基于鍵合圖的T型逆變器參數(shù)性故障診斷

樊鵬帥,帕孜來·馬合木提,魏勝風(fēng)

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046)

1 引言

逆變器在實(shí)際運(yùn)行中,由于環(huán)境及內(nèi)部應(yīng)力的影響,元器件的標(biāo)稱參數(shù)會發(fā)生退化現(xiàn)象。當(dāng)參數(shù)退化超出閾值即發(fā)生參數(shù)性故障(軟故障)。此類故障發(fā)生后如果不能找出故障原因,故障會持續(xù)存在并誘發(fā)連鎖效應(yīng)[1]:可能使輸出特性改變,影響電能質(zhì)量;或演變?yōu)閲?yán)重的結(jié)構(gòu)性故障,造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為了確保逆變器系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行,需要在嚴(yán)重故障出現(xiàn)之前對故障源進(jìn)行隔離。然而參數(shù)性故障特征表現(xiàn)微弱,特征提取困難并且此類故障又是系統(tǒng)的一大安全隱患。因此,近些年對參數(shù)性故障診斷方法的研究已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。

三電平逆變器相較于兩電平逆變器,具有較低的電壓應(yīng)力、高質(zhì)量的并網(wǎng)電流及較小的電壓諧波等優(yōu)點(diǎn),因而受到廣泛應(yīng)用。但隨著三電平逆變器IGBT數(shù)量的增多,主電路也更加復(fù)雜且系統(tǒng)呈現(xiàn)出高非線性的特點(diǎn),這不僅加大了故障出現(xiàn)的可能性也為故障診斷帶來困難[2]。有關(guān)數(shù)據(jù)指出,在光伏電站運(yùn)行過程中,逆變器系統(tǒng)故障比例占整體光伏電站常見故障的60%[3,4]。因此,對逆變器的故障診斷研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

逆變器主電路屬于電力電子電路。目前,針對于電力電子電路的故障診斷方法多適用于結(jié)構(gòu)性故障,對參數(shù)性故障診斷方法的研究相對較少,國內(nèi)外的研究主要集中于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單的DC/DC電路及兩電平DC/AC電路。文獻(xiàn)[5]基于鍵合圖理論得出電力電子電路的行為模型,實(shí)現(xiàn)了Buck電路的健康預(yù)測,但所研究領(lǐng)域局限于DC/DC電路。文獻(xiàn)[6]基于BG理論實(shí)現(xiàn)了對單相全橋逆變器的故障檢測和隔離,但單相全橋逆變器適用范圍有限,隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的加深,基于BG建模的難度隨之增強(qiáng)。文獻(xiàn)[7]基于解析冗余關(guān)系實(shí)現(xiàn)了對飛跨電容型逆變器的故障源定位,但并未綜合考慮鉗位電容退化下的多故障源定位問題。

本文提出基于BG理論來建立三電平T型逆變器混雜鍵合圖模型。結(jié)合BG模型與測量信號推導(dǎo)出T型逆變器的GARRs,比較系統(tǒng)實(shí)際輸出與無故障時(shí)的期望輸出得到殘差和一致性向量C,通過對比C與FSM實(shí)現(xiàn)了兼顧12個(gè)IGBT和2個(gè)鉗位電容的多故障源的故障診斷。最后在20-sim仿真平臺上驗(yàn)證了此方法的有效性。

2 T型逆變器

T型三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,其開關(guān)狀態(tài)及輸出電壓如表1所示。

表1 開關(guān)狀態(tài)及輸出電壓表

圖1 T型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文采用三角載波同相層疊PWM調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)對T型逆變器的IGBT控制[8]。以三角波T1、T2作為載波,以正弦波Sine作為調(diào)制波。以A相為例,T型逆變器控制方式如圖2所示。

圖2 三角載波層疊調(diào)制仿真圖

3 鍵合圖理論

鍵合圖(Bond Graph,BG),全稱為功率鍵合圖。BG理論自被提出以來,已經(jīng)在電氣、熱力學(xué)、化學(xué)、流體、機(jī)械等工程技術(shù)領(lǐng)域中的動(dòng)態(tài)分析與故障診斷領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[9-11]。并且基于鍵合圖的故障診斷具有建模容易、推理算法嚴(yán)謹(jǐn)且擴(kuò)展性好、診斷效率高、故障隔離實(shí)施性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

BG理論核心思想是能量守恒,它能夠以一種統(tǒng)一的方法對系統(tǒng)各部分能量的構(gòu)成轉(zhuǎn)換、相互間邏輯關(guān)系及物理特征等進(jìn)行說明,從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)模型的充分且完備的定義描述[12-14]。

對逆變器這類混雜系統(tǒng)而言,鍵合圖方法比一般的數(shù)學(xué)建模方法更容易、更準(zhǔn)確,利用鍵合圖可以建立系統(tǒng)的元件級模型,能夠直觀的闡明系統(tǒng)內(nèi)各元件間的相互作用關(guān)系。因此,鍵合圖建模方法也越來越多地應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)建模。

