一种用于级联H桥变流器的IGBT开路故障检测方法及装置与流程

一种用于级联h桥变流器的igbt开路故障检测方法及装置
技术领域
1.本发明属于电气工程技术领域，更具体地，涉及一种用于级联h桥变流器的igbt开路故障检测方法及装置。


背景技术：

2.功率半导体器件迅速发展，级联h桥型变流器凭借其模块化，低谐波的优势广泛应用于中压大容量领域。随着级联单元的增多，变流器的可靠性随之下降。igbt作为变流器的核心部件，其故障概率直接影响变流器的可靠性和稳定性。igbt故障分为短路和开路两种；其中，短路故障通常会造成破坏性的损害，所以igbt模块集成了短路硬件保护机制；对于开路故障，其故障响应特性较慢，不会导致系统立即停止运行，但是会在系统中引入噪声和振动，导致电压恶化和电流失真，引起二次故障，最终导致变流器闭锁。因此，对igbt开路的快速检测是提高变流器稳定性和可靠性的关键技术。
3.目前的级联h桥igbt开路检测方法主要分为直接检测法、数据分析检测法和模型计算检测法三种。直接检测法直接在变流器h桥单元端口装设传感器，会增加检测成本。数据分析检测法受限于故障样本数量和计算速度，检测时间一般大于3个基波周期。模型计算检测法具有检测速度快，不会增加额外传感器的优点。专利cn201310480072.6公开了一种基于谐波分析的检测方法，但是其忽略了实际运行中调制和死区时间造成的谐波。专利cn201910730372.2公开了一种基于电压残差的h桥变流器故障检测方法，但是其未考虑通讯延迟、死区时间带来的噪声和相邻模块的响应干扰，采用计数器判定的情况容易导致误判。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于级联h桥变流器的igbt开路故障检测方法及装置，以解决现有的检测方法存在的增加传感器成本、检测速度慢和误判的问题。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种用于级联h桥变流器的igbt开路故障检测方法，包括以下步骤：
6.s1，获取第i组h桥单元所有igbt的触发信号s
mi
、第i组h桥单元的直流电容电压v
ci
以及变流器输出电压vo，并计算出故障电压外特性δv
′
，δv
′
为所有h桥单元理论输出的电压值与实际输出的电压值之差；其中，i＝1,
…
,n，n为h桥单元数量，m＝1,2,3,4；
7.s2，根据δv
′
与v
ci
以及igbt导通电压v
p
之间的关系，对δv
′
进行整定得到δv，δv为v
ci
的整数倍；
8.s3，根据整定后的δv、触发信号s
mi
、直流电容电压v
ci
以及变流器输出电流io，得到每组h桥单元各igbt的故障状态变量，所述故障状态变量包括故障、非故障、无法判定三种状态；
9.s4，对所述故障状态变量进行积分，将积分量与阈值进行比较，从而判定第i组h桥
单元第m号igbt是否发生开路故障。
10.进一步地，所述s1中，故障电压外特性δv
′
为：
[0011][0012]
其中，m＝1,2,3,4分别对应h桥单元的左上臂、左下臂、右上臂、右下臂igbt。
[0013]
进一步地，所述s2中，整定后的δv为：
[0014][0015]
其中，σ为最大导通压降，且σ＝2nv
p
。
[0016]
进一步地，所述s3中，
[0017]
当io《0时，则γ
14,i
＝0，γ
1,i
＝0，γ
4,i
＝0；
[0018]
当io《0时，若s
2i
＝0，则γ
2,i
＝0；若s
2i
＝1，δv＝-v
ci
，则γ
2,i
＝1；若s
2i
＝1，δv≠-v
ci
，则γ
2,i
＝-1；
[0019]
当io《0时，若s
2i
和s
3i
不同时为1，则γ
23,i
＝0；若s
2i
＝1，s
3i
＝1，δv＝-2v
ci
，则γ
23,i
＝1；若s
2i
＝1，s
3i
＝1，δv≠-2v
ci
，则γ
23,i
＝-1；
[0020]
当io《0时，若s
3i
＝0，则γ
3,i
＝0；若s
3i
＝1，δv＝-v
ci
，则γ
3,i
＝1；若s
3i
＝1，δv≠-v
ci
，则γ
3,i
＝-1；
[0021]
当io》0时，则γ
23,i
＝0，γ
2,i
＝0，γ
3,i
＝0；
[0022]
当io》0时，若s
1i
＝0，则γ
1,i
＝0；若s
1i
＝1，δv＝v
ci
，则γ
1,i
＝1；若s
2i
＝1，δv≠v
ci
，则γ
1,i
＝-1；
[0023]
当io》0时，若s
1i
和s
4i
不同时为1，则γ
14,i
＝0；若s
1i
＝1，s
4i
＝1，δv＝2v
ci
，则γ
14,i
＝1；若s
1i
＝1，s
4i
