单相脉冲整流器故障在线智能诊断实验设计

针对高速列车电力牵引系统中单相脉冲整流器的功率器件开路故障和传感器故障,设计了基于数据驱动的故障在线智能诊断实验。首先,对单相脉冲整流器系统进行数学建模,分析功率器件开路故障的故障拓扑和传感器故障的故障机理;然后,基于极限学习机算法和非线性自回归结构设计智能诊断模型,并将故障在线智能诊断实验分为离线训练和在线验证2个阶段;最后,基于RT Box半实物仿真器搭建快速原型控制实验平台,对故障模型和诊断模型进行实验验证。实验结果表明,构建的单相脉冲整流器故障在线智能诊断模型可以在1/4个基波周期内检测到故障的发生,并在3/4个基波周期内识别出具体故障类型。

基于自然容错开关表的五相永磁同步电机直接转矩控制

五相永磁同步电机(permanent-magnetsynchronous motor,PMSM)传统直接转矩控制(direct torque control,DTC)存在相电流畸变严重、共模电压(common-modevoltage,CMV)高、转矩和磁链脉动大等问题,且无法实现相开路故障情况下的无扰运行。为解决上述问题,提出一种基于自然容错开关表的DTC策略。该策略根据PMSM开路故障前后基电压矢量的特点以及三次平面合成电压矢量为零的原则,构建虚拟矢量(virtual vector,VV),设计故障前后同一套自然容错开关表,进而不但抑制了故障导致的转矩脉动,而且在故障前后均能降低三次谐波电流、减小转矩和磁链脉动、抑制CMV。实验结果验证所提策略的可行性。

用户侧储能两电平换流器开关管开路故障诊断

随着新型配电网发展,用户侧储能已成为配电网中的重要环节之一。储能设备的换流器是储能与电网的接口设备,其开关管是故障率较高的器件,且开路故障隐蔽性较强。针对配电网用户侧复杂的电能质量环境,在两电平换流器充电与放电过程中开关管开路故障机理研究基础上,提出了基于扩展卡尔曼滤波器(extended Kalman filter,EKF)与宽度学习系统(broad learning system,BLS)的开关管开路故障诊断方法。该方法通过EKF动态提取故障谐波的特征,BLS识别特征并诊断故障。通过仿真与实验证明在0.2~3(标幺值)的负载波动、5%~10%的系统谐波与±0.5 Hz频率偏移等配电网常见扰动下,单管开路故障与双管开路故障准确诊断与定位的准确率为100%,为用户侧储能系统监测提供有效支持。

基于全桥型MMC的开关序列切换方法及IGBT开路故障诊断策略

全桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因具备直流故障穿越能力受到广泛关注,但全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)中更多的开关器件数量对MMC的运行可靠性带来了巨大挑战。针对于此,首先提出了基于全桥型MMC的开关序列(switching sequence,SS)切换方法,通过增加一种子模块(submodule,SM)切除状态,能在不额外增加开关损耗的基础上,使所有类型IGBT开路故障均能够体现故障特性。进一步,分析了所提SS切换方法下的故障特点,并提出了IGBT开路故障诊断策略。所提策略通过判断SS计数是否超出阈值对故障进行检测,并定位故障SM,之后基于SS计数的正负或电容电压变化值进一步辨别故障类型。所提故障诊断策略能够准确检测出IGBT故障,定位出发生IGBT开路故障的SM,并辨别其故障类型,有利于主动运维。此外,所提策略无需额外硬件,并可在一个工频周期(20 ms)内完成对所有故障的准确诊断。最后通过硬件在环平台验证了所提SS切换方法及IGBT开路故障诊断策略的有效性。

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关管和电流传感器故障诊断

为提高中点钳位型三电平(3L-NPC)并网逆变器故障诊断的准确性和可靠性,针对其开关管开路故障和电流传感器故障,提出一种基于自适应滑模观测器的开关管开路故障和电流传感器故障同时诊断方法。该方法首先针对3L-NPC并网逆变器,设计一种收敛速度快且能显著抑制抖振的自适应滑模观测器来精确估计正常状态下的三相电流值;其次,利用实际电流和估计电流设计了故障检测变量;同时,利用实际三相电流之和以及估计三相电流之和来区分开关管故障和电流传感器故障;在此基础上,构造开关管故障定位变量和电流传感器故障识别变量,实现开关管开路故障的准确定位以及电流传感器故障类型的快速识别。实验结果验证了该文所提诊断算法的有效性和鲁棒性。

高压直流断路器在张北柔性直流电网中的应用

高压直流断路器是柔性直流换流站构成直流电网的核心设备,但±500 kV电压等级的高压直流断路器尚无应用经验。为了验证±500 kV高压直流断路器在实际应用中的开断特性,介绍了机械式、耦合负压式、混合式3种不同技术路线的高压直流断路器的拓扑结构,在张北柔性直流电网中通过现场实际短路接地故障,验证了±500 kV高压直流断路器能够在3 ms内可靠切断故障电流,最后对3种不同技术路线的高压直流断路器工作特性进行对比分析,指出了不同技术路线的高压直流断路器在分合闸过程中存在的问题,为大容量高压直流断路器的研制与应用提供一定参考。

