基于故障假设的三电平整流器内开关管开路故障诊断方法

专利名称：基于故障假设的三电平整流器内开关管开路故障诊断方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210883230.1

专利申请（专利权）人：武汉大学,国网天津市电力公司
权利人地址：湖北省武汉市武昌区八一路299号

专利发明（设计）人：何怡刚,陈铭芸,龚庆武,尚学军,王剑锋,晋萃萃,金尧,陈培育,马世乾,王天昊,金岩

专利摘要：本发明公开了一种三电平整流器中功率开关器件开路故障的诊断方法，属于电力电子设备故障诊断技术领域，利用基于开关状态的电压和基于故障假设的电压之间的差，即三相平均电压偏差作为诊断变量，结合归一化和累加操作，实现了对三电平整流器内开关管高准确性和可靠性的开路故障诊断。设计了一种考虑直流侧电压不平衡和随整流器电流水平及调值比自动调节的诊断阈值，确保了诊断方法在整流器系统不同运行状态下的鲁棒性。上述诊断变量和阈值的获得无需复杂的计算、精确的系统建模和系统参数，并且不需要额外的传感器。因此该诊断方法具有诊断时间短、诊断成本低、不依赖于系统模型和参数的优点。

主权利要求：
1.一种基于故障假设的三电平整流器内开关管开路故障诊断方法，其特征在于，包括：(1)从整流器系统中获取并计算诊断所需的信号和变量，包括：x相即a,b,c三相的网侧交流电压的相位θx和开关周期平均值Ex，x相交流电流的开关周期平均值Ix，整流器的直流侧上下电容电压的开关周期平均值Vdc1和Vdc2，x相外开关Sx1和Sx4的开关信号占空比Dx1和Dx4，控制器输出的x相参考电压 及dq坐标系下的参考电流Idr和Iqr，其中，开关周期平均值指的是前后两个采样时刻信号采样值的平均值；
(2)基于开关周期平均值Ex、x相交流电流的开关周期平均值Ix、整流器的直流侧上下电容电压的开关周期平均值Vdc1和Vdc2、x相外开关Sx1和Sx4的开关信号占空比Dx1和Dx4及控制器输出的x相参考电压 计算x相即a,b,c三相的平均开关模型下的期望极电压 计算x相假设内开关管Sx2和Sx3存在开路故障时的预测极电压 计算两者的偏差值k表示采样时刻；
(3)基于整流器的直流侧上下电容电压的开关周期平均值Vdc1和Vdc2，用整流器直流侧电压对变量ΔVxo[k]进行归一化，得到变量ΔVxo_n[k]；
(4)对归一化后的变量ΔVxo_n[k]在每半个电流周期内进行累加计算，得到最终诊断变量ΔVxo_sum[k]；
(5)考虑直流侧电压不平衡，计算随系统电流幅值及调值比自动调节的诊断阈值THx[k]；
(6)根据诊断变量ΔVxo_sum[k]和诊断阈值THx[k]对内开关管故障进行识别和定位；
由 得到x相平均开关模型下的期望极电压
由 得到x相假设内开关管Sx2和Sx3存在开路故障时的预测极电压 其中，h为电流阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由 对变量ΔVxo[k]进行归一化，得到归一化变量ΔVxo_n[k]。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由对归一化变量ΔVxo_n[k]进行
累加，得到诊断变量ΔVxo_sum[k]。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由计算诊断阈值THx[k]，其中，Dx为诊
断阈值的基准，l[k]使诊断阈值随整流器系统电流水平和调值比自动调节。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，由得到诊断阈值的基准
Dx。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，由 得到l[k]，其中，m为一正常数。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，步骤(6)包括：内开关管故障与诊断变量ΔVxo_sum[k]、阈值THx[k]及网侧交流电压的相位θx[k]之间的对应关系为：当Sa2故障时，ΔVao_sum[k]＞THa[k]，θa[k]∈[π,2π)；
当Sa3故障时，ΔVao_sum[k]＜‑THa[k]，θa[k]∈[0,π)；
