损坏开路、短路的情况。短路故障常常导致直接停机，开路故障影响略小，但是如果不及时发现，可能会导致故障升级，同时也降低了系统补偿的效果。因此对于IGBT的开路故障检测是必要的。

研究针对IGBT的故障检测有很多，主要可以分为电流方法和电压方法。电流方法比如PARK矢量法、平均值法等等，电流方法一般需要1-2个工频周期的反应时间。电压方法一般通过硬件实现，快速性好，不过需要额外的硬件成本。

针对两电平的IGBT开路故障方法有很多，针对三电平的开路故障研究很少。特别是当需要进行零序电流补偿的时候，需要引入中线，即四线制系统。

因此，很多现有针对SVG的IGBT开路故障诊断方法在三相四线制系统中不再适用。

发明内容

本发明的目的是要提供一种针对三相四线制三桥臂三电平SVG的IGBT开路故障定位方法，解决现有针对SVG的IGBT开路故障诊断方法在三相四线制系统中不再适用的问题。

本发明的目的是这样实现的：

故障定位方法包括以下步骤：

步骤一、三相发生故障状态时，脉冲等效趋势：

获取SVG系统中SVPWM控制的参考给定矢量u_a、u_b、u_c，并根据坐标变换分解为u_α分量、u_β分量以及u₀分量；其中u₀代表零序分量；

定义脉冲状态为

定义V_X'_M为故障状态下X相桥臂输出点X对直流母线中点M的电位。当故障发生且对电位造成影响时，故障电位相当于其他正常脉冲的作用，其规律是当S_X1故障时，实际给定脉冲S_X＝2的故障效果相当于脉冲S_X＝1作用，等同作用脉冲S_X呈减少趋势(2->1)；当S_X2故障时，等同作用脉冲呈减少趋势(2->0,1->0)；当S_X3故障时，等同作用脉冲呈增加趋势(1->2,0->2)；当S_X4故障时，等同作用脉冲呈减少趋势(0->1)；

步骤二、判断发生开路故障相；具体步骤如下：

u_α分量、u_β分量合成在一起构成u_αβ，代表参考矢量在水平面上的投影；画出u_αβ的轨迹图；当系统正常时，SVG发出纯无功功率，其u_αβ的轨迹图呈现一个圆；当A、B、C三相中有开路故障发生时，u_αβ的轨迹将向A、B、C轴平行方向发生偏移；如果轨迹向A轴平行方向偏移，则A相发生开路故障；同理轨迹向其他两相坐标轴平行方向偏移，则对应相发生开路故障；偏移的方向可正可负；

步骤三、确定故障相中，具体是哪个IGBT发生了故障，具体步骤如下：

S_X有2,1,0三种状态，因此(S_A,S_B,S_C)共有27种状态，通过3/2变换得出27个矢量的坐标(u_α*，u_β*，u₀*)；3/2变换具体系数矩阵如下所示：

得到的矢量具有以下规律S_A+S_B+S_C-3＝u₀*，即脉冲的代数和减三代表着参考矢量在u₀轴上的投影，对应零序电流的作用能力；

在系统中，忽略导线电阻，L＝L_A＝L_B＝L_C时，在正常状态下，则有：

V_AM＝L_A·(di_A/dt)+e_A-L_N·di_N/dt

V_BM＝L_B·(di_B/dt)+e_B-L_N·di_N/dt

V_CM＝L_C·(di_C/dt)+e_C-L_N·di_N/dt

综合后得出V_AM+V_BM+V_CM＝-3L_N·di_N/dt；

由于V_XM在正常情况下是由脉冲决定的，即如果S_X＝2，则V_XM＝u_dc1；如果S_X＝1，则V_XM＝0；如果S_X＝0，则V_XM＝-udc2；综合可得：

V_XM＝S_A*(S_A-1)*u_dc1/2+(S_A-2)*(S_A-1)*(-u_dc2/2)；

假设u_dc1＝u_dc2，则V_XM＝1/4(S_X－1)