基于DITC的开关磁阻电机功率变换器容错控制方法

针对开关磁阻电机(SRM)功率变换器中开路故障和短路故障导致的相电流和转矩异常情况,提出了一种容错控制方案。通过分析转速波动的机械运动方程,设计了基于参考转矩补偿的开路容错控制算法,以应对开路故障带来的相电流和转矩过大的问题。针对开关管短路故障,通过分析故障相关断区间内电流峰值和斜率变化特性,实现了对短路故障的及时诊断。一旦发现短路故障,将立即阻断故障相的励磁,并切换至开路故障模式,从而实现短路容错控制。两种故障容错方法均建立在直接瞬时转矩控制(DITC)的基础上。设计了转速分别为500 r/min和1000 r/min时开路、短路故障实验,仿真结果验证了该容错控制的正确性和有效性。

T型三电平逆变器开路故障诊断方法研究

本文以三相T型三电平逆变器为研究载体,以开关器件开路故障作为研究对象,采用“数据采集-特征提取-特征识别-软硬件部署”的工作范式,提出基于数据驱动的开关器件故障诊断方法。通过搭建完整诊断仿真平台,在基波周期时间尺度给出诊断结果,取得了95%以上的故障诊断准确率。

一种具有容错功能的多桥臂开关功放电路

功率放大器是主动磁悬浮轴承系统中主要的执行元件,但由于开关管长期工作在高频状态下,易发生故障,因此十分有必要开展故障容错研究。首先,提出一种具有容错功能的多桥臂开关功放拓扑结构,能同时实现对五相六桥臂开关功放的开路和短路故障容错控制。其次,分析所提拓扑的工作原理,并提出以电流斜率变化作为故障判断条件的方法,采用相应的容错控制策略,实现冗余桥臂对故障桥臂的替换,以达到容错的目的。最后,通过仿真和实验验证了该拓扑在故障后经过容错能使负载电流恢复正常,证明了拓扑的合理性和可行性。

光伏发电变换器的功率管故障检测与定位研究

光伏发电变换器容易因为功率器件发生开路故障或短路故障造成系统停机,在并网状态下还会对公共电网造成瞬间冲击。为了有效识别光伏发电变换器存在的功率管故障,提出一种低成本的光伏串联谐振变换器的功率管故障检测与定位策略,可以在变换器输入侧功率管发生短路故障和输出侧功率管发生开路故障时快速实现对故障的精确检测与定位,使系统能够快速检测到故障并及时地应对故障。对于输入侧功率管的短路故障,利用基于光伏组件电压测量的方法来检测短路故障;输出侧的功率管开路故障则通过检测与直流母线共用同一个地的2个底部开关的电压来发现。搭建一台300 W的实验样机对所提方案进行验证,实验结果表明本文方案可以快速精准地识别2种功率管故障,并在检测到故障后及时控制系统使其恢复到可接受的工作状态。

基于开关函数模型的逆变器开路故障诊断方法

逆变器的安全性和可靠性直接关系到电机驱动系统的正常运行。在研究逆变器在正常和故障状态下开关函数模型的基础上,提出一种功率管开路故障快速简易诊断方法。该方法根据故障和正常态器件承受电压的不同,采用简单的硬件电路来诊断和定位器件的开路故障。为保障诊断的有效性和可靠性,提出采用开关信号上升沿延时的方法来避免因IGBT开通和关断延迟造成的误诊断,并给出延时时间的确定方法。在搭建的感应电机变频调速(variable voltage and variable frequency,VVVF)控制和永磁同步电动机矢量控制系统中进行实验验证,实验结果表明,所提故障诊断方法能有效诊断逆变器单管和桥臂的开路故障。

电力有源滤波器故障诊断与容错控制研究

针对电力有源滤波器(active power filter,APF)中IGBT容易损坏的特点,提出一种低成本的基于硬件电路的开路故障诊断与容错控制方案。开路故障诊断与容错控制硬件电路快速诊断并识别故障源,产生容错控制信号,控制继电器并驱动交流接触器切除故障相,将原故障相输出端切换到直流侧电容中点,将APF改变成容错型三相四开关拓扑结构,同时控制器控制算法切换到相应故障相的三相四开关电压空间矢量算法。推导各种开路故障时容错型三相四开关空间矢量的特点,为控制器切换控制算法提供依据。实验结果表明,该硬件开路故障诊断与容错控制方案具有一定的工程参考价值。

三相逆变器开关管故障诊断方法研究进展

逆变器的安全运行得到了研究者的广泛重视。对现有的逆变器开关管开路故障诊断方法进行了归类和总结,从检测变量的角度将其分为两大类:基于电流量的诊断方法和基于电压量的诊断方法。文章首先以开环V/F感应电机控制系统和永磁同步电机矢量控制系统为例,对逆变器的开路故障效应进行了仿真,分析了故障诊断方法所依据的电压和电流模式。在此基础上,介绍了各故障诊断方法的原理,并从适用性、算法复杂性、诊断时间和可靠性等角度,对这些方法进行了对比,指出了逆变器开关管故障研究的难点和今后的研究方向。

