一种非隔离四桥臂潮流转供装置开关管开路故障诊断方法

本发明属于低压配电网柔性互联、电力电子变换器状态监测及故障诊断，具体涉及一种非隔离四桥臂潮流转供装置开关管开路故障诊断方法。

背景技术：

1、随着分布式光伏、电动汽车充电负荷以及多类型柔性负荷在低压配电网中的接入比例不断提高，传统低压台区逐渐面临潮流双向流动、电压越限、三相不平衡、局部过载以及供电可靠性下降等问题。为提升低压配电网运行灵活性和相邻台区之间的功率互济能力，柔性潮流转供装置逐渐被应用于低压台区互联场景。该类装置通过电力电子变换器实现不同台区之间的功率柔性调节，可在台区过载、分布式电源出力波动或局部故障情况下实现能量转供和负载支撑。

2、非隔离四桥臂潮流转供装置通常由整流侧三相四桥臂变流器、直流母线单元和逆变侧三相四桥臂变流器构成。与隔离型方案相比，非隔离结构省去了工频隔离变压器，具有体积小、效率高、成本低和工程部署灵活等优点。同时，三相四桥臂拓扑中的n相桥臂能够为三相四线制低压系统提供零序电流通道，适合于不平衡负载供电、并网功率转供以及离网运行等复杂工况。

3、然而，非隔离四桥臂潮流转供装置在实际运行过程中，受功率器件老化、热应力冲击、驱动异常、复杂负载扰动及运行环境变化等因素影响，其内部开关管可能发生开路故障。当开关管发生开路故障后，故障桥臂会失去对应开关状态下的主动导通能力，使该桥臂无法正常输出目标电位，进而导致交流侧电压畸变、并网电流异常、负载侧电压失衡、直流母线电压波动以及中性点调节能力下降。若故障未被及时检测和定位，可能进一步引起系统保护动作、装置停机甚至影响相邻台区供电可靠性。

4、现有开关管开路故障诊断方法通常基于电流平均值、输出电压畸变、功率波动或过流保护等外部特征量进行判断。该类方法虽然结构简单，但对于三相四桥臂非隔离潮流转供装置而言，受并网与离网模式切换、不平衡负载、正负零序分量耦合以及n相桥臂调节作用影响，单一外部特征量难以准确区分a、b、c相桥臂故障与n相桥臂故障，也难以可靠识别上管、下管及多管开路等故障类型。

5、同时，非隔离四桥臂潮流转供装置通常采用三维空间矢量脉宽调制。开关管开路故障发生后，故障器件对应的基本电压矢量会发生空间偏移，使三维空间矢量调制下的参考调制波出现可观测的直流分量偏移及变化率异常。

技术实现思路

1、针对上述现有开关管开路故障诊断方法存在的技术问题，本发明提供了一种非隔离四桥臂潮流转供装置开关管开路故障诊断方法，基于三维空间矢量脉宽调制下开关管开路故障引起的基本电压矢量偏移规律，通过提取参考调制波直流分量变化率，并引入n相桥臂电流辅助判据，实现对a相、b相、c相及n相桥臂开关管开路故障的快速诊断和定位。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种非隔离四桥臂潮流转供装置开关管开路故障诊断方法，应用于非隔离四桥臂潮流转供装置；所述非隔离四桥臂潮流转供装置包括整流侧三相四桥臂变流器、直流母线单元、逆变侧三相四桥臂变流器以及控制器，包括以下步骤：

4、s1、分别获取所述整流侧三相四桥臂变流器和所述逆变侧三相四桥臂变流器的a相、b相和c相参考调制波，以及对应侧的n相桥臂电流；

5、s2、分别提取各侧a相、b相、c相参考调制波的直流分量，并计算对应的直流分量变化率；

6、s3、将各相直流分量变化率分别与正向诊断阈值、负向诊断阈值进行比较；越限状态持续时间超过预设诊断延时td时，生成对应侧、对应相的方向故障标志；

7、s4、依据所述方向故障标志的越限方向以及对应相别，识别a相、b相或者c相桥臂的上开关管开路故障、下开关管开路故障，或是上下开关管同时开路故障；

8、s5、当a相、b相、c相参考调制波直流分量变化率同时同向越限，结合三相参考调制波直流分量变化率共同偏移方向、对应侧n相桥臂电流半波缺失特征，判定n相桥臂上开关管开路故障或者下开关管开路故障；

9、s6、当a相、b相、c相参考调制波直流分量变化率均在预设观察时间内先后出现正向越限、负向越限时，检测对应侧n相桥臂电流导通能力；若n相桥臂电流正、负方向导通能力均受限，则判定n相桥臂上下开关管同时开路故障；若n相桥臂电流正、负方向导通能力并未同时受限，则判定a相、b相、c相桥臂全部上下开关管发生开路故障。