则1/4(S_A+S_B+S_C-3)＝V_AM+V_BM+V_CM＝-3L_N·di_N/dt；

当故障发生后，在u₀轴上等效矢量也会向u₀平行的方向发生单位偏移，通过此偏移来确定具体IGBT故障位置；定义u₀故障偏移矢量为：

Δv＝3L_N·di_N/dt+1/4(S_A+S_B+S_C-3)；

步骤四、根据计算结果Δv判断故障相的哪个IGBT发生故障，具体步骤如下：

设定两个阈值λ₁和λ₂，λ₁取0.1*(u_dc1+u_dc2)，λ₂取0.5*(u_dc1+u_dc2)；

(1)如果Δv为负，在故障发生在下桥臂的两个IGBT中；

接着判断如果|Δv|>λ₂，则第4个IGBT，即S_X4发生开路；

如果λ₁<|Δv|<λ₂，则第3个IGBT，即S_X3发生开路；

(2)如果Δv为正，在故障发生在上桥臂的两个IGBT中；

接着判断如果|Δv|>λ₂，则第1个IGBT，即S_X1发生开路；

如果λ₁<|Δv|<λ₂，则第2个IGBT，即S_X2发生开路；

三相桥臂的12个IGBT任何一个发生开路故障定位完成。

有益效果，由于采用了上述方案，该诊断方法利用3D-SVPWM的空间矢量图，通过分析开路故障状态下系统参考矢量在水平α-β平面以及竖直0轴上的偏移变化来诊断开路故障具体发生在哪相桥臂的哪个IGBT；定位分为两步：首先利用开路故障时参考矢量在水平α-β平面的等效偏移，并结合作用矢量轨迹偏移来锁定故障发生A相桥臂、B相桥臂还是C相桥臂，称为定相；然后，通过开路故障时作用矢量在竖直0轴上的偏移规律，并结合脉冲状态来定位故障桥臂的具体哪个IGBT发生开路故障，称为定位。

传统的IGBT开路故障诊断方法，都是以三线制系统为对象，并不适用于四线制系统。四线制系统比三线制系统多了一根中线，并具备零序电流补偿能力。四线制系统的IGBT开路故障诊断方法几乎没有研究文献涉及，因此本发明解决了三相四线制系统的故障诊断问题。

优点：1)引入了中线电流作为故障诊断的依据，对三相四线制系统适用性强；2)不需要增加硬件成本；3)故障诊断方法适用于同拓扑结构的STATCOM、APF等的故障诊断。

附图说明：

图1是本发明的故障诊断流程图。

图2a是本发明的参考矢量分解图的侧视图。

图2b是本发明的参考矢量分解图的俯视图。

图3是本发明的系统拓扑结构图。

图4是本发明的在uα-uβ平面下故障时等效矢量作用偏移图。

图5是本发明的uα-uβ平面下参考矢量轨迹判断图。

图6是本发明的空间矢量在uα-uβ-u0坐标系坐标图。

图7a是本发明的具体实施方案关于A相故障中S_A1定位的波形图。

图7b是本发明的具体实施方案关于A相故障中S_A2定位的波形图。

图7c是本发明的具体实施方案关于A相故障中S_A3定位的波形图。

图7d是本发明的具体实施方案关于A相故障中S_A4定位的波形图。

具体实施方式

为更好说明发明的实施方式，引入具体参数系统来进行论述。具体系统实例参数如下表3所示：

表3

本发明故障定位方法包括以下步骤：

步骤一、三相发生故障状态时，脉冲等效趋势：

获取SVG系统中SVPWM控制的参考给定矢量u_a、u_b、u_c，并根据坐标变换分解为u_α分量、u_β分量以及u₀分量；其中u₀代表零序分量；示意图如图2所示；

图3给出了本专利设计的三相四线三桥臂三电平SVG的系统结构图；

定义脉冲状态为

定义V_X'_M为故障状态下X相桥臂输出点X对直流母线中点M的电位，表1列出了所有可能的对电位造成的影响。

表1

通过观察上表可以看出，当故障发生且对电位造成影响时，故障电位相当于其他正常脉冲的作用，其规律是当S_X1故障时，实际给定脉冲S_X＝2的故障效果相当于脉冲S_X＝1作用，等同作用脉冲S_X呈减少趋势(2->1)；当S_X2故障时，等同作用脉冲呈减少趋势(2->0,1->0)；当S_X3故障时，等同作用脉冲呈增加趋势(1->2,0->2)；当S_X4故障时，等同作用脉冲呈减少趋势(0->1)；为了更形象的表达脉冲等效趋势，在下图4中更形象的说明了三相发生故障状态时，在α-β平面脉冲的等效作用趋势。

步骤二、判断发生开路故障相；具体步骤如下：

u_α分量、u_β分量合成在一起构成u_αβ，代表参考矢量在水平面上的投影，示意图如图4所示。画出u_αβ的轨迹图；当系统正常时，SVG发出纯无功功率，其u_αβ的轨迹图呈现一个圆；当A、B、C三相中有开路故障发生时，u_αβ的轨迹将向A、B、C轴平行方向发生偏移；如果轨迹向A轴平行方向偏移，则A相发生开路故障；同理轨迹向其他两相坐标轴平行方向偏移，则对应相发生开路故障；12个IGBT开路故障对应的轨迹判断示意图如图5所示，图中可以清楚的看出，当故障发生后，圆轨迹的一部分发生偏移，与偏移的方向>

