基于系统停机后三相电流波形特性的短路故障诊断方法

1.本发明涉及逆变器功率开关管短路故障诊断方法，具体是涉及一种基于系统停机后三相电流波形特性的短路故障诊断方法，属于逆变器技术领域。

背景技术：

2.光伏发电系统故障中以并网逆变器故障占大多数，一旦发生故障且无法及时恢复正常工作状态，将直接导致光伏电站发电量的损失，进而造成无法估计的经济损失，因此保证并网逆变器安全稳定运行至关重要。目前容易出现的故障，包括开关管的开路或短路故障，以及线路错接或线路断开，驱动失效等故障，都会造成对器件及系统的损害。与功率开关管开路故障不同，短路故障发生后会导致直流侧和逆变器之间直接构成短路回路，进而形成非常大的短路电流，为了避免对设备甚至电力系统造成危害，系统立刻通过硬件保护而停机，短路故障状态持续时间极短，故障状态下的有效数据量几乎为零，无法通过系统停机前的数据进行短路故障诊断。因此，如何在系统停机之后快速排除开关管短路故障，实现光伏并网逆变器安全稳定运行，具有重要意义。
3.文献“a literature review of igbt fault diagnostic and protection methods for power inverters”.《ieee transactions on industry applications》，2009，45(5)：1770-1777.(“大功率逆变器igbt故障诊断与保护方法研究综述”，《ieee transactions on industry applications》，2009年第45卷1770页-1777页)提出一种通过由发射极电阻、感应开关和电流互感器组成的检测电路来检测功率开关管的集电极电流，从而检测其短路和过电流状态的电流镜检测法，该方法实现简单，但是需要具有电流镜电路的特殊设备，所以成本较为昂贵。
4.中国发明专利申请公开说明书《逆变器电路的短路故障检测装置及方法》(cn103983891a)提出一种通过检测脉冲序列判断是否形成导通回路确定各单相支路故障开关管位置，但是该检测装置包含多个模块，且需要向单相支路的开关管发生至少一个检测脉冲序列，诊断过程较为繁琐。
5.中国发明专利申请公开说明书《逆变器短路故障的判断方法》(cn106054016a)提出一种通过控制器将逆变器的工作电流与预设的电流阈值进行比较来判断是否发生短路故障的诊断方法，该方法避免了在逆变器与冲击性负载连接时误判断为短路保护的问题，同时也能快速地判断出短路故障，但是比较依赖于控制器的实现，且不能准确定位故障开关管的具体位置。
6.综上所述，现有技术中还存在着以下问题：
7.1、需要具有特殊的硬件设备，成本较为昂贵；
8.2、诊断过程较为繁琐；
9.3、不能准确定位短路故障开关管的具体位置。

技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，具体的，提供一种基于系统停机后三相电流波形特性的短路故障诊断方法，能够简单便捷地诊断出不同逆变器的短路开关管故障定位，可有效避免故障造成的危害，提高系统运行的安全性和可靠性。
11.为达到上述目的，本发明提供了一种基于系统停机后三相电流波形特性的短路故障诊断方法，所述系统为t型三电平并网逆变器系统，所述系统停机指的是系统发生开关管短路故障后系统立刻停机的状态；所述t型三电平并网逆变器系统包括直流电源、两个相同的支撑电容、主逆变电路、三相电感、三相电阻和三相电网；两个支撑电容串联后并联在直流电源的直流正母线和直流负母线之间，其接点记为直流侧中点z；
12.所述主逆变电路包括三相桥臂，在三相桥臂的每相桥臂中包括4个带反并联二极管的开关管，即主逆变电路共包括12个带反并联二极管的开关管，将12个带反并联二极管的开关管记为开关管s
kj
，其中，k表示相序，k＝a，b，c，j表示开关管的序号，j＝1，2，3，4；在12个开关管s
kj
中，所述开关管s
a2
、开关管s
b2
、开关管s
c2
的集电极分别接直流侧中点z；在三相桥臂的每相桥臂中，所述开关管s
k1
的集电极接直流正母线，所述开关管s
k4
的发射极接直流负母线，所述开关管s
k2
的发射极接开关管s
k3
的发射极，开关管s
k3
的集电极分别与开关管s
k1
的发射极、开关管s
k4
的集电极连接在一起，并构成主逆变电路的输出点pk，k＝a，b，c；
13.主逆变电路的输出点pk与三相电感一端的对应相相接，三相电感另一端的三相分别与三相电阻一端的对应相相接，三相电阻另一端的三相接入三相电网；
14.将开关管s
k1
和开关管s
k4
归类为外开关管，开关管s
k2
和开关管s
k3
归类为内开关管；
15.所述短路故障诊断方法对系统停机时短路开关管进行故障诊断，包括以下步骤：
16.步骤1，在设定的采样周期内对系统停机后的三相输出电流进行两个基波周期的采样，得到系统停机后2n个三相输出电流采样值，n为一个基波周期内的最大采样次数，n为正整数；
17.将两个基波周期按照系统停机后出现的顺序分别记为第一基波周期和第二基波周期，将第一基波周期中的n个三相输出电流采样值记为第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
