基于Park电流的NPC整流器系统中检测开路故障的实时方法

本研究提出的实时检测NPC整流器系统中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开路故障的新方法，将有助于提高中压系统的稳定性，尤其是广泛应用于中压系统中的三电平中点钳位(3LNPC)转换器。3LNPC转换器由于与传统的两电平转换器相比具有诸多优势而被广泛使用。例如，相同直流母线电压下，开关器件承受的电压压力减半；在相同开关频率下，输出电压的谐波含量减少50%；在相同功率开关器件的情况下，输出功率加倍。 为了提高系统的稳定性，学者们研究了容错控制策略。故障诊断和定位是整个容错系统中不可或缺的一部分。尽管对于两电平和三电平转换器已经提出了各种各样的故障诊断策略，但即使是小的开路故障也可能影响系统的性能。 本研究提出的实时检测方法，不需要增加额外的电流和电压传感器，通过计算Park电流的q成分的下包络及其比较值来诊断故障。该方法的计算非常简单，最长的检测时间大约是两个电流周期。通过仿真结果验证了该方法的性能和有效性。 为了更好地理解这一方法的背景和意义，以下是对相关知识点的详细解读： 1. 多电平转换器：多电平转换器在近年来获得了越来越多的关注，因为它们具有较大的输出容量。当出现多电平拓扑结构时，便解决了设计高功率电压源转换器的问题。三电平转换器由于其独特的优点，比如降低开关器件的电压应力，减少输出电压的谐波含量，以及在相同功率开关器件的情况下，能加倍输出功率，因此成为了三电平中最为常见的转换器之一。 2. 三电平中点钳位(3LNPC)转换器：3LNPC转换器除了在高功率变换器中有广泛应用外，在中压系统中也得到了广泛应用。它能有效降低开关器件的电压应力，减少系统的谐波含量，并提高系统的整体性能。由于其高可靠性，3LNPC转换器在多个应用中都得到了利用，包括风电系统、七相电压源逆变器、光伏系统等。 3. 开路故障诊断：在3LNPC转换器中，IGBT作为关键的功率开关器件，其开路故障会严重影响系统性能。因此，实时准确地诊断出开路故障，对于系统稳定运行至关重要。开路故障可能不会立即导致系统停机，但会影响系统的性能和效率，甚至可能在长期运行中导致更加严重的系统损害。 4. 容错控制策略：为了应对开路等故障带来的风险，学者们提出容错控制策略。该策略能保障在某些元件发生故障时，系统仍能维持运行，或至少保证系统的安全关闭。故障诊断和定位是容错控制的重要一环，它为容错控制策略提供了故障发生的实时信息。 5. Park电流：本文研究方法中所提及的Park电流，其实是一种基于Park变换的电流信号处理方法。Park变换是一种数学方法，可将三相电流信号转换为两相信号（d-q轴分量），从而简化交流电机控制中的问题。在故障诊断领域，通过分析Park变换后的电流信号，可以更有效地检测和诊断故障。由于Park变换具有滤除特定频率干扰的优点，因此它在电力电子设备中的故障检测中非常有用。 6. 故障诊断方法：在现有的故障诊断方法中，大致可分为基于模型的方法和基于数据驱动的方法。基于模型的方法依赖于转换器的数学模型，通过分析模型参数的变化来检测故障。基于数据驱动的方法则依赖于大量运行数据来建立正常和异常状态下的模式，通过数据的模式识别来检测故障。本文所提出的基于Park电流的方法，通过计算Park电流的q分量的低包络并与其比较值对比，达到检测IGBT开路故障的目的，属于基于数据驱动的方法。 总结而言，本研究提出的基于Park电流的实时故障检测方法，在不需要额外硬件传感器的前提下，利用简单的算法对3LNPC整流器系统中的IGBT开路故障进行有效检测，这对于提高中压系统的稳定性和可靠性具有重要意义。通过仿真验证了该方法的有效性，为实际应用提供了可行的解决方案。