本發(fā)明涉及三電平雙向直流變換器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領域，尤其涉及一種基于頻率分析的三電平雙向直流變換器功率器件故障診斷方法。

背景技術：

1、近年來，儲能行業(yè)發(fā)展迅速，并隨著儲能系統(tǒng)的功率等級不斷提升，需要使用母線電壓等級更高、兩側電壓差更大的直流變換器，才可滿足其高壓大電流的特征，因此多電平技術，尤其是混合三電平技術成為其構建直流變換器的有效手段，其通過改造主電路拓撲結構實現(xiàn)多電平輸出，降低功率器件的電壓應力，可避免功率器件串聯(lián)，有利于更大輸出容量、更高電壓等級的系統(tǒng)實現(xiàn)。

2、但是，隨著多電平技術的提升，開關管的數(shù)量也隨之提高，導致混合三電平結構的變換器故障概率也會增加。經過相關統(tǒng)計可知，其中大部分故障的原因都來自功率開關管（即igbt），并且最終會以開關管斷路故障的形式表現(xiàn)出來。

3、多電平變換器的功率開關管出現(xiàn)斷路故障，對于變換器來說是致命打擊，甚至影響到儲能系統(tǒng)的諧波水平及振動噪聲性能，而儲能系統(tǒng)目前越來越傾向于無人或少人值守，更對于該類故障的預防和處理提出了更高的要求。

4、因此，就需要一種能夠對混合三電平變換器的斷路故障進行檢測、提前預警且能夠精準定位故障的三電平雙向直流變換器功率器件故障診斷方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的三電平雙向直流變換器由于功率開關管出現(xiàn)斷路故障導致變換器故障、缺乏故障檢測、無法準確找到故障點的缺陷，提供了一種能夠對混合三電平變換器的斷路故障進行檢測、提前預警且能夠精準定位故障的三電平雙向直流變換器功率器件故障診斷方法。

2、本發(fā)明所述的一種三電平雙向直流變換器功率器件故障診斷方法，包括如下步驟：

3、步驟1、采集三電平雙向直流變換器的運行狀態(tài)信息；

4、步驟2、確定可表征三電平雙向直流變換器運行狀態(tài)的特征值；

5、步驟3、處理并判斷三電平雙向直流變換器的故障特征信息；對三電平雙向直流變換器進行故障診斷。

6、進一步地：在s1中，所述運行狀態(tài)信息包括高壓側超前橋臂中點與滯后橋臂中點之間的電壓、高壓側超前橋臂與滯后橋臂兩端的電壓、低壓側超前橋臂中點與滯后橋臂中點之間的電壓和低壓側超前橋臂與滯后橋臂兩端的電壓。

7、進一步地：在s2中，所述確定可表征三電平雙向直流變換器運行狀態(tài)的特征值具體包括如下步驟：

8、步驟21、在三電平雙向直流變換器投入運行前，根據其工作條件，測試額定工作條件下三電平雙向直流變換器的電壓、電流波形，分別記為，作為三電平雙向直流變換器運行狀態(tài)的初始值；

9、步驟22、對電壓初始值波形進行快速傅里葉分解處理，得到不同頻率段內初始電壓測試波形的頻域分布曲線，如下：

10、；

11、對初始電壓波形的頻段分布圖進行分析，確定出頻率分布最為集中的中心頻率，分別記為、、、，并將其作為電壓分量特征值。

12、進一步地：在s3中，所述處理并判斷三電平雙向直流變換器的故障特征信息是針對投入運行的三電平雙向直流變換器，對其運行狀態(tài)進行周期性采樣判斷，每隔x時間對上述監(jiān)測電壓探頭、監(jiān)測電流傳感器等的采集數(shù)據進行分析，重復前述處理過程，得到第x次采樣處理得到的三電平雙向直流變換器的故障特征值。

13、進一步地：所述三電平雙向直流變換器的故障特征值包括電壓頻域參數(shù)相關的中心頻率，分別包括第x次采樣得到高壓側超前橋臂中點與滯后橋臂中點之間的電壓波形的中心頻率、第x次采樣得到高壓側超前橋臂與滯后橋臂兩端的電壓波形的中心頻率、第x次采樣得到低壓側超前橋臂中點與滯后橋臂中點之間的電壓波形的中心頻率和第x次采樣得到低壓側超前橋臂與滯后橋臂兩端的電壓波形的中心頻率。

