大功率光伏逆变器漏电流传感器
李舟等
摘要：
当电流传感器出现性能蜕化、故障或失效时，光伏微逆变器系统的输出会受到严重影响，甚至微逆变器系统其他部件有可能被直接损坏而导致整个系统永久失效；微逆变器系统中反激式变换器功率管的开路故障会引起2个交错支路电流不平衡，导致输出电流波形畸变率变大.为此，提出一种基于状态观测器的光伏微逆变器电流传感器和功率管开路故障诊断方法.建立两路反激式变换器的数学模型；构建状态观测器以实现对两路反激式变换器原边电流的在线估计，并生成残差；将残差与阈值进行比较，实现对微逆变器系统中电流传感器与功率管的实时故障诊断.仿真结果验证该方法可行且有效.
关键词：
光伏微逆变器； 故障诊断； 状态观测器； 电流传感器故障； 功率管开路故障
中图分类号： TP206.3
文献标志码： B
收稿日期： 2015[KG*9〗04[KG*9〗08
基金项目：
国家高技术研究发展计划（“八六三”计划）（2012AA051601）；长沙市科技局计划（K130102111）
作者简介：
李舟（1991—），女，湖南娄底人，硕士研究生，研究方向为光伏微逆变器故障诊断，（Email） landzhou423@163.com；
彭涛（1965—），女，湖南汉寿人，教授，博导，博士，研究方向为复杂系统、设备的故障诊断，（Email） pandtao@csu.edu.cn
0引言
近年来，微逆变器以具有单个组件最大功率跟踪、低直流电压、扩展灵活、即插即用、可靠性高等一系列优点，成为光伏逆变器研究的热点.微逆变器的主流研究方向有效率改善、功率解耦和波形质量等，少有学者关注微逆变器的可靠性运行问题.微逆变器长期工作于高温湿热的恶劣环境条件下，而微逆变器的可靠性要求高，一般要求与光伏组件相匹配的使用寿命为25 a [6]，因此实时监测微逆变器系统的运行状态、及时检测故障并处理故障是提高光伏并网微逆变器可靠性和产品寿命的关键.
传感器是微逆变器系统中必不可缺少的组件之一.良好的控制系统在很大程度上取决于传感器的精确测量，当传感器出现性能蜕化、故障或失效时，会严重影响系统控制，甚至可能使得系统偏离稳定状态，引起系统崩溃.此外，反激变换器中的功率管长期处于高频调制下，承受高电压和大电流，开关损耗较大、发热较为严重，也极易发生故障.当一路反激变换器功率管出现开路故障时，会造成另一路过流，导致其功率管和高频变压器超过额定功率而过热损坏，特别是长时间运行后，会严重影响系统的运行性能和设备使用寿命.目前，传感器和功率管的故障诊断已经引起不少学者的关注，但研究都集中在感应电机、无刷电机、风力发电、矩阵变换器和变频器等电力电子系统上，对光伏微逆变器中传感器和功率管故障诊断问题还未足够重视.因此，对光伏微逆变器中传感器和功率管故障诊断研究具有十分重要的意义.
常用的基于解析模型的故障检测方法有状态估计方法、等价空间方法和参数估计方法等.基于观测器的故障诊断基本思想是利用系统解析模型和可测信息设计观测器，重建系统某一可测变量，然后由该值与系统实际输出的差值构造残差，再对残差进行分析处理，以实现系统的故障诊断.该方法能够实时监测系统的工作状态，快速进行故障诊断，目前已广泛应用于各种电力电子系统故障诊断中.基于观测器的方法用于光伏微逆变器传感器与功率管的故障诊断未见报道.
本文提出一种基于状态观测器的光伏微逆变器电流传感器和功率管故障诊断方法，实时监测微逆变器系统运行状态，及时诊断不同故障类型的发生，以有效提高光伏产品的可靠性和使用寿命.
1微逆变器系统
光伏并网微逆变器主要由两路交错并联反激变换器、逆变桥和输出滤波器等3部分组成，拓扑结构见图1，其中：CS1和CS2分别为检测两路反激变换器原边电流的传感器，CS3为检测输出并网电流的传感器；Spv1和Spv2为交错反激式变换器中的2个主开关；upv为光伏板直流侧电压.反激式变换器将光伏阵列模块输出的直流电采用高频调制变换成2倍工频的直流馒头波式正弦波，再经过逆变桥后，将馒头波变成100 Hz的正弦波，最后通过滤波电路将电流变换为与电网同频同相的交流电，与电网进行并联.两路反激变换器模型见图2.
3仿真验证
在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真电路模型，仿真参数为：直流侧电压为36 V，交流侧电压为220 V，电网频率为50 Hz，高频变压器原边绕组与副边绕组的匝数比为1∶7，2路高频变压器原边励磁电感值分别为58 μH和57.5 μH，2个功率管开关频率均为56 kHz，系统运行额定功率为200 W.
