基于自适应滑模观测器的中点...电平并网逆变器开路故障诊断_许水清.pdf

2023 年2月电 工 技 术 学 报Vol.38No.4第 38 卷第 4 期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYFeb.2023DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220423基于自适应滑模观测器的中点钳位型三电平并网逆变器开路故障诊断许水清1黄文展1何怡刚1胡友强2程庭莉1（1.合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥2300092.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）重庆400044）摘要为提高中点钳位型（NPC）三电平并网逆变器故障诊断的准确性和鲁棒性，该文针对其开关管单管和双管故障，提出一种基于自适应滑模观测器的开路故障诊断方法。该方法首先建立逆变器在正常状态和开关管故障状态下的混合逻辑动态模型；其次设计收敛速度快且显著抑制抖振的自适应滑模观测器精确估计正常状态下的三相电流值；然后利用实际系统和观测器的输出电流提出基于电流形态因子的故障检测方法；最后根据电流残差来构造故障定位变量进行故障定位。在此基础上，通过建立前次故障状态的自适应滑模观测器实现双开关管开路故障诊断。该文提出的方法能够同时实现单管和双管开路故障诊断，诊断速度快、鲁棒性强，且避免增加额外传感器。实验结果验证了该文所提诊断方法的鲁棒性和有效性。关键词：NPC 三电平并网逆变器开路故障自适应滑模观测器电流形态因子中图分类号：TM4640引言随着新能源发电的快速发展，并网逆变器作为连接新能源发电系统和公用电网的有效接口，具有举足轻重的作用。在各种并网逆变器拓扑中，中点钳位型（Neutral-Point-Clamped,NPC）三电平逆变器由于具有器件电压应力低、功率损耗小和输出电压谐波含量少等优点，得到了广泛应用1。然而由于运行环境多变，加上开关管器件数量较多且电路结构复杂，使得任何一个开关管故障均可导致 NPC三电平并网逆变器无法正常工作，甚至引发二次故障，造成重大经济损失和安全事故。因此，NPC 三电平并网逆变器开关管故障诊断具有十分重要的研究意义和应用价值。NPC 三电平并网逆变器开关管故障主要分为短路故障和开路故障2。短路故障由于具有演变速度快和危害程度大等特点，通常在逆变器中集成硬件检测装置和保护电路，将短路故障转化为开路故障来处理3。因而，本文主要研究 NPC 三电平并网逆变器的开关管开路故障。目前，开关管开路故障诊断方法从技术上主要分为数据驱动法和模型法。数据驱动法主要包括信号处理法4-5、人工智能法6以及两者相结合的算法7等。如文献8利用电流矢量瞬时频率和电流矢量瞬时角度来构造故障检测变量，提出了基于电流矢量特征分析的逆变器开路故障诊断方法。文献9首先采用基于累积和算法的故障监测方法，其次提出基于归一化输出电流平均值和绝对平均值的故障识别方法实现功率器件开路故障诊断。文献10首先利用滑动三角化处理提取相电流信号的多尺度趋势特征，然后利用回声状态网络进行故障分类从而实现微电网逆变器开路故障诊断。然而，数据驱动法过度依赖所获得数据的数量和质量，譬如人工智能法需要大量数据进行训练，复杂度较高，限制了其在实际工程中的应用。模型法主要通过分析和估计实际逆变器输出与参考模型输出之间的残差来进行故障诊断11。如文国家重点研发计划项目（2016YFF0102200）、国家自然科学基金重点项目（51637004）、国家自然科学基金联合基金重点项目（U2034209）、国家自然科学基金面上项目（62273128）、国家自然科学基金青年项目（61803140）和中国博士后科学基金面上项目（2020M682474）资助。