基于IGBT输出功率的逆变器开路故障诊断方法

地铁辅助逆变器故障的及时诊断对于运行和维护都至关重要,特别是在列车运行途中,如果能够及时检测和诊断出列车上的辅助逆变器故障,将能够提高列车运行的安全性和可靠性。针对逆变器中存在的IGBT开路故障,比较了逆变器中各相电流正、负半波部分在正常和故障情况下的流向和对应的功率,提出了通过检测各相电流正、负半波部分对应的功率进而反映各IGBT的输出功率和工作状况的方法,以对逆变器中的IGBT开路故障进行诊断。算例结果表明所提方法的有效性。

逆变器并联系统功率管开路故障诊断研究

冗余容错控制的关键在于故障的诊断。该文通过仿真和实验,对无输出隔离变压器的逆变器并联系统功率管开路故障诊断进行了研究。以半桥逆变器为例,分析了逆变器并联系统在功率管开路故障下的等效电路和故障表现形式,提出了几种故障识别方案。通过检测并联系统各模块电感电流,在两台并联实验样机上实现了故障识别和故障模块的在线切除,验证了方案的可行性。该方案简单,适合于任意数量逆变器并联模块。

海上双馈风电机组开路故障容错重构技术

为了降低海上风电场的度电成本,避免可及性差导致的维护困难,提出一种海上双馈风电机组开路故障的容错方法。首先,根据开路故障的位置特点给出不同的硬件重构方案。然后,针对转子侧变流器单相开路故障,优化故障后的三相四开关变频器调制信号,同时加入直流电压偏差,补偿故障引起的直流电容电压波动。仿真与实验结果表明,发生单相开路故障后,通过软、硬件容错技术可实现无冗余配置下的非备份式容错运行,提高机组的可用率。

3种谐波电流注入模式下的磁通切换永磁电机缺相容错控制

对矢量控制九相定子36槽/转子34极磁通切换永磁(flux-switching permanent magnet,FSPM)电机驱动系统中一相断路故障工况进行研究。单相故障时,根据转矩电流分量不变及定子铜耗方程,提出了3种谐波电流注入模式下无扰运行的容错控制策略,即在容错运行时分别注入3次,3、5次以及3、5、7次谐波电流,进而获得铜耗最小优化目标的容错电流通用在线生成方法。仿真分析和原理样机容错实验结果,证明了所提方案可以减小定子绕组断路故障引起的转矩脉动,使九相FSPM电机在故障状态下的运行性能得到明显改善,有效提高调速系统的可靠性。

新型磁控式故障限流器

提出一种新型磁控式故障限流器,它由电流源提供直流电流,并采用晶闸管导通切断直流电流。阐述了新型磁控式故障限流器的基本工作原理与基本结构。设计了一台220 V的新型磁控式故障限流器实验样机,对样机的性能进行了测试。测试结果表明:电力系统正常运行时,磁控式故障限流器对电力系统正常输电能力影响较小;电力系统发生短路故障时,磁控式故障限流器可以用20 ms左右的时间把短路电流减小至危害较小的程度。

三相四线制有源电力滤波器开路故障诊断

为提高四线制有源电力滤波器系统(active power filter,APF)运行可靠性,提出一种适用于三相四线制三桥臂三电平并联型APF的故障诊断算法。通过分析APF交流侧输出电压的数学模型,建立APF各相交流侧输出电压与相应IGBT导通占空比间的对应关系;通过正常状态和故障状态下输出电压与对应IGBT导通占空比间对应关系的不同诊断出开路故障,并根据故障状态下的电流路径进一步定位故障位置。该方法能够适用于单管及多管的开路故障诊断,具有很好的快速性和较高的可靠性,且适用于系统的动态响应过程。仿真和实验结果验证了所提算法的有效性。

基于运行模式分析的逆变器功率管开路故障诊断方法

提出一种新型逆变器功率管开路故障的在线诊断与定位方法。该方法在逆变器开关函数模型和运行模式分析的基础上,根据故障和正常状态下桥臂下管承受电压的不同,采用简单的硬件电路来实现,具有成本低、可靠性高、诊断时间短、适用性强等优点。对逆变器的运行模式进行研究,分别对正常状态和上下管开路故障状态时下管电压的实际值进行分析。分析结果表明,与由开关函数模型得到的下管电压估计值相比,上管和下管开路故障将产生不同的误差电压。另外,功率管开关延时、死区时间及测量噪声也会引起误差电压的产生,为了保障诊断的有效性需要加以消除。对于开关延时及测量噪声带来的误差电压,采用阈值比较和脉宽限制的方法将其滤除;同时通过将误差电压与开关信号进行调制,有效地消除了死区时间内的误差电压。给出硬件实现方法,在永磁同步电机矢量控制系统中进行实验验证。该方法不受闭环控制策略的影响,从表现出故障态到诊断输出的时间在10μm以内。