14、進一步地：在s3中，所述處理并判斷變換器的故障特征信息具體包括如下步驟：

15、在s3中，所述處理并判斷變換器的故障特征信息具體包括如下步驟：

16、步驟31、對三電平雙向直流變換器的電壓頻域參數(shù)變化情況進行分析，得到中心頻率變化值如下：

17、，y=ab、cd、ef、gh；

18、步驟32、通過對三電平雙向直流變換器特征值進行比較分析，判斷三電平雙向直流變換器出現(xiàn)斷路故障的具體位置。

19、進一步地：在s32中，當電能由左側向右側流動的傳輸過程中，所述對三電平雙向直流變換器特征值進行比較分析的具體步驟為：

20、當＞0.1，＜0.1，且＜0.1，＜0.1，斷路故障僅出現(xiàn)在左側第一橋臂；

21、當＜0.1，＞0.1，且＜0.1，＜0.1，斷路故障僅出現(xiàn)在左側第二橋臂；

22、當＜0.1，＜0.1，且＞0.1，＜0.1，斷路故障僅出現(xiàn)在右側第一橋臂；

23、當＜0.1，＜0.1，且＜0.1，＞0.1，斷路故障僅出現(xiàn)在右側第二橋臂。

24、進一步地：所述左側第一橋臂包括開關管、開關管、開關管和開關管，所述左側第二橋臂包括開關管、開關管、開關管和開關管，所述右側第一橋臂包括開關管和開關管，所述右側第二橋臂包括開關管和開關管。

25、進一步地：在s32中，當電能由右側向左側流動的傳輸過程中，所述變換器斷路故障的判斷依據將有部分改變，調整后的判斷依據如下：

26、當＞0.5，＜0.5，且＜0.1，＜0.1，斷路故障僅出現(xiàn)在右側超前橋臂；

27、當＜0.5，＞0.5，且＜0.1，＜0.1，斷路故障僅出現(xiàn)在右側滯后橋臂；

28、當＜0.5，＜0.5，且＞0.1，＜0.1，斷路故障僅出現(xiàn)在左側第一橋臂；

29、當＜0.5，＜0.5，且＜0.1，＞0.1，斷路故障僅出現(xiàn)在左側第二橋臂。

30、進一步地：所述左側第一橋臂包括開關管、開關管、開關管和開關管，所述左側第二橋臂包括開關管、開關管、開關管和開關管，所述右側超前橋臂包括開關管和開關管，所述右側第二橋臂包括開關管和開關管。

31、本發(fā)明的有益效果是：

32、本發(fā)明所述的基于頻率分析的三電平雙向直流變換器功率器件故障診斷方法，可對儲能系統(tǒng)中常用的多電平直流變換器進行運行狀態(tài)和故障位置的判斷，并通過頻率分析的方式，以實現(xiàn)變換器中開關管狀態(tài)的實時監(jiān)測，更為精確、快速地反映出中點電壓失衡的問題。

33、本發(fā)明所述的基于頻率分析的三電平雙向直流變換器功率器件故障診斷方法可通過持續(xù)在線監(jiān)測和智能診斷相結合的方式，將功率開關管出現(xiàn)斷路故障問題之初就進行快速識別和判斷，并能夠預警其故障發(fā)生，

34、本發(fā)明所述的基于頻率分析的三電平雙向直流變換器功率器件故障診斷方法可實現(xiàn)對儲能電站、船舶推進系統(tǒng)及新能源發(fā)電系統(tǒng)等場合常用的中點鉗位型三電平直流變換器常出現(xiàn)的功率器件斷路問題的監(jiān)測、診斷和預警，有效降低斷路故障的不斷加深和蔓延導致的變換器橋臂直通、功率器件連續(xù)損壞等問題發(fā)生概率。同時，本發(fā)明通過持續(xù)在線監(jiān)測和智能診斷相結合，將器件斷路故障問題在出現(xiàn)之初就進行快速診斷和定位，防止該故障的蔓延和加重，有助于提升儲能電站、船舶推進系統(tǒng)及新能源發(fā)電系統(tǒng)等設施中多電平直流變換器的安全運行性能。