收稿日期 2022-03-24改稿日期 2022-05-04第 38 卷第 4 期许水清等基于自适应滑模观测器的中点钳位型三电平并网逆变器开路故障诊断1011献12通过建立三相逆变电路电流观测器，利用三相电流测量值与观测值之间的误差构造故障检测变量，实现开关管开路故障诊断。文献13利用龙伯格观测器观测三相电压源逆变器的输出电流，并利用输出电流特征设计自适应阈值以实现故障诊断。文献14设计了一种电流区间滑模观测器精确估计逆变器正常工作时的三相电流，并根据观测电流与测量电流的残差特征构造残差信息表实现开关管开路故障定位。文献15构造了三相电压源逆变器的微分电流观测器，并利用微分电流测量值与观测值之间的残差设计诊断变量，从而实现开路故障诊断。模型法具有诊断时间短和计算成本低等优点，然而如何建立精确的模型并设计合适的阈值是保证模型法有效性和鲁棒性的关键。目前，国内外针对 NPC 三电平逆变器的开关管开路故障诊断问题已取得了一些研究成果16。如文献17利用小波包能量谱熵提取桥臂电压信号特征，通过自适应矩估计小波神经网络建立故障字典，实现逆变器开路故障诊断。文献18根据 NPC 三电平逆变器输出相电流均值识别故障相，随后在短时间内注入无功电流实现开关管故障定位。文献19提出了基于模型与数据处理相结合的 NPC 三电平逆变器开路故障诊断方法，首先通过建立比例积分滑模观测器估计三相输出电流，然后对相电流和电网电压的故障特征进行数据处理实现故障定位。文献20提出了一种基于知识驱动和数据驱动的开关管开路故障诊断方法，首先利用 Concordia 变换对故障电流样本进行处理，然后基于随机森林算法实现故障分类。文献21基于特征矩阵联合近似对角化和独立分量分析进行故障特征提取，然后利用神经网络实现了 NPC 三电平逆变器开关管故障定位。然而目前这些故障诊断算法，算法复杂度较高，诊断时间较长且大多只能实现单管故障诊断。针对上述问题，本文提出了一种基于自适应滑模观测器的 NPC 三电平并网逆变器开路故障诊断方法。该方法首先设计了收敛速度快且显著抑制抖振的自适应滑模观测器；其次提出了基于电流形态因子的故障检测方法；然后利用电流残差构造故障定位变量进行故障定位；最后通过建立前次故障状态的自适应滑模观测器实现双开关管开路故障诊断。本文提出的故障诊断算法有如下优点：建立了新的自适应滑模观测器：通过设计新型自适应趋近律，构建了收敛速度快且显著抑制抖振的自适应滑模观测器，输出电流估计更加精确；提出了新的故障检测与定位方法：根据设计的电流形态因子，构造两个故障检测特征量并设计自适应阈值，同时结合电流残差构造故障定位变量进行故障定位，故障诊断结果准确性更高、鲁棒性更强；提出了新的双管故障诊断方法：在首次故障发生后，通过用故障开关函数替代原开关函数来建立前次故障状态的自适应滑模观测器，能够验证首次故障诊断的准确性并实现双开关管开路故障诊断。实验结果验证了本文所提算法的有效性和鲁棒性。1NPC 三电平并网逆变器混合逻辑动态模型1.1正常状态下的逆变器混合逻辑动态模型NPC 三电平并网逆变器拓扑结构如图 1 所示。图中，逆变电路每相桥臂由四个开关管 Qxj（x=a,b,c;j=1,2,3,4）、四个续流二极管 VDxj和两个钳位二极管 VD1x、VD2x组成；dcU为直流侧电压；R 为等效电阻；L 为滤波电感；O 为直流侧中性点。图 1NPC 三电平并网逆变器拓扑结构Fig.1Topology of NPC three-level grid-connected inverter由图 1 可得系统状态方程为aanaabbnbbccnccddddddiuRiLetiuRiLetiuRiLet=+|=+|=+|（1）式中，anu、bnu、cnu为逆变器三相相电压；ae、be、ce为电网电压。根据电路拓扑约束关系和星形联结特点可得anadcbnbcnc2111216112uUuu-|=-|-（2）1012电 工 技 术 学 报2023 年 2 月式中，x为开关函数。由于x受开关管和二极管导通状态影响，根据 NPC 三电平逆变器的工作原理，x可表示为()()()()()()1212122334341Q&Q on VD&VD on0VD&Q on VD&Q on1Q&Q on VD&VD onxxxxxxxxxxxxx|=|-或或或（3）式中，on 为器件导通。