4 T型逆變器鍵合圖建模

4.1 功率開關(guān)器件鍵合圖建模

建立T型逆變器的鍵合圖模型首先要對IGBT進(jìn)行建模,IGBT是一個(gè)快切換的器件。為此本文在建模過程中引入受控結(jié)點(diǎn)[15,16]來對其進(jìn)行描述。并同時(shí)使用布爾變量αi,(i=1,2…n,n為變量個(gè)數(shù))用以區(qū)分結(jié)點(diǎn)的開關(guān)狀態(tài),當(dāng)結(jié)點(diǎn)狀態(tài)為ON時(shí)αi=1,否則αi=0。受控結(jié)點(diǎn)示意圖如圖3所示,可調(diào)轉(zhuǎn)換器MTF用以接收控制信號signal。然后對IGBT進(jìn)行等效電路轉(zhuǎn)換[17],等效電路圖如圖4所示,當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí),關(guān)斷電阻為Roff=1MΩ;當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí),導(dǎo)通電阻Req≈Ron·Roff/(Ron+Roff) ≈Ron=0.1Ω。由受控結(jié)點(diǎn)思想結(jié)合鍵合圖理論建立IGBT鍵合圖模型如圖5所示。其中11結(jié)點(diǎn)為受控結(jié)點(diǎn)。

圖3 受控結(jié)點(diǎn)示意圖

圖4 IGBT等效圖

圖5 功率開關(guān)器件鍵合圖模型

4.2 T型逆變器鍵合圖建模

以T型逆變器作為建模對象,由功率器件等效法結(jié)合節(jié)點(diǎn)[18]建模法,選取圖6中O1至O9這9個(gè)節(jié)點(diǎn)作為0結(jié)點(diǎn),建立的T型逆變器BG模型如圖7所示。其中Cγi(γ∈{a,b,c,g};i∈{1,2,3,4})的取值趨于零值,它們存在的意義是作為輔助器件消除代數(shù)環(huán),在推導(dǎo)GARRs時(shí)可以將其忽略,這對整個(gè)系統(tǒng)不會產(chǎn)生影響。

圖6 T型逆變器節(jié)點(diǎn)選取圖

圖7 T型逆變器鍵合圖模型

仿真時(shí)直流側(cè)輸入電壓設(shè)為600V,逆變器濾波前后相電壓和線電壓波形如圖8和圖9所示。

圖8 A相濾波前相電壓和線電壓波形

圖9 A相濾波后相電壓和線電壓波形

5 參數(shù)性故障特征分析

不同于結(jié)構(gòu)性故障,參數(shù)性故障特征較為隱蔽,故障出現(xiàn)后雖不能使系統(tǒng)立即陷入癱瘓,但會使系統(tǒng)功能衰退陷入不確定狀態(tài),影響系統(tǒng)穩(wěn)定,最終會逐步演化為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性故障。逆變器內(nèi)部元器件發(fā)生參數(shù)性退化時(shí)主要表現(xiàn)形式為電容值C1、C2的減小和電容等效串聯(lián)電阻Rc1、Rc2的增大;功率開關(guān)器件導(dǎo)通電阻Ron的增大等[19,20]。

圖10～11給出了在0.02～0.07s時(shí)間段內(nèi)注入?yún)?shù)性故障時(shí)的相電壓和線電壓波形與正常時(shí)的電壓波形對比圖。與正常波形相比,故障波形產(chǎn)生了微小畸變,且不同故障源故障特征區(qū)別不明顯,對于此類特征,傳統(tǒng)的故障診斷方法難以做出判斷。

圖10 電容故障時(shí)電壓波形對比

圖11 IGBT故障時(shí)電壓波形對比

6 參數(shù)性故障診斷

基于鍵合圖的故障診斷流程如圖12所示。

圖12 故障診斷流程

6.1 參數(shù)性故障檢測

基于BG理論對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)性故障診斷時(shí)需要在鍵合圖模型中加入勢傳感器De和流傳感器Df來獲取系統(tǒng)信號進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為診斷鍵合圖(diagnosis hybrid bond graph, DHBG)。

以A相為例進(jìn)行描述,首先對所有的對功率鍵和各個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)號,然后在結(jié)點(diǎn)01、02、07、08處分別加入勢傳感器De1、De2、De7、De8,在結(jié)點(diǎn)1f、1s(普通1型結(jié)點(diǎn))分別加入流傳感器Df1、Df2。T型逆變器A相的診斷鍵合圖如圖13所示。最后在系統(tǒng)的B相和C相的03、04、05、06結(jié)點(diǎn)也分別加入勢傳感器De3、De4、De5、De6,用以推導(dǎo)能夠描述整個(gè)逆變器系統(tǒng)內(nèi)部各元器件間相互作用關(guān)系的GARRs。

圖13 A相診斷鍵合圖

6.2 全局解析冗余關(guān)系推導(dǎo)