当Sb2故障时，ΔVbo_sum[k]＞THb[k]，θb[k]∈[π,2π)；
当Sb3故障时，ΔVbo_sum[k]＜‑THb[k]，θb[k]∈[0,π)；
当Sc2故障时，ΔVco_sum[k]＞THc[k]，θc[k]∈[π,2π)；
当Sc3故障时，ΔVco_sum[k]＜‑THc[k]，θc[k]∈[0,π)。 说明书 : 基于故障假设的三电平整流器内开关管开路故障诊断方法技术领域[0001] 本发明属于电力电子设备故障诊断技术领域，更具体地，涉及一种基于故障假设的三电平整流器内开关管开路故障诊断方法。背景技术[0002] 在功率变换器中，功率开关器件是故障率最高的元器件之一，主要表现为短路故障和开路故障。其中，短路故障会引起瞬时过压过流，对变换器系统具有破坏性影响，因此通常由硬件保护电路快速隔离发生短路故障的功率开关器件，防止系统崩溃。开路故障主要由键合线脱落、驱动电路故障等原因导致。功率开关器件发生开路故障后不会立刻引起明显的过压过流，因此变换器可以维持开路故障状态继续运行一段时间。但是开路故障会使变换器系统电能质量下降，主要表现为电压电流的畸变和谐波，并会进一步引发其他元器件的二次故障。因此，为了提高变换器系统的可靠性，需要准确快速的故障诊断策略及时定位发生开路故障的功率开关器件，便于触发容错控制来提高变换器系统的运行性能，以及便于在可以停机时进行快速维护来缩短停机时间。[0003] 目前功率开关器件的开路故障诊断方法主要分为基于信号的方法、基于模型的方法和基于数据驱动的方法。基于信号的方法通过分析电压电流等信号的故障特征来实现诊断，其优点是原理简单、计算量小、不依赖系统模型，缺点是诊断速度较慢、鲁棒性较差。使用额外的传感器和测量电路可以提高这类方法的诊断速度和鲁棒性，但这同时增加了诊断的成本。基于模型的方法同时具有诊断速度较快和成本较低的优点。这类方法通过系统建模获得信号的预测值，与信号的实际进行比较来实现诊断，因此其对系统模型和参数的依赖性较强，适用性较差。基于数据驱动的方法运用机器学习等智能算法实现信号故障特征的提取和故障分类，无需明确诊断对象的工作原理和模型参数，可以适用于不同类型的变换器系统中，但是这类方法依赖大量的历史运行数据，并且计算量大、诊断速度较慢。[0004] 因此，对三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断方法进行研究，提高诊断方法的速度、适用性和鲁棒性等，具有重要的意义。发明内容[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于故障假设的三电平整流器内开关管开路故障诊断方法，能够实现快速、低成本、高鲁棒性的故障识别和定位。[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于故障假设的三电平整流器内开关管开路故障诊断方法，包括：[0007] (1)从整流器系统中获取并计算诊断所需的信号和变量，包括：x相(x＝a,b,c)网侧交流电压的相位θx和开关周期平均值Ex，x相交流电流的开关周期平均值Ix，整流器的直流侧上下电容电压的开关周期平均值Vdc1和Vdc2，x相外开关Sx1和Sx4的开关信号占空比Dx1和Dx4，控制器输出的x相参考电压 及dq坐标系下的参考电流Idr和Iqr，其中，开关周期平均值指的是前后两个采样时刻(采样周期等于开关周期)信号采样值的平均值；[0008] (2)基于开关周期平均值Ex、x相交流电流的开关周期平均值Ix、整流器的直流侧上下电容电压的开关周期平均值Vdc1和Vdc2、x相外开关Sx1和Sx4的开关信号占空比Dx1和Dx4及控制器输出的x相参考电压 计算x相(x＝a,b,c)平均开关模型下的期望极电压 计算x相假设内开关管Sx2和Sx3存在开路故障时的预测极电压 计算两者的偏差值k表示采样时刻；[0009] (3)基于整流器的直流侧上下电容电压的开关周期平均值Vdc1和Vdc2，用整流器直流侧电压对变量ΔVxo[k]进行归一化，得到变量ΔVxo_n[k]；[0010] (4)对归一化后的变量ΔVxo_n[k]在每半个电流周期内进行累加计算，得到最终诊断变量ΔVxo_sum[k]；[0011] (5)考虑直流侧电压不平衡，计算随系统电流幅值及调值比自动调节的诊断阈值THx[k]；[0012] (6)根据诊断变量ΔVxo_sum[k]和诊断阈值THx[k]对内开关管故障进行识别和定位。