一种基于谐波分析的级联逆变器H桥单元故障检测方法

摘要

本发明公开了一种基于开关频率谐波分析的级联型逆变器H桥单元短路故障检测方法，该方法基于对输出相电压的谐波分析，适用于载波移相PWM调制方式，分为输出交流电压采样、开关频率附近谐波提取与处理、故障判断与故障定位三个部分。级联型逆变器三相输出电压分别经低通滤波和A/D采样，通过离散傅里叶变换得到特征谐波；特征谐波幅值与故障阈值的比较结果作为故障判断的依据，其中故障阈值通过指令电压经一系列计算得到。故障定位则通过开关频率处谐波的相角范围来确定。该方法只需采集逆变器输出三相电压，无需增加其他硬件电路，可以节约成本并提高效率，具有较强应用能力，对于级联型逆变器实时故障检测方面的研究具有应用价值。

主权项

1.一种基于谐波分析的级联逆变器H桥单元故障检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1：输出交流电压采样：步骤1.1：利用电压传感器采集级联型逆变器的三相电压为v_xo，其中x代表x相，即x＝a,b,c，a,b,c为三相符号；将所述模拟信号v_xo通过低通滤波器进行滤波，滤波后的信号为v′_xo，低通滤波器的截止频率f_lp＝3f_sw，f_sw为级联型逆变器H桥单元输出电压的开关频率；步骤1.2，对所述滤波后的模拟信号v′_xo进行A/D采样，采样频率f_s为H桥单元输出电压开关频率f_sw的整数倍，采样所得的离散信号记为v_x(k)，其中0≤k≤N-1，N为一个工频周期内采样点的个数；步骤2：开关频率附近谐波提取与处理：步骤2.1：计算所述离散信号v_x(k)在H桥单元输出电压开关频率f_sw附近的离散傅里叶变换结果，记为：{V_x(n_sw-n₀),V_x(n_sw-n₀+1),…,V_x(n_sw),…,V_x(n_sw+n₀)}其中n_sw＝f_sw/f₀，n_sw为开关频率谐波的次数，每相所取f_sw附近谐波个数为2n₀+1；H桥单元输出电压开关频率f_sw，f₀=50Hz；步骤2.2：计算谐波幅值与相角；将所述x相电压离散傅里叶变换的结果分别与1/N相乘并化为指数形式，得到各相开关频率f_sw附近的多次谐波，记为其中x代表x相，x＝a,b,c，a,b,c为三相符号，m为谐波次数，即m＝n_sw-n₀,n_sw-n₀+1,…,n_sw+n₀，为m次谐波幅值，为m次谐波相角；步骤2.3：计算开关频率附近谐波；在所述复数序列中，取幅值最大的一项，记为即作为级联型逆变器输出相电压开关频率附近特征谐波；其中x代表x相，x＝a,b,c，a,b,c为三相符号，|C_xsw|为特征谐波幅值，即为m次谐波幅值，为特征谐波相角；步骤3：故障判断与故障定位；步骤3.1：计算故障阈值；级联型逆变器x相指令电压为将移相角度得到n个电压信号量n为每相H桥单元的个数，i＝1,2,…,n，f₀为工频50Hz，f_sw为H桥单元输出电压开关频率；x相参考开关频率谐波为$C_{\mathrm{xsw}}^{*}=\frac{{2v}_{\mathrm{dc}}}{\pi }\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\sin \left(\mathrm{\pi M}\frac{v_{\mathrm{xi}}^{*}}{v_{\mathrm{xm}}^{*}}\right)e^{j(i-1)\mathrm{\Delta \Phi }},$其中v_dc为单个H桥直流侧电压，为指令电压幅值，i＝1,2,…,n，M为调制比，ΔΦ＝2π/n，x相的故障阈值$\left|C_{\mathrm{xth}}\right|=\left|C_{\mathrm{xsw}}^{*}\right|+0.05v_{\mathrm{dc}};$步骤3.2：故障判断；将所述级联型逆变器x相输出电压开关频率附近特征谐波的幅值|C_xsw|与故障阈值|C_xth|比较，若|C_xsw|>|C_xth|，则判定为x相发生故障，否则为正常运行；步骤3.3：故障定位；若在t时刻判断为逆变器x相发生H桥单元短路故障，取所述步骤2.2中计算得到的f_sw处谐波的相角故障定位判据为：若第i个H桥单元发生故障，则落在范围内，其中t₀为t时刻之前x相第一个H桥单元三角载波v_cx1为最大值或最小值的时刻，t_sw＝1/f_sw，为所述步骤1.1中低通滤波器在f_sw处的相移。