，将第二基波周期中的n个三相输出电流采样值记为第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
，n为三相输出电流采样值的序号，n＝1，2，...n；
18.将第一基波周期中n个三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
的峰值记为前一峰值i
a.max
，i
b，max
，i
c.max
，将第二基波周期中n个三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
的峰值记为后一峰值i
′
a.max
，i
′
b，max
，i
′
c.max
；
19.步骤2，进行故障类型的初步判断，具体如下：
20.若系统停机后，n个第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
和n个第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
均为0，则认定系统发生其他故障导致停机；
21.步骤3，以时间为横坐标、三相输出电流值为纵坐标，以步骤1得到的第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
和第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
为数据点，在平面坐标系中绘制系统停机后三相输出电流的波形图，得到以下两种波形；
22.波形1：第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，c
in
与第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
在相对应的n下分别对应相等，且这两个基波周期三相输出电流采样值构成的三相输出电流的波形均呈半波现象；
23.波形2：在第一基波周期内，第一基波三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
构成的三相输出电流的波形均呈半波现象，且在到达前一峰值i
a.max
，i
b，max
，i
c.max
后，i
an
，i
bn
，i
cn
衰减为0，n个第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
均为0，即在第一基波周期内，三相输出电流的波形均呈半波现象，且在半波完成后，三相输出电流的波形为一条直线；
24.对波形1，认定为外开关管故障导致系统停机；对波形2，认定为内开关管故障导致系统停机；
25.步骤4，外开关管故障导致系统停机的进一步判断，具体如下：
26.若i
a.max
为正，i
b.max
为负，i
c.max
为负，则开关管s
a1
发生短路故障；
27.若i
a.max
为负，i
b.max
为正，i
c.max
为正，则开关管s
a4
发生短路故障；
28.若i
a.max
为负，i
b.max
为正，i
c.max
为负，则开关管s
b1
发生短路故障；
29.若i
a.max
为正，i
b.max
为负，i
c.max
为正，则开关管s
b4
发生短路故障；
30.若i
a.max
为负，i
b.max
为负，i
c.max
为正，则开关管s
c1
发生短路故障；
31.若i
a.max
为正，i
b.max
为正，i
c.max
为负，则开关管s
c4
发生短路故障；
32.步骤5，内开关管故障导致系统停机的进一步判断，具体如下：
33.若i
a.max
为正，i
b.max
为负，i
c.max
为负，则开关管s
a2
发生短路故障；
34.若i
a.max
为负，i
b.max
为正，i
c.max
为正，则开关管s
a3
发生短路故障；
35.若i
a.max
为负，i
b.max
为正，i
c.max
为负，则开关管s
b2
发生短路故障；
36.若i
a.max
为正，i
b.max
为负，i
c.max
为正，则开关管s
b3
发生短路故障；
37.若i
a.max
为负，i
b.max
为负，i
c.max
为正，则开关管s
c2
发生短路故障；
38.若i
a.max
为正，i
b.max
为正，i
c.max
为负，则开关管s
c3
发生短路故障。
39.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
40.1、可简单快捷的诊断出光伏逆变器短路开关管的具体位置；
41.2、无需额外硬件装置，经济便捷；
42.3、可在系统停机后迅速为运维人员提供告警，提高系统的可靠性。
附图说明
43.图1为本发明涉及的t型三电平并网逆变器系统的拓扑图；
44.图2为本发明短路故障诊断方法的流程图；
45.图3为本发明实施例中其他故障导致系统停机时系统停机前后的三相输出电流波形示意图；
46.图4为本发明实施例中外开关管故障导致系统停机时系统停机前后的三相输出电流波形示意图；