[0013] 在一些可选的实施方案中，所述步骤(2)中根据以下算式x相平均开关模型下的期望极电压 和x相假设内开关管Sx2和Sx3存在开路故障时的预测极电压[0014][0015][0016] 其中，h为电流阈值，设计为交流侧相电流幅值最大值的5％。[0017] 在一些可选的实施方案中，所述步骤(3)根据以下算式对变量ΔVxo[k]进行归一化，得到归一化变量ΔVxo_n[k]：[0018][0019] 在一些可选的实施方案中，所述步骤(4)根据以下算式对上述归一化变量ΔVxo_n[k]进行累加，得到诊断变量ΔVxo_sum[k]：[0020][0021] 此步骤中采用的变量累加方法减小了单次采样误差和噪声干扰可能造成的误诊断。[0022] 在一些可选的实施方案中，所述步骤(5)中根据以下算式计算诊断阈值THx[k]：[0023][0024] 其中，Dx为诊断阈值的基准，考虑了直流侧上下电容电压不平衡的因素，由下式计算得到：[0025][0026] l[k]使诊断阈值随整流器系统电流水平和调值比自动调节，由下式计算得到：[0027][0028] 其中，m为一正常数，其设计是为了在小电流情况下提高诊断的可靠性，可取值1。[0029] 当系统电流较大、调值比较小时，由于系统控制器调节作用导致Dx1和Dx4增大，进一步导致诊断变量增大。同时l随电流增大而增大，即阈值电流增大而增大。因此l的设计提高了诊断在不同系统运行条件下的可靠性和鲁棒性。[0030] 在一些可选的实施方案中，所述步骤(6)中识别和定位故障内开关管的具体方法如下所示：[0031] 内开关管故障与诊断变量ΔVxo_sum[k]、阈值THx[k]及网侧交流电压的相位θx[k]之间的对应关系为：[0032] 当Sa2故障时，ΔVao_sum[k]＞THa[k]，θa[k]∈[π,2π)；[0033] 当Sa3故障时，ΔVao_sum[k]＜‑THa[k]，θa[k]∈[0,π)；[0034] 当Sb2故障时，ΔVbo_sum[k]＞THb[k]，θb[k]∈[π,2π)；[0035] 当Sb3故障时，ΔVbo_sum[k]＜‑THb[k]，θb[k]∈[0,π)；[0036] 当Sc2故障时，ΔVco_sum[k]＞THc[k]，θc[k]∈[π,2π)；[0037] 当Sc3故障时，ΔVco_sum[k]＜‑THc[k]，θc[k]∈[0,π)。[0038] 按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。[0039] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：[0040] (1)步骤(2)‑(5)中关于诊断变量及阈值的计算过程均不涉及精确的系统建模和系统参数，因此与传统基于模型的诊断方法相比，本发明提出的诊断方法不受系统建模精度和系统参数误差的影响，具有更高的可靠性；[0041] (2)步骤(2)‑(5)中诊断变量及阈值计算所需的信号均来自整流器控制系统内已有的电压、电流和开关信号，因此与传统基于信号且使用额外传感器的诊断方法相比，本发明提出的诊断方法无需加额外硬件即可实现低成本的故障诊断；[0042] (3)通过步骤(4)，本发明采用变量累加的方法减小了单次采样误差和噪声干扰可能造成的误诊断，进一步提高了诊断的可靠性。[0043] (4)通过步骤(5)，本发明设计的一种考虑直流侧电压不平衡和系统运行状态的诊断阈值，在提高诊断速度的同时，又能确保较高的鲁棒性。[0044] (5)通过步骤(6)，本发明设计的诊断方法不仅适用于三电平整流器中的单个开关管开路故障，也适用于三电平整流器中的多个开关管开路故障。附图说明[0045] 图1是本发明实施例提供的一种三相三电平整流器的拓扑结构图及其功率开关器件开路故障诊断方法的流程图；[0046] 图2是本发明实施例提供的一种三相三电平整流器在小电流、大调制比下的诊断结果图；[0047] 图3是本发明实施例提供的一种三相三电平整流器在大电流、小调制比下的诊断结果图。具体实施方式[0048] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。