10、在所述步骤s1中，所述控制器依据整流侧三相四桥臂变流器、逆变侧三相四桥臂变流器的控制目标，生成αβγ坐标系下三维空间矢量脉宽调制参考电压，将该参考电压转换至abc坐标系，输出得到对应侧a相、b相、c相参考调制波。

11、在所述步骤s2中，所述参考调制波直流分量采用工频周期平均或者滑动窗口平均方式求取；第x相参考调制波的直流分量变化率由当前时刻直流分量与间隔预设采样点数的历史直流分量差值计算得到；其中x为a、b或c。

12、在所述步骤s4中，预先标定参考调制波极性、桥臂电流正方向与开关函数定义；

13、当对应相参考调制波直流分量变化率持续大于正向诊断阈值，判定该相桥臂上开关管开路故障；

14、当对应相参考调制波直流分量变化率持续小于负向诊断阈值，判定该相桥臂下开关管开路故障；

15、当仅该相参考调制波直流分量变化率在预设观察时间内先后发生正向越限、负向越限，其余两相未同步双向越限，则判定该相桥臂上下开关管同时开路故障；

16、当a相、b相、c相全部出现双向越限，则调用n相桥臂电流导通能力判据区分n相桥臂双管开路故障和a/b/c三相桥臂全部上下管开路故障。

17、在所述步骤s5中，分别计算n相桥臂电流的正半波有效值、负半波有效值，利用正半波有效值、负半波有效值的差值或者比值构造半波不对称特征量；当半波不对称特征量大于预设半波缺失阈值，并且持续时长超过预设诊断延时td，判定n相桥臂电流存在半波缺失特征。

18、在所述步骤s5中，预先设定第一方向、第二方向，将第一方向、第二方向与n相桥臂两只开关管建立一一映射关系；

19、当a相、b相、c相直流分量变化率同时朝第一方向越限，同时n相桥臂电流满足第一方向对应的半波缺失判据，则判定n相桥臂与第一方向匹配的开关管开路故障；

20、当a相、b相、c相直流分量变化率同时朝第二方向越限，同时n相桥臂电流满足第二方向对应的半波缺失判据，则判定n相桥臂另一开关管开路故障；

21、当a相、b相、c相直流分量变化率在预设观察时间内均发生双向越限，同时n相桥臂电流正负导通能力均受限，判定n相桥臂上下开关管同时开路故障。

22、在所述步骤s3、s4中，若同一相桥臂的正向故障标志、负向故障标志均在预设观察时间内满足越限条件，则判定该相桥臂发生同相上下开关管同时开路故障；存在两个及以上不同相桥臂满足方向故障标志越限条件时，根据多相方向故障标志组合结果识别异相双管开路故障或者多管开路故障。

23、在所述步骤s5中，只有n相桥臂电流有效值或者n相桥臂电流参考值大于预设最小可观测阈值时，才启用半波缺失特征来识别n相桥臂开关管开路故障。

24、当n相桥臂电流有效值或n相桥臂电流参考值不大于预设最小可观测阈值时，在所述步骤s5中，控制器执行以下任意一种策略：策略一，暂缓输出n相桥臂故障诊断结果；策略二，向零序控制通道叠加具备预设幅值、预设持续时间的诊断激励信号，依据n相桥臂实际电流对诊断激励信号跟踪效果，判别n相桥臂是否存在开路故障。

25、整流侧三相四桥臂变流器开关管开路故障诊断流程复用所述步骤s1s6；整流侧开关管开路故障对应的越限方向与上下开关管的对应关系，结合整流侧功率流向、开关函数、桥臂电流正方向预先完成标定。

26、本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

27、1、本发明从四桥臂开关状态与三维空间电压矢量之间的映射关系出发，利用开关管开路故障引起的电压矢量偏移构造诊断特征量，能够从调制机理层面解释故障特征产生原因，避免仅依赖外部电气量进行经验判断。

28、2、本发明能够识别a相、b相和c相桥臂的上开关管开路、下开关管开路以及上下开关管同时开路故障，适用于单管、同相双管、异相双管及三相桥臂多管开路故障定位。

29、3、本发明针对n相桥臂故障特征不易辨识的问题，引入n相桥臂电流半波缺失辅助判据，能够提高n相上开关管、下开关管以及上下开关管同时开路故障的识别准确性。

30、4、本发明主要利用控制器内部已有的参考调制波及n相桥臂电流信号实现在线诊断，无需额外配置复杂硬件诊断电路，便于工程实现。