步骤三、确定故障相中，具体是哪个IGBT发生了故障，具体步骤如下：

S_X有2,1,0三种状态，因此(S_A,S_B,S_C)共有27种状态，通过3/2变换得出27个矢量的坐标(u_α*，u_β*，u₀*)，如表2和图6所示。3/2变换具体系数矩阵如下所示：

表2

从上表2中看出的规律得到S_A+S_B+S_C-3＝u₀*；可见，脉冲的代数和减三代表着参考矢量在u₀轴上的投影，即零序电流的作用能力；

在系统图中，忽略导线电阻，L＝L_A＝L_B＝L_C时，在正常状态下，则有：

V_AM＝L_A·(di_A/dt)+e_A-L_N·di_N/dt

V_BM＝L_B·(di_B/dt)+e_B-L_N·di_N/dt

V_CM＝L_C·(di_C/dt)+e_C-L_N·di_N/dt

综合后上面式子可以得出V_AM+V_BM+V_CM＝-3L_N·di_N/dt；

由于V_XM在正常情况下是由脉冲决定的，即如果S_X＝2，则V_XM＝u_dc1；如果S_X＝1，则V_XM＝0；如果S_X＝0，则V_XM＝-udc2；综合可得：

V_XM＝S_A*(S_A-1)*u_dc1/2+(S_A-2)*(S_A-1)*(-u_dc2/2)；

假设u_dc1＝u_dc2，则V_XM＝1/4(S_X－1)

则1/4(S_A+S_B+S_C-3)＝V_AM+V_BM+V_CM＝-3L_N·di_N/dt；

当故障发生后，在u₀轴上等效矢量也会向u₀平行的方向发生单位偏移，因此可以通过此偏移来确定具体IGBT故障位置；定义u₀故障偏移矢量为：

Δv＝3L_N·di_N/dt+1/4(S_A+S_B+S_C-3)；

步骤四、根据计算结果Δv判断故障相的哪个IGBT发生故障，具体步骤如下：

设定两个阈值λ₁和λ₂，λ₁取0.1*(u_dc1+u_dc2)，λ₂取0.5*(u_dc1+u_dc2)；

(1)如果Δv为负，在故障发生在下桥臂的两个IGBT中；

接着判断如果|Δv|>λ₂，则第4个IGBT，即S_X4发生开路；

如果λ₁<|Δv|<λ₂，则第3个IGBT，即S_X3发生开路；

(2)如果Δv为正，在故障发生在上桥臂的两个IGBT中；

接着判断如果|Δv|>λ₂，则第1个IGBT，即S_X1发生开路；

如果λ₁<|Δv|<λ₂，则第2个IGBT，即S_X2发生开路；

三相桥臂的12个IGBT任何一个发生开路故障定位完成。

本发明中涉及的英文缩写和变量的符号解释：

SVG：静态无功发生器；

IGBT：绝缘栅双极型晶体管；

3D-SVPWM：三维空间矢量脉宽调制；

STATCOM：静止同步补偿器；

APF：有源电力滤波器；

u_a,u_b,u_c:SVG系统中SVPWM控制的参考给定矢量；

u_α,u_β,u₀:SVG系统中SVPWM控制的参考给定矢量经过3/2变换的结果；

u_α*,u_β*,u₀*:SVG系统中SVPWM控制的参考给定矢量在α-β-0坐标系下的坐标；L_A,L_B,L_C:SVG三相输出等效电抗；

i_A,i_B,i_C:SVG三相输出电流；

i_N:SVG中线电流；

e_A,e_B,e_C:电网三相电压；

S_X:脉冲状态，X可以取A,B,C；

V_XM:正常情况下，SVG拓扑中X点对M点电位，X可以取A,B,C；

V_X'_M:故障状态下，SVG拓扑中X点对M点电位，X可以取A,B,C；

v:u₀轴方向上的故障偏移矢量；

u_dc1,u_dc2:上直流母线电压值和下直流母线电压值；

λ₁:阈值设定，取0.1*(u_dc1+u_dc2)；

λ₂:阈值设定，取0.5*(u_dc1+u_dc2)；

S_X1，S_X2，S_X3，S_X4:X桥臂的从上至下的4个IGBT。