47.图5为本发明实施例中内开关管故障导致系统停机时系统停机前后的三相输出电流波形示意图；
48.图6为本发明短路故障诊断方法的框图。
具体实施方式
49.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
50.本发明提供了一种基于系统停机后三相电流波形特性的短路故障诊断方法，所述
系统为t型三电平并网逆变器系统，所述系统停机指的是系统发生开关管短路故障后系统立刻停机的状态。
51.图1给出了该t型三电平并网逆变器系统的拓扑图。由图1可见，所述t型三电平并网逆变器系统包括直流电源、两个相同的支撑电容、主逆变电路、三相电感、三相电阻和三相电网；两个支撑电容串联后并联在直流电源的直流正母线和直流负母线之间，其接点记为直流侧中点z。
52.所述主逆变电路包括三相桥臂，在三相桥臂的每相桥臂中包括4个带反并联二极管的开关管，即主逆变电路共包括12个带反并联二极管的开关管，将12个带反并联二极管的开关管记为开关管s
kj
，其中，k表示相序，k＝a，b，c，j表示开关管的序号，j＝1，2，3，4；在12个开关管s
kj
中，所述开关管s
a2
、开关管s
b2
、开关管s
c2
的集电极分别接直流侧中点z；在三相桥臂的每相桥臂中，所述开关管s
k1
的集电极接直流正母线，所述开关管s
k4
的发射极接直流负母线，所述开关管s
k2
的发射极接开关管s
k3
的发射极，开关管s
k3
的集电极分别与开关管s
k1
的发射极、开关管s
k4
的集电极连接在一起，并构成主逆变电路的输出点pk，k＝a，b，c。
53.主逆变电路的输出点pk与三相电感一端的对应相相接，三相电感另一端的三相分别与三相电阻一端的对应相相接，三相电阻另一端的三相接入三相电网。
54.将开关管s
k1
和开关管s
k4
归类为外开关管，开关管s
k2
和开关管s
k3
归类为内开关管。
55.在图1中，e为直流电源，c
dc1
和c
dc
：分别为支撑电容，l为三相电感，r为三相电阻，ea、eb和ec分别为三相电网的输入端，d
kj
为开关管s
kj
上并联的二极管，k＝a，b，c，j＝1，2，3，4。v
dc
为直流电压，ia、ib和ic为三相输出电流。
56.图2为本发明短路故障诊断方法的流程图，图6为本发明短路故障的框图。由图2和图6可见，本发明所述短路故障诊断方法对系统停机时短路开关管进行故障诊断，包括以下步骤：
57.步骤1，在设定的采样周期内对系统停机后的三相输出电流进行两个基波周期的采样，得到系统停机后2n个三相输出电流采样值，n为一个基波周期内的最大采样次数，n为正整数；
58.将两个基波周期按照系统停机后出现的顺序分别记为第一基波周期和第二基波周期，将第一基波周期中的n个三相输出电流采样值记为第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
，将第二基波周期中的n个三相输出电流采样值记为第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
，n为三相输出电流采样值的序号，n＝1，2，...n；
59.将第一基波周期中n个三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，c
in
的峰值记为前一峰值i
a.max
，i
b，max
，i
c.max
，将第二基波周期中n个三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
的峰值记为后一峰值i
′
a.max
，i
′
b，max
，i
′
c.max
。
60.步骤2，进行故障类型的初步判断，具体如下：
61.若系统停机后，n个第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
和n个第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
均为0，则认定系统发生其他故障导致停机。
62.步骤3，以时间为横坐标、三相输出电流值为纵坐标，以步骤1得到的第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
和第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
为数据点，在平面坐标系中绘制系统停机后三相输出电流的波形图，得到以下两种波形；
63.波形1：第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
与第二基波周期三相输出电
流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
在相对应的n下分别对应相等，且这两个基波周期三相输出电流采样值构成的三相输出电流的波形均呈半波现象；
64.波形2：在第一基波周期内，第一基波三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
