基于閾值的混合電網(wǎng)開關(guān)故障診斷方法

肖徐兵， 徐瑋, 程煒,2,3, 張凌翔,2,3， 司云強(qiáng),2,3

(1.南瑞集團(tuán)有限公司(國網(wǎng)電力科學(xué)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(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇，南京 211106)

0 引言

在電網(wǎng)中，為了增加可再生能源發(fā)電量和直流負(fù)荷，學(xué)者對混合電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究[1-3],該系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行交流和直流電網(wǎng)以補(bǔ)償不規(guī)則的可再生能源發(fā)電率。在這種混合電網(wǎng)系統(tǒng)中，互聯(lián)變流器連接交流和直流電網(wǎng)[4],影響互聯(lián)變流器性能的最重要因素是其恢復(fù)能力:即使在互聯(lián)變流器發(fā)生故障的情況下，仍能保持電網(wǎng)系統(tǒng)間的穩(wěn)定供電。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，電力電子設(shè)備中功率半導(dǎo)體故障率占比很大[5],因此在電力電子系統(tǒng)中，開關(guān)故障診斷對獲得良好的恢復(fù)能力具有重要意義[6-8]。為了檢測開關(guān)故障很多作者進(jìn)行了大量的研究[9-10]，并根據(jù)極電壓和相電流對檢測方法進(jìn)行了分類。換流器極電壓法的缺點(diǎn)是使用電壓傳感器，而電壓傳感器在并網(wǎng)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(guān)故障診斷的閾值點(diǎn)計(jì)算方法。為了提高故障診斷的性能，對相電流和電流紋波進(jìn)行了理論分析，確定了閾值點(diǎn)。

1 并網(wǎng)交直流變換器系統(tǒng)早期故障診斷的局限性

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

(1)

圖1 混合電網(wǎng)系統(tǒng)帶冗余支路的AC-DC變換器框圖

圖2 開關(guān)故障狀態(tài)下的相電流波形及等效電路

先前的開關(guān)故障診斷方法通過圖3所示方法操作。當(dāng)變流器正常運(yùn)行時(shí)，由于平均相電流為零，式(2)計(jì)算出的故障幅值為零;開關(guān)故障時(shí)，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(guān)故障后，利用ids和iqs的平均電流值和式(3)計(jì)算出的故障角來確定具體的故障開關(guān)。此故障角根據(jù)平均電流差、每個(gè)故障開關(guān)和負(fù)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(shí),可以看成Sa.low或者Da.low關(guān)。

圖3 以往的開關(guān)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(wǎng)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(jìn)行故障診斷。平均電流需要很長時(shí)間才能獲得，但低閾值時(shí)負(fù)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(diǎn)的情況。在這種情況下，由于故障幅值超過開關(guān)故障檢測的高閾值點(diǎn)，因此延長了獲得一個(gè)以上周期的平均電流的開關(guān)診斷時(shí)間。在降低閾值點(diǎn)以減少診斷時(shí)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(yīng)。因此，閾值點(diǎn)在開關(guān)故障診斷方法中的作用極為重要。

圖4 系統(tǒng)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(tǒng)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(guān)故障診斷方法

實(shí)現(xiàn)魯棒故障診斷方法需要利用瞬時(shí)相電流和計(jì)算出的理論閾值基本上不需要平均電流。為了確定開關(guān)故障診斷，需要計(jì)算瞬時(shí)電流的閾值點(diǎn)，它可以從理論上的交直流變換器參數(shù)中導(dǎo)出，并且該參數(shù)與負(fù)載無關(guān)。在交直流變換器參數(shù)中，由于電流紋波的確定不依賴于負(fù)載的變化，因此適合于并網(wǎng)變換器的閾值計(jì)算。

在并網(wǎng)AC-DC變換器中，電流紋波由逆變器極電壓的諧波根據(jù)調(diào)制指數(shù)(ma)和為滿足標(biāo)準(zhǔn)5%THD而設(shè)計(jì)的濾波器決定。在并網(wǎng)系統(tǒng)中，ma主要由直流連接電壓和電網(wǎng)電壓決定，而紋波電流是恒定的，因?yàn)閙a是不變的，這取決于負(fù)載的變化。

通過分析開關(guān)故障狀態(tài)下的相電流特性，可以確定閾值點(diǎn)，識(shí)別開關(guān)故障和開關(guān)正常狀態(tài)。圖6顯示了開關(guān)故障前后PWM轉(zhuǎn)換器上的相電流。在圖6中，開關(guān)故障由Ψ(電流頻帶)和τ(頻帶中的持續(xù)時(shí)間)確定。在正常開關(guān)條件下，Ψ(tΨ)范圍內(nèi)的電流保持在τ以下,然而在開關(guān)故障條件下，電流保持在Ψ的時(shí)間超過τ。

(a) 故障前

(b) 故障發(fā)生圖6 開關(guān)故障前后PWM轉(zhuǎn)換器上的相電流

利用這些參數(shù)診斷開關(guān)故障，需要知道Ψ和τ的數(shù)學(xué)定義。Ψ的數(shù)學(xué)定義可由滿足THD標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系確定。相電流由參考電流和紋波電流之和構(gòu)成。根據(jù)負(fù)載條件，+波段的瞬時(shí)相電流由式(5)得出。Γ按THD標(biāo)準(zhǔn)0.05確定。τ是通過式(6)電流參考方程獲得的，因?yàn)樵诓⒕W(wǎng)系統(tǒng)中紋波電流是恒定的。

(a)

(b)圖7 電流帶隨負(fù)載條件的參數(shù)確定

(4)

(5)

(6)

利用上述方法實(shí)現(xiàn)了圖8所示的開關(guān)故障診斷方法。在該方法中，當(dāng)每相電流在ψ以內(nèi)時(shí)開始計(jì)數(shù)。每相電流保持在ψ以內(nèi)所需的時(shí)間tψ用于故障診斷。如果相電流超過ψ，則重置計(jì)數(shù)。開始計(jì)數(shù)時(shí)，如果A相的tψ超過τ，則A相被檢測為故障。否則，當(dāng)tψ小于τ時(shí)，A相看成正常。

圖8 開關(guān)故障診斷方法

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所提出的開關(guān)故障診斷方法，使用圖9所示的3-kW原型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用表1中的參數(shù)進(jìn)行，控制器用中斷周期為100 μs的系統(tǒng)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(guān)故障信號(hào)，通道2代表檢測信號(hào)。用上述方法診斷開關(guān)故障的時(shí)間超過16.6 ms，在提出的方法中4 ms內(nèi)檢測到開關(guān)故障，如圖10(b)所示。如圖11所示，該結(jié)果在滿載條件下同樣呈現(xiàn)。該方法可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)參數(shù)

圖9 并網(wǎng)交直流變換器3-kW實(shí)驗(yàn)臺(tái)

(a) 3 kW的以前方法

(b) 3 kW時(shí)的提出方法圖10 開關(guān)故障診斷方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(a) 3 kW的以前方法

(b) 3 kW時(shí)的提出方法圖11 開關(guān)故障診斷方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 總結(jié)

為提高診斷速度，提出了混合電網(wǎng)互聯(lián)變流器的開關(guān)故障診斷方法。通過對瞬時(shí)相電流的理論分析，計(jì)算了提高故障診斷率的重要因素——閾值。利用計(jì)算出的閾值，將故障診斷時(shí)間縮短到4 ms以內(nèi)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。