GARRs是系統(tǒng)模型結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)和測量信號推導(dǎo)而來,包含了系統(tǒng)已知條件的約束關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)退化時(shí),由約束關(guān)系就能得到系統(tǒng)相應(yīng)變化。根據(jù)鍵合圖元件間的因果關(guān)系和因果路徑,由遍歷路徑法對每個(gè)結(jié)點(diǎn)列寫本構(gòu)方程[18],對于1型結(jié)點(diǎn),所有鍵上的流變量相等,而勢的代數(shù)和為零;對于0型結(jié)點(diǎn),所有鍵上的勢變量相等,而流的代數(shù)和為零。對A相進(jìn)行分析說明,選定01、02、07、08、1f、1s這幾個(gè)結(jié)點(diǎn)來推導(dǎo)GARRs,以01結(jié)點(diǎn)為例,存在解析冗余關(guān)系

f6+f7-f8-f9+f11+f12-f31=0

(1)

式中

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

f31=0

(8)

綜合(1)～(8)式,得到01節(jié)點(diǎn)的解析冗余關(guān)系式為式(9)

(9)

類似的,結(jié)點(diǎn)02、07、08、1f、1s的解析冗余關(guān)系式可以分別獲得。同理,可進(jìn)一步得到整個(gè)系統(tǒng)的GARRs。

6.3 殘差與故障特征矩陣

殘差r(residuals)是GARRs的數(shù)值評估結(jié)果,是由系統(tǒng)正常狀態(tài)下的期望對比故障狀態(tài)下實(shí)際輸出而產(chǎn)生。正常狀況下,r為0或趨于0。參數(shù)退化時(shí),r做出響應(yīng)不再是0。通過對r的監(jiān)測,可有效檢測到系統(tǒng)參數(shù)的變化,實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的故障檢測與隔離。殘差數(shù)量和傳感器數(shù)量一致為10個(gè):見式(10)～(19)。

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

故障特征矩陣FSM反映了故障集合與殘差集合的對應(yīng)關(guān)系。矩陣元素由GARRs來確定,通用格式如式(20)所示。故障可檢測性(fault detectability,Db)和故障可隔離性(fault isol-ability,Ib) 用{0,1}表示,當(dāng)FSM行向量中至少有一個(gè)元素為1則Db=1,(即退化器件有相對應(yīng)殘差信號響應(yīng)),否則為0;當(dāng)FSM中行向量具有唯一性(即故障源可區(qū)分)時(shí)Ib=1,否則為0。系統(tǒng)全模式下的FSM如表2所示。由于Rc1、C1和Rc2、C2分別同時(shí)表征同一電容的健康狀況,因此對應(yīng)的Ib分析可將這兩個(gè)參數(shù)結(jié)合起來考慮。

表2 故障特征矩陣表

(20)

式(20)中,ri:第i個(gè)解析冗余關(guān)系式,0

定義二進(jìn)制相干向量C=[c1,c2,…,cn…,cm], (cn∈{0,1})來表示當(dāng)前模式下的故障狀態(tài),當(dāng)|r|超出閾值時(shí)cn=1,否則為0。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生退化行為時(shí),檢測殘差信號并生成C,匹配C與FSM的行向量,二者若一致,則準(zhǔn)確定位到故障源θ。

7 結(jié)果分析

在20-sim平臺上進(jìn)行仿真驗(yàn)證,在0.02～0.07s時(shí)分別注入?yún)?shù)性故障(使Roni,i=1,2,…,12;C1、C2、Rc1、Rc1的參數(shù)退化5%),各殘差響應(yīng)如圖14所示。

圖14 系統(tǒng)各參數(shù)退化時(shí)的殘差響應(yīng)注:(a):正常情況下的殘差 (b):C1、Rc1退化時(shí)的殘差 (c):C2、Rc2退化時(shí)的殘差 (d):Ron1、Ron5、Ron9同時(shí)退化時(shí)的殘差 (e):Ron2、Ron6、Ron10同時(shí)退化時(shí)的殘差 (f ):Ron3、Ron7、Ron11同時(shí)退化時(shí)的殘差 (g):Ron4、Ron8、Ron12同時(shí)退化時(shí)的殘差

在各元器件參數(shù)性故障未出現(xiàn)時(shí),系統(tǒng)輸出各殘差均為0,對應(yīng)C=[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]。注入故障時(shí),相對應(yīng)的r1～r9均作出響應(yīng)且與FSM保持一致,以圖15(b)為例說明:圖15(b)對應(yīng)C=[0,0,0,0,0,0,0,1,0,0] 匹配FSM將準(zhǔn)確定位到故障源為C1、Rc1,表明是電容C1出現(xiàn)了參數(shù)性故障。同理,其它故障源出現(xiàn)時(shí)也可分別被準(zhǔn)確定位并能夠被區(qū)分開來。由此,驗(yàn)證了此方法的有效性。

8 結(jié)論

本文對三電平T型并網(wǎng)逆變器參數(shù)性故障時(shí)的特征及診斷方法進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。提出基于BG理論建立T型并網(wǎng)逆變器模型,通過結(jié)合混雜BG模型和測量信號推導(dǎo)出T型逆變器的GARRs,比較系統(tǒng)正常情況下與參數(shù)退化情況下的殘差響應(yīng)實(shí)現(xiàn)了兼顧12個(gè)IGBT和2個(gè)鉗位電容的多故障源的參數(shù)性故障診斷,有效解決了T型三電平逆變器早期參數(shù)性故障診斷問題。