构成的三相输出电流的波形均呈半波现象，且在到达前一峰值i
a.max
，i
b，max
，i
c.max
后，i
an
，i
bn
，i
cn
衰减为0，n个第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
均为0，即在第一基波周期内，三相输出电流的波形均呈半波现象，且在半波完成后，三相输出电流的波形为一条直线；
65.对波形1，认定为外开关管故障导致系统停机；对波形2，认定为内开关管故障导致系统停机。
66.步骤4，外开关管故障导致系统停机的进一步判断，具体如下：
67.若i
a.max
为正，i
b.max
为负，i
c.max
为负，则开关管s
a1
发生短路故障；
68.若i
a.max
为负，i
b.max
为正，i
c.max
为正，则开关管s
a4
发生短路故障；
69.若i
a.max
为负，i
b.max
为正，i
c.max
为负，则开关管s
b1
发生短路故障；
70.若i
a.max
为正，i
b.max
为负，i
c.max
为正，则开关管s
b4
发生短路故障；
71.若i
a.max
为负，i
b.max
为负，i
c.max
为正，则开关管s
c1
发生短路故障；
72.若i
a.max
为正，i
b.max
为正，i
c.max
为负，则开关管s
c4
发生短路故障。
73.步骤5，内开关管故障导致系统停机的进一步判断，具体如下：
74.若i
a.max
为正，i
b.max
为负，i
c.max
为负，则开关管s
a2
发生短路故障；
75.若i
a.max
为负，i
b.max
为正，i
c.max
为正，则开关管s
a3
发生短路故障；
76.若i
a.max
为负，i
b.max
为正，i
c.max
为负，则开关管s
b2
发生短路故障；
77.若i
a.max
为正，i
b.max
为负，i
c.max
为正，则开关管s
b3
发生短路故障；
78.若i
a.max
为负，i
b.max
为负，i
c.max
为正，则开关管s
c2
发生短路故障；
79.若i
a.max
为正，i
b.max
为正，i
c.max
为负，则开关管s
c3
发生短路故障。
80.图3为本发明实施例中其他故障导致系统停机时系统停机前后的三相输出电流波形示意图。其中，横坐标为时间，纵坐标为三相输出电流值，由图3可见，在系统停机后，三相电流的波形为一纵坐标值为0的直线。对于该种波形，认定为其他故障导致系统停机。
81.图4为本发明实施例中外开关管故障导致系统停机时系统停机前后的三相输出电流波形示意图。坐标与图3相同。其中，0.21s-0.23s为第一基波周期，0.23s-0.25s为第二基波周期，由图4可见，第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
与第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
在相对应的n下分别对应相等，且这两个基波周期三相输出电流采样值构成的三相输出电流的波形均呈半波现象。
82.图5为本发明实施例中内开关管故障导致系统停机时系统停机前后的三相输出电流波形示意图。坐标与图3相同。其中，0.21s-0.23s为第一基波周期，0.23s-0.25s为第二基波周期。由图5可见，在第一基波周期内三相输出电流的波形呈半波现象，且在半波完成后，三相输出电流的波形为一纵坐标值为0的直线。

技术特征：

1.一种基于系统停机后三相电流波形特性的短路故障诊断方法，所述系统为t型三电平并网逆变器系统，所述系统停机指的是系统发生开关管短路故障后系统立刻停机的状态；所述t型三电平并网逆变器系统包括直流电源、两个相同的支撑电容、主逆变电路、三相电感、三相电阻和三相电网；两个支撑电容串联后并联在直流电源的直流正母线和直流负母线之间，其接点记为直流侧中点z；所述主逆变电路包括三相桥臂，在三相桥臂的每相桥臂中包括4个带反并联二极管的开关管，即主逆变电路共包括12个带反并联二极管的开关管，将12个带反并联二极管的开关管记为开关管s
kj
，其中，k表示相序，k＝a，b，c，j表示开关管的序号，j＝1，2，3，4；在12个开关管s
kj
中，所述开关管s
a2
、开关管s
b2
、开关管s
c2
的集电极分别接直流侧中点z；在三相桥臂的每相桥臂中，所述开关管s
k1
的集电极接直流正母线，所述开关管s
k4
的发射极接直流负母线，所述开关管s
k2
的发射极接开关管s
k3
的发射极，开关管s
k3
的集电极分别与开关管s
k1
的发射极、开关管s
k4
的集电极连接在一起，并构成主逆变电路的输出点p
k
，k＝a，b，c；主逆变电路的输出点p
k
与三相电感一端的对应相相接，三相电感另一端的三相分别与三相电阻一端的对应相相接，三相电阻另一端的三相接入三相电网；将开关管s
k1
和开关管s
k4
归类为外开关管，开关管s
k2
和开关管s
k3
