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论文详见网页：https://ieeexplore.ieee.org/document/9932005

 

论文标题：配电网多种扰动情况下并网逆变器开路故障诊断

 

Shunfan He; Wei Tian; Rongbo Zhu; Yan Zhang; Sun Mao, “Electrical signature analysis for open-circuit faults detection of inverter with various disturbances in distribution grid”,

IEEETrans.IndustrialInformatics.DOI10.1109/TII.2022.3217757.

 

一、主要研究内容

 

并网逆变器是新能源与储能对电力系统的接口。逆变器的开关器件开路故障（open-circuit fault, OCF）是一种常见的逆变器故障。一般情况，逆变器本身不会对OCF进行报警，然而OCF会引起交流侧直流偏置，谐波大量增加，电流有效值降低，甚至导致电流不可控。本文针对配电网中电能质量复杂情况下的逆变器开关管OCF诊断与定位，提出了一种基于无迹卡尔曼滤波器与极限学习机的方法。该方法针对故障时的特征谐波，利用无迹卡尔曼滤波器的谐波动态跟踪以及极限学习机快速识别的特点，实现了复杂电能质量情况下准确快速的逆变器开关管OCF诊断与定位。

 

 

 

二、实验平台方法验证

 

本文以南京研旭YXSPACE-SP1000平台为核心，以两电平逆变器配合三相可编程电源与负载，共同组成了配网逆变器并网实验系统。为配合各种配电网电能质量扰动环境，需要准确控制逆变器开关管开路故障的时刻与持续时间，利用RCP单元，可在线通过触发脉冲信号精准控制此时刻与时间。本文一共实现了三相不平衡、电压暂降、电网谐波、频率偏移、负载变化、偏置电流等多种常见配电网电能质量扰动下的逆变器开关管OCF诊断与定位。

 

 

三、故障建模及其识别与定位分析

 

在并网逆变器发生OCF时，电压几乎没有变化，由电网决定。本文仅使用逆变器电流作为测量量，不需要额外传感器。其原理如下：

 

3.1故障原理

 

逆变器OCF发生后，其电流会发生畸变，主要包含直流分量与大量低阶谐波。谐波的特征由逆变器故障机理以及并网电流控制器决定，不受其他因素影响。而三相电流由于耦合关系，当其中一相电路故障时，其他两相电流也会产生畸变。

 

A相故障S1开路时，三相电流的谐波谱图

 

注意到发生OCF后会产生明显的直流分量（DC）以及偶次谐波，本文采用DC，二次谐波，四次谐波以及六次谐波作为故障特征。

 

3.2故障建模

 

逆变器电流是其发生OCF的故障电气标识（electrical signature），因此对ABC三相逆变器电流进行时变建模如下：

 

 

其状态转移矩阵与测量矩阵如下：

 

 

其无迹卡尔曼滤波器UKF模型如下：

 

 

通过UKF循环，可得到三相电流的各谐波的幅值、频率及相角。

 

3.2故障特征提取

 

为避免负载变化带来的干扰，采用谐波对基波的比值：比例二次谐波，比例四次谐波以及比例六次谐波进行特征预处理。该值可用于判断哪一相发生了故障。

 

 

同时，为了定位上桥臂与下桥臂的故障同时避免直流电流的干扰，采用临近两周期的直流变化量来确定故障处于上桥臂或下桥臂。

 

 

3.3故障特征识别

 

极限学习机（extreme learning machine, ELM）是一类基于前馈神经网络（Feedforward Neuron Network, FNN）构建的机器学习系统或方法，其特点是隐含层节点的权重为随机或人为给定的，且不需要更新，学习过程仅计算输出权重，为在学习速率和泛化能力方面可能具有优势。

 

 

通过计算

 

 

当sign(F(x))>0时，判断为发生了故障，反正则无故障。两电平逆变器故障有四种类型：
（1）单管故障，例如S1故障；
（2）双管故障，双管同相，例如S1、S2故障：
（3）双管故障，双管同桥臂不同相，例如S1、S3故障；
（4）双管故障，双管不同桥臂不同相，例如S1、S4故障。

因为（2）与（3）是（1）的组合形式，因此本文仅讨论（1）与（4）的情况。

并网逆变器OCF诊断与定位流程图

 

4.仿真与实验结果

 

4.1负载变化情况单管故障、

 

如图，负载在0.3s与0.5s发生变化，S1OCF发生在0.4s。可以看到A相电流在OCF发生后特征稳定，不随负载变化而变化，但BC相电流谐波会因负载变化而变化。从F(x)的值可以看出故障发生在A相，由SDC的变化可知故障发生在上桥臂。因此综合得到S1发生OCF。从识别过程看，检测并定位到故障共计用时不到2个周期，检测速度快。本文采用的时变检测方法，检测延时即为最终延时。

 

负载变化时的S1故障诊断与定位

 

4.2频率偏移情况单管故障

 

如图，负载在0.3s与0.5s发生变化，S1OCF发生在0.4s，电网频率为49.5Hz。从图中可以看到故障诊断过程与4.1类似，可清晰辨识出S1发生OCF，频率的偏移并未对故障诊断与定位造成任何影响。其原因在于本文利用的比例谐波幅值作为故障特征，频率的变化不改变谐波幅值。

 

频率偏移时的S1故障诊断与定位

 

4.3频率偏移情况多管故障

 

如图，负载在0.3s与0.5s发生变化，S1与S2在0.4s同时发生OCF，电网频率为49.5Hz。从图中可以看到当S1与S2均发生OCF时，整个A相完全切除，电流值非常小，仅靠反向二极管的续流得到极小幅值的电流，S1与S2的OCF被准确识别与定位，且频率偏移对此没有影响。

 

频率偏移时的S1与S2故障诊断与定位

 

4.4不平衡电压暂降情况

 

单相接地故障是发生率最高的配电网故障。如图，A相在0.3s与0.5s发生单相接地故障，电压暂降15%，S1OCF发生在0.4s，而电网频率为50Hz。从图中可以看到故障诊断过程未受到不平衡电压暂降的影响，可清晰辨识出S1发生OCF，而非故障相的谐波均因电压暂降而改变。其原因在于故障谐波只有故障机理决定，是一种强迫响应，而非故障相的谐波没有故障的维持，当受到干扰时，其值会发生变化。

 

不平衡电压暂降时的S1故障诊断与定位

 

其他干扰情况下的OCF详细的诊断与定位请参考论文

 

5.结论

 

本文利用时变谐波检测的原理，以逆变器电流作为故障电气标识，通过UKF对逆变器开关管OCF电流进行了特征提取，通过ELM对此特征进行了类型识别，实现了在线、时变、非入侵的逆变器开关管OCF诊断与定位，准确度高、检测速度快。并且针对配电网中复杂的电能质量环境，相较于已有的方法，该方法仍能够不受干扰进行正确的识别，具有较强的环境适应能力与工程实用价值。