＝1，δv≠2v
ci
，则γ
14,i
＝-1；
[0024]
当io》0时，若s
4i
＝0，则γ
4,i
＝0；若s
4i
＝1，δv＝v
ci
，则γ
4,i
＝1；若s
4i
＝1，δv≠v
ci
，则γ
4,i
＝-1；
[0025]
其中，γ
p,i
表示所述故障状态变量，p＝1,2,3,4,14,23；p＝1,2,3,4时，γ
p,i
＝1,-1,0分别表示第i组h桥单元第p号igbt发生故障、未发生故障、无法判定是否发生故障；γ
14,i
＝1,-1,0分别表示第i组h桥单元第1号和第4号igbt同时发生故障、未同时发生故障、无法判定是否同时发生故障；γ
23,i
＝1,-1,0分别表示第i组h桥单元第2号和第3号igbt同时发生故障、未同时发生故障、无法判定是否同时发生故障。
[0026]
进一步地，所述s4包括：
[0027]
s41，对所述故障状态变量进行积分，得到积分量li和d
m,i
；
[0028]
其中，k比例常数，为正数；
[0029]
s42，计算阈值δ1和δ2：
[0030][0031]
其中，tc为载波周期，θ为载波移相角；
[0032]
s43，若li≥δ1，则判定第i组h桥单元发生开路故障；若d
m,i
≥δ2，则判定第i组h桥单元第m号igbt发生开路故障。
[0033]
进一步地，在完成h桥单元故障定位后，再进行igbt故障定位。
[0034]
为实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种用于级联h桥变流器的igbt开路故障检测装置，包括：
[0035]
模型计算模块，用于获取第i组h桥单元所有igbt的触发信号s
mi
、第i组h桥单元的直流电容电压v
ci
以及变流器输出电压vo，并计算出故障电压外特性δv
′
，δv
′
为所有h桥单元理论输出的电压值与实际输出的电压值之差；其中，i＝1,
…
,n，n为h桥单元数量，m＝1,2,3,4；
[0036]
整定模块，用于根据δv
′
与v
ci
以及igbt导通电压v
p
之间的关系，对δv
′
进行整定得到δv，δv为v
ci
的整数倍；
[0037]
积分判定模块，用于根据整定后的δv、触发信号s
mi
、直流电容电压v
ci
以及变流器输出电流io，得到每组h桥单元各igbt的故障状态变量，所述故障状态变量包括故障、非故障、无法判定；以及对所述故障状态变量进行积分，将积分量与阈值进行比较，从而判定第i组h桥单元第m号igbt是否发生开路故障。
[0038]
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
[0039]
(1)本发明通过变流器控制系统获取igbt的触发信号和h桥单元的直流电容电压，得到所有h桥单元理论输出的电压值，并与实际输出的电压值相减得到故障电压外特性；再根据故障电压外特性以及输出电流得到故障状态变量，通过设置积分与阈值来判定h桥单元和igbt是否发生开路故障。如此，本发明通过积分和设定阈值的方式来分别判定h桥单元的故障和igbt开路的故障，能够在半个基波周期附近完成检测，同时能够抵抗响应延时、死区延时、导通压降等干扰，检测结果准确。
[0040]
(2)本发明采用电压计算模型，在计算过程中未进行任何化简，能够避免随着时间模型精度下降的问题。同时，本发明无需通过传感器采样每个h桥单元的输出电压，能够节省传感器成本。
附图说明
[0041]
图1是本发明实施例提供的一种典型的单相级联h桥变流器拓扑图；
[0042]
图2是本发明实施例提供的用于级联h桥变流器的igbt开路故障检测方法流程示意图之一；
[0043]
图3是本发明实施例提供的信号处理逻辑示意图；
[0044]
图4是本发明实施例提供的用于级联h桥变流器的igbt开路故障检测方法流程示意图之二；
[0045]
图5是本发明实施例提供的单个igbt开路故障仿真结果图；
[0046]
图6是本发明实施例提供的多个igbt开路故障仿真结果图；
[0047]
图7是本发明实施例提供的用于级联h桥变流器的igbt开路故障检测装置的框图。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0049]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0050]
图1为本发明提供的一种典型级联h桥变流器结构，单相h桥功率单元将直流电转化为交流电最后级联叠加成为高压交流电。每个h桥功率单元接入了储能单元，通过dc/dc实现能量的双向流动。
[0051]
下面参阅图2，结合图3至图6，对本发明进行进一步详细说明。图2是本发明实施例提供的用于级联h桥变流器的igbt开路故障检测方法流程示意图，该检测方法包括操作s1-操作s4。