归类为内开关管；其特征在于，所述短路故障诊断方法对系统停机时短路开关管进行故障诊断，包括以下步骤：步骤1，在设定的采样周期内对系统停机后的三相输出电流进行两个基波周期的采样，得到系统停机后2n个三相输出电流采样值，n为一个基波周期内的最大采样次数，n为正整数；将两个基波周期按照系统停机后出现的顺序分别记为第一基波周期和第二基波周期，将第一基波周期中的n个三相输出电流采样值记为第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
，将第二基波周期中的n个三相输出电流采样值记为第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
，n为三相输出电流采样值的序号，n＝1，2，...n；将第一基波周期中n个三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
的峰值记为前一峰值i
a.max
，i
b，max
，i
c.max
，将第二基波周期中n个三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
的峰值记为后一峰值i
′
a.max
，i
′
b，max
，i
′
c.max
；步骤2，进行故障类型的初步判断，具体如下：若系统停机后，n个第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
和n个第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
均为0，则认定系统发生其他故障导致停机；步骤3，以时间为横坐标、三相输出电流值为纵坐标，以步骤1得到的第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
和第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
为数据点，在平面坐标系中绘制系统停机后三相输出电流的波形图，得到以下两种波形；波形1：第一基波周期三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，c
in
与第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
在相对应的n下分别对应相等，且这两个基波周期三相输出电流采样值构成的三相输出电流的波形均呈半波现象；波形2：在第一基波周期内，第一基波三相输出电流采样值i
an
，i
bn
，i
cn
构成的三相输出电流的波形均呈半波现象，且在到达前一峰值i
a.max
，i
b，max
，i
c.max
后，i
an
，i
bn
，i
cn
衰减为0，n个第二基波周期三相输出电流采样值i
′
an
，i
′
bn
，i
′
cn
均为0，即在第一基波周期内，三相输出电
流的波形均呈半波现象，且在半波完成后，三相输出电流的波形为一条直线；对波形1，认定为外开关管故障导致系统停机；对波形2，认定为内开关管故障导致系统停机；步骤4，外开关管故障导致系统停机的进一步判断，具体如下：若i
a.max
为正，i
b.max
为负，i
c.max
为负，则开关管s
a1
发生短路故障；若i
a.max
为负，i
b.max
为正，i
c.max
为正，则开关管s
a4
发生短路故障；若i
a.max
为负，i
b.max
为正，i
c.max
为负，则开关管s
b1
发生短路故障；若i
a.max
为正，i
b.max
为负，i
c.max
为正，则开关管s
b4
发生短路故障；若i
a.max
为负，i
b.max
为负，i
c.max
为正，则开关管s
c1
发生短路故障；若i
a.max
为正，i
b.max
为正，i
c.max
为负，则开关管s
c4
发生短路故障；步骤5，内开关管故障导致系统停机的进一步判断，具体如下：若i
a.max
为正，i
b.max
为负，i
c.max
为负，则开关管s
a2
发生短路故障；若i
a.max
为负，i
b.max
为正，i
c.max
为正，则开关管s
a3
发生短路故障；若i
a.max
为负，i
b.max
为正，i
c.max
为负，则开关管s
b2
发生短路故障；若i
a.max
为正，i
b.max
为负，i
c.max
为正，则开关管s
b3
发生短路故障；若i
a.max
为负，i
b.max
为负，i
c.max
为正，则开关管s
c2
发生短路故障；若i
a.max
为正，i
b.max
为正，i
c.max
为负，则开关管s
c3
发生短路故障。

技术总结

本发明提供了一种基于系统停机后三相电流波形特性的短路故障诊断方法，属于光伏逆变器技术领域。该短路故障诊断方法对系统停机时短路开关管进行故障诊断，包括以下步骤：采样系统停机后两个基波周期内的三相输出电流；进行是否属于开关管故障的初步判断；绘制系统停机后三相输出电流的波形图；根据波形图判断短路开关管。本发明通过基于系统停机后三相输出电流的波形对开关管故障进行判断，能够简单、快捷且准确的定位出短路故障开关管的位置，有利于系统停机后快速排除故障，提高并网逆变器系统的可靠性。系统的可靠性。系统的可靠性。