CS1故障仿真结果见图4.图中flag1为原边电流传感器故障标志位，flag2为并网电流传感器故障标志位，flag3为功率管开路故障标志位.当第一路反激变换器电流传感器CS1故障时，第一路反激变换器原边电流实际值变大，第一路残差r1大于阈值Jth1+=0.3，第二路反激变换器原边电流实际值变小，第二路残差r2小于阈值Jth1-=-0.3，故原边电流传感器标志位flag1置1，验证故障发生在第一路原边电流传感器.
CS3故障仿真结果见图5.CS3发生故障时，两路反激变换器原边电流值均变大，第一路残差r1大于阈值Jth2+=0.8，第二路残差r2大于阈值Jth2+=0.8，此时并网电流传感器故障标志位flag 2置1，验证故障发生在并网电流传感器.
Spv1开路故障仿真结果见图6.Spv1发生开路故障时，第一路反激变换器原边电流实际值变为零，第二路反激变换器原边电流实际值变为原来的2倍，第一路残差r1小于阈值Jth2-=-0.8，第二路残差r2大于阈值Jth2+=0.8，此时功率管开路故障标志位flag3置1，验证故障发生在第一路反激变换器功率管.
4结束语
针对不同位置的电流传感器和功率管故障状态下微逆变器的运行状态进行分析，提出一种基于状态观测器的故障诊断方法，利用观测器对两路变换器中电流大小进行估计，并与两路变换器实际电流值进行比较，根据生成的残差大小判断是否有故障发生，并通过设定阈值诊断故障发生的类型，定位故障发生点.该方法原理简单，能快速准确地诊断电流传感器故障和功率管开路故障，不受闭环控制策略的影响，性能可靠且具有良好的适应性.
参考文献：
[1]
KJAER SB， PEDERSEN JK， BLAABJERG F. A review of singlephase gridconnected inverters for photovoltaic modules[J]. IEEE Trans Industry Applications， 2005， 41（5）： 12921306.
[2]LI Q， WOLFS P. A review of the single phase photovoltaic module integrated converter topologies with three different DC link configurations[J]. IEEE Trans Power Electron， 2008， 23（3）： 13201333.
[3]KIM Y H， JI Y H， KIM J G， et al. A new control strategy for improving weighted efficiency in photovoltaic AC moduletype interleaved flyback inverters[J]. IEEE Trans Power Electron， 2013， 28（6）： 26882699.
[4]HU H， HARB S， KUTKUT N H， et al. A singlestage microinverter without using eletrolytic capacitors[J]. IEEE Trans Power Electron， 2013， 28（6）： 26772687.
[5]KIM Y H， JANG J W， SHIN S C， et al. Weightedefficiency enhancement control for a photovoltaic AC module interleaved flyback inverter using a synchronous rectifier[J]. IEEE Trans Power Electron， 2014， 29（12）： 64816493.
[6]ZHANG P， WANG Y， XIAO W， et al. Reliability evaluation of gridconnected photovoltaic power systems[J]. IEEE Trans Sustainable Energy， 2012， 3（3）： 379389.
[7]SHAHBAZI M， JAMSHIDPOUR E， POURE P， et al. Open and shortcircuit switch fault diagnosis for nonisolated DC–DC converters using field programmable gate array[J]. IEEE Trans Ind Electron， 2013， 60（9）： 4136 4146.
[8]KIM S C， NGUYEN T H， LEE D C， et al. Fault tolerant control of DClink voltage sensor for threephase AC/DC/AC PWM converters[J]. J Power Electron， 2012， 14（4）： 18.
[9]于泳， 蒋生成， 王高林， 等. 基于状态观测器的感应电机速度传感器故障诊断及容错控制[J].中国电机工程学报， 32（18）： 123130，2012.
YU Yong， JIANG Shengcheng， WANG Gaolin， et al. Fault diagnosis and tolerant control for speed sensors based on state observers in induction motor drives[J]. Proc CSEE， 2012， 32（18）： 123130.
[10]张昌凡，黄宜山，邵瑞. 基于观测器的感应电机故障检测方法及应用[J]. 仪器仪表学报， 2011， 32（6）： 13371343.
ZHANG Changfan， HUANG Yishan， SHAO Rui. Fault detection method and application of induction motor based on observer[J]. Chin J Sci Instrum， 2011， 32（6）： 13371343.
[11]周东华， 胡艳艳. 动态系统的故障诊断技术[J]. 自动化学报， 2009， 35（6）： 748758.
ZHOU Donghua， HU Yanyan. Fault diagnosis techniques for dynamic systems[J]. Acta Automatica Sinica， 2009， 35（6）： 748758.
[12]DING S X. Modelbased fault diagnosis techniques design schemes， algorithms， and tools[M]. Berlin： SpringerVerlag， 2008： 12102.
[13]SHUAI Shao， WHEELER P W， CLARE J C， et al. Fault detection for modular multilevel converters based on sliding mode observer[J]. IEEE Trans Power Electron， 2013， 28（11）： 48674872.
[14]NAJAFABADI T A， SALMASI F R， JABEHDARMARALANI P. Detection and isolation of speed， DClink voltage， and currentsensor faults based on an adaptive observer in inductionmotor drives[J]. IEEE Trans Industry Electron， 2011， 58（5）： 16621672.
（编辑武晓英）