在此基础上，选取变量 sxj表示开关管 Qxj的开关状态，sxj=1 表示开关管导通，sxj=0 表示开关管关断。并引入变量x表示电流方向，1x=表示电流由逆变电路流出，0 x=表示电流流入逆变电路。以 a 相为例，可得理想情况下 a 相开关函数与开关状态的关系见表 1。表 1理想情况下 a 相开关函数与开关状态的关系Tab.1The relationship between switching function andswitching state of phase-a in the ideal casesa1sa2sa3sa4aa1=a0=1100110110000011-1-1由表 1 可以看出，理想情况下开关状态 sx1与sx3互反，开关状态 sx2与 sx4互反。然而，在逆变器实际运行中，为了防止开关状态切换过程中直流侧电容直通而设置死区，使得开关状态短时间内存在sx1=sx3=0 和 sx2=sx4=0 的情况。例如，当开关状态sa1=0、sa2=1、sa3=0、sa4=0 时，若电流通过 VD1a和Qa2流向交流侧，则a0=如图 2a 所示；若电流通过 VDa2和 VDa1流向直流侧，则a1=如图 2b 所示。类似地，可得到实际运行中 a 相输出电压在不同开关状态和电流方向下开关函数见表 2。（a）a=1（b）a=0图 2a1a2a3a40,1,0,0ssss=时电流路径Fig.2Current paths ofa1a2a3a40,1,0,0ssss=表 2实际运行中 a 相开关函数与开关状态的关系Tab.2The relationship between switching function andswitching state of phase-a in practicesa1sa2sa3sa4aa1=a0=0000-110001-110010-100011-1-10100010110001000-111001-11110011基于上述分析，在逆变电路正常工作状态下，由表 2 进行逻辑运算，可推导出 a 相开关函数a为()()aa1 a2 a3a1 a2 a3 a4a2a3a2 a3 a4a1 a2 a3 a4s s ss s s ssss s ss s s s=+-+-（4）类似地，可推导出 NPC 三电平并网逆变器在正常状态下 b 相和 c 相开关函数为()()()()bb1 b2 b3b1 b2 b3 b4b2b3b2 b3 b4b1 b2 b3 b4cc1 c2 c3c1 c2 c3 c4c2c3c2 c3 c4c1 c2 c3 c4s s ss s s ssss s ss s s ss s ss s s ssss s ss s s s=+-+|-|=+-+|-（5）由此可推导出，NPC 三电平并网逆变器正常状态下的混合逻辑动态模型为12=+?iAiB B e（6）其中Tabciii=?iTabc=Tabceee=ediag,RRRLLL=-|Adc12111216112UL-|=-|-B2111diag,LLL=-|B进一步地，式（6）可以写为()12=+?iAiB B B e（7）式中，B 为三阶单位矩阵。第 38 卷第 4 期许水清等基于自适应滑模观测器的中点钳位型三电平并网逆变器开路故障诊断10131.2故障状态下的逆变器混合逻辑动态模型以 a 相为例，当Qa1发生开路故障时，逆变器开关状态 sa1=0，则由表 2 可得，a 相桥臂在不同开关状态和不同电流方向下的开关函数见表 3。表 3Qa1开路故障时 a 相开关函数与开关状态的关系Tab.3The relationship between switching function andswitching state of phase-a inQa1open-circuit faultsa1sa2sa3sa4a1a1=a0=0000-110001-110010