[0052]
操作s1，获取第i组h桥单元所有igbt的触发信号s
mi
、第i组h桥单元的直流电容电压v
ci
以及变流器输出电压vo，并计算出故障电压外特性δv
′
，δv
′
为所有h桥单元理论输出的电压值与实际输出的电压值之差；其中，i＝1,
…
,n，n为h桥单元数量，m＝1,2,3,4。具体地：
[0053]
如图3所示，从变流器控制器获取每个h桥单元的igbt触发信号s
mi
，从传感器获取所有h桥单元直流电容电压v
ci
和变流器输出电压vo。通过下式计算故障电压外特性δv
′
：
[0054][0055]
其中，m＝1,2,3,4分别对应h桥单元的左上臂、左下臂、右上臂、右下臂igbt。
[0056]
操作s2，根据δv
′
与v
ci
以及igbt导通电压v
p
之间的关系，对δv
′
进行整定得到δv，δv为v
ci
的整数倍。具体地：
[0057]
整定后的δv通过下式得到：
[0058][0059]
其中，σ为最大导通压降，且σ＝2nv
p
。
[0060]
操作s3，根据整定后的δv、触发信号s
mi
、直流电容电压v
ci
以及变流器输出电流io，得到每组h桥单元各igbt的故障状态变量，所述故障状态变量包括故障、非故障、无法判定三种状态。具体地：
[0061]
如图4所示，电流α状态通过下式得到：
[0062]
[0063]
当α＝1时，则γ
14,i
＝0，γ
1,i
＝0，γ
4,i
＝0。
[0064]
当α＝1时，若s
2i
＝0，则γ
2,i
＝0；若s
2i
＝1，δv＝-v
ci
，则γ
2,i
＝1；若s
2i
＝1，δv≠-v
ci
，则γ
2,i
＝-1。
[0065]
当α＝1时，若s
2i
和s
3i
不同时为1，则γ
23,i
＝0；若s
2i
＝1，s
3i
＝1，δv＝-2v
ci
，则γ
23,i
＝1；若s
2i
＝1，s
3i
＝1，δv≠-2v
ci
，则γ
23,i
＝-1。
[0066]
当α＝1时，若s
3i
＝0，则γ
3,i
＝0；若s
3i
＝1，δv＝-v
ci
，则γ
3,i
＝1；若s
3i
＝1，δv≠-v
ci
，则γ
3,i
＝-1。
[0067]
当α＝0时，则γ
23,i
＝0，γ
2,i
＝0，γ
3,i
＝0。
[0068]
当α＝0时，若s
1i
＝0，则γ
1,i
＝0；若s
1i
＝1，δv＝v
ci
，则γ
1,i
＝1；若s
2i
＝1，δv≠v
ci
，则γ
1,i
＝-1。
[0069]
当α＝0时，若s
1i
和s
4i
不同时为1，则γ
14,i
＝0；若s
1i
＝1，s
4i
＝1，δv＝2v
ci
，则γ
14,i
＝1；若s
1i
＝1，s
4i
＝1，δv≠2v
ci
，则γ
14,i
＝-1。
[0070]
当α＝0时，若s
4i
＝0，则γ
4,i
＝0；若s
4i
＝1，δv＝v
ci
，则γ
4,i
＝1；若s
4i
＝1，δv≠v
ci
，则γ
4,i
＝-1。
[0071]
其中，γ
p,i
表示所述故障状态变量，p＝1,2,3,4,14,23；p＝1,2,3,4时，γ
p,i
＝1,-1,0分别表示第i组h桥单元第p号igbt发生故障、未发生故障、无法判定是否发生故障；γ
14,i
＝1,-1,0分别表示第i组h桥单元第1号和第4号igbt同时发生故障、未同时发生故障、无法判定是否同时发生故障；γ
23,i
＝1,-1,0分别表示第i组h桥单元第2号和第3号igbt同时发生故障、未同时发生故障、无法判定是否同时发生故障。
[0072]
操作s4，对所述故障状态变量进行积分，将积分量与阈值进行比较，从而判定第i组h桥单元第m号igbt是否发生开路故障。具体地：
[0073]
s41，对所述故障状态变量进行积分，得到积分量li和d
m,i
；
[0074]
其中，k比例常数，为正数；
[0075]
s42，计算阈值δ1和δ2：
[0076][0077]
其中，tc为载波周期，θ为载波移相角；
[0078]
s43，若li≥δ1，则判定第i组h桥单元发生开路故障；若d
m,i
≥δ2，则判定第i组h桥单元第m号igbt发生开路故障。
[0079]
需要注意的是，在完成h桥单元故障定位后再进行igbt故障的定位。
[0080]
为了进一步体现本发明的实用性和有效性，根据图1所示系统搭建仿真模型，系统各参数值如表1所示：
[0081]
表1 系统各参数值
[0082]
参数名称数值电网电压等级/kv10系统频率/hz50
单相功率单元数量n12直流电容c/μf2520功率单元平均稳态直流电压v
ci