[0049] 由于整流器通常运行于单位功率因数，因此其电流通路主要由内开关管构成，这使得外开关管的工作时间短、故障可能性小，且其开路故障对系统的影响小，所以本发明针对工作时间长、故障可能性大且发生故障时对系统的影响更大的内开关管，提出了一种基于故障假设的三电平整流器内开关管开路故障诊断方法，如图1所示，包含以下步骤：[0050] S1.从整流器控制系统中获取诊断所需的信息；[0051] 三相三电平整流器采样获得的网侧三相交流电压、三相交流电流和直流侧上下电容电压送入电压‑电流双闭环控制系统。以上采集的信号经过平均值计算即可得到诊断所需的变量(Ea[k]、Eb[k]、Ec[k]、Ia[k]、Ib[k]、Ic[k]、Vdc1[k]和Vdc2[k])。控制系统根据给定的控制目标进行运算，可得三相电网电压角(θa[k]、θb[k]、θc[k])和dq坐标系下的参考电流(Idr[k]、Iqr[k])，并输出三相参考电压 至空间矢量脉宽调制模块。最终，调制模块计算每个功率开关器件开关信号的占空比(a相：Da1[k]、Da2[k]、Da3[k]、Da4[k]；b相：Db1[k]、Db2[k]、Db3[k]、Db4[k]；c相：Dc1[k]、Dc2[k]、Dc3[k]、Dc4[k])，并由比较环节输出每个功率开关器件的控制信号，并送入整流器对所有开关的导通和关断进行控制，从而使整流器按控制目标运行。因此控制系统具有诊断所需的所有信息，将上述信息用于计算诊断变量和阈值。[0052] S2.计算诊断变量；[0053] 以a相诊断变量为例，a相平均开关模型下的期望极电压[0054][0055] a相假设内开关管Sa2和Sa3存在开路故障时的预测极电压[0056][0057] 其中，h表示电流阈值，可取5％的电流幅值。[0058] 两者的偏差值ΔVao[k]：[0059][0060] 对ΔVao[k]进行归一化得ΔVao_n[k]；[0061][0062] 对ΔVao_n[k]每半个电流周期进行累加计算，得ΔVao_sum[k]；[0063][0064] 同理，计算b相和c相诊断变量ΔVbo_sum[k]和ΔVco_sum[k]。[0065] S3.计算阈值；[0066] 以a相为例，a相诊断阈值THa[k]：[0067][0068][0069][0070] 其中，m为一正常数，可取值1。[0071] 同理，计算b相和c相诊断变量的阈值THb[k]和THc[k]。[0072] S4.识别和定位内开关管故障；[0073] 获得诊断变量ΔVao_sum[k]、ΔVbo_sum[k]和ΔVco_sum[k]，以及阈值THa[k]、THb[k]和THc[k]之后，可以根据表1对内开关管故障进行定位。[0074] 表1内开关管故障诊断[0075][0076] 其中，Fxj＝0代表开关Sxj无开路故障，Fxj＝1代表开关Sxj存在开路故障，x＝a,b,c三相，j＝1,2,3,4。[0077] 本发明由于设计了三个诊断变量，分别对应于三相开关故障，每相诊断变量只包含了该相开关的故障信息，且一相中两个内开关的故障信息分别在不同的电流周期区间内体现，因此本发明提出的诊断方法既适用于三电平整流器中的单个内开关管开路故障，也适用于三电平整流器中的多个内开关管开路故障。[0078] 为了更加清楚地描述该实例，图2和图3给出了该实例下的诊断结果，所用参数如表2所示。[0079] 表2实例所用参数[0080][0081] 如图2所示，系统电流较小，调值比较大，正常情况下诊断变量峰值较小。在1.03s时开关Sa2开路故障，故障后在电流负半周内，即θa∈[π,2π)时，ΔVao_sum迅速增大，并超过其阈值THa。根据表1，得到Fa2＝1，说明Sa2存在开路故障，诊断时间约为1.6ms。而其他两相诊断变量ΔVbo_sum和ΔVco_sum始终在各自的阈值范围内，说明不存在其他开关开路故障。[0082] 如图3所示，系统电流较大，调值比较小，正常情况下诊断变量峰值较图2增大。由于所设计的阈值具有自适应特性，因此无需对阈值进行人为调整，各阈值随着诊断变量的增大而增大，确保了诊断在系统正常情况下不会由于系统运行条件变化而发生误诊。在1.03s时开关Sa2开路故障，故障后在电流负半周内，即θa∈[π,2π)时，ΔVao_sum迅速增大，并超过其阈值THa。根据表1，得到Fa2＝1，说明Sa2存在开路故障，诊断时间约为1.7ms。而其他两相诊断变量ΔVbo_sum和ΔVco_sum