/v800开关管导通压降/v2载波移相角/
°
15载波周期/ms1.25延迟噪声δt/μs10死区延迟t
dt
/μs5电压判据误差σ/v48积分比例常数k2000故障单元定位积分阈值δ12.5故障igbt定位积分阈值δ20.2
[0083]
图5给出了单个igbt s
11
开路故障下的检测结果。图中给出了故障标志fi和f
m,i
。0.5s时闭锁s
11
模拟单个igbt开路故障，在发生故障之前，li和d
m,i
全程低于对应阈值。在发生故障之后，io＜0，对应li和d
m,i
开始积分，当积分量l1超过阈值δ1时，f1发生跳变，检测到故障功率单元。当积分量d
1,1
超过阈值δ2时，f
1,1
发生跳变，检测到故障igbt s
11
。故障功率单元检测时间t
det
为2.9ms，故障igbt检测时间t
loc1
为0.6ms。检测时间远小于电流基波周期。
[0084]
图6给出了igbt s
11
和s
41
开路故障下的检测结果，0.5s时闭锁s
11
和s
41
模拟igbt开路故障，在发生故障之前，li和d
m,i
全程低于对应阈值。在发生故障之后，io＜0，l1、d
1,1
和d
4,1
开始积分。当积分量l1超过阈值δ1时，f1发生跳变，检测到故障功率单元。当积分量d
1,1
超过阈值δ2时，在检测到故障功率单元后f
1,1
发生跳变，检测到故障igbt s
11
；当积分量d
4,1
超过阈值δ2时，在检测到故障功率单元后f
4,1
发生跳变，检测到故障igbts
41
。故障功率单元检测时间t
det
为3.4ms，故障igbt s
11
检测时间t
loc1
为0ms，故障igbt s
41
检测时间t
loc4
为0ms。检测时间远小于电流基波周期,但是比单个元件发生故障时检测时间稍微更长，这是由于s
11
和s
41
同时开路故障导致电压畸变更加明显，电流的正直流分量更大，故障后积分开始的时间相较于单个开路故障更短。
[0085]
图7为本发明实施例提供的一种用于级联h桥变流器的igbt开路故障检测装置的框图。参阅图7，该检测装置700包括模型计算模块710、整定模块720、积分判定模块730。
[0086]
模型计算模块710例如执行操作s1，用于获取第i组h桥单元所有igbt的触发信号s
mi
、第i组h桥单元的直流电容电压v
ci
以及变流器输出电压vo，并计算出故障电压外特性δv
′
，δv
′
为所有h桥单元理论输出的电压值与实际输出的电压值之差；其中，i＝1,
…
,n，n为h桥单元数量，m＝1,2,3,4；
[0087]
整定模块720例如执行操作s2，用于根据δv
′
与v
ci
以及igbt导通电压v
p
之间的关系，对δv
′
进行整定得到δv，δv为v
ci
的整数倍；
[0088]
积分判定模块730例如执行操作s3和s4，用于根据整定后的δv、触发信号s
mi
、直流电容电压v
ci
以及变流器输出电流io，得到每组h桥单元各igbt的故障状态变量，所述故障状态变量包括故障、非故障、无法判定；以及对所述故障状态变量进行积分，将积分量与阈值进行比较，从而判定第i组h桥单元第m号igbt是否发生开路故障。
[0089]
检测装置700用于执行上述图2所示实施例中的用于级联h桥变流器的igbt开路故
障检测方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述图2所示实施例中的用于级联h桥变流器的igbt开路故障检测方法，此处不再赘述。
[0090]
总体而言：
[0091]
(1)本发明采用电压计算模型，在计算过程中未进行任何化简，能够避免随着时间模型精度下降的问题。
[0092]
(2)本发明无需通过传感器采样每个h桥单元的输出电压，能够节省传感器成本。
[0093]
(3)本发明通过积分和设定阈值的方式来分别判定h桥单元的故障和igbt开路的故障，能够在半个基波周期附近完成检测，同时能够抵抗响应延时，死区延时，导通压降等干扰，检测结果准确。
[0094]
此外，本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0095]
本发明是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0096]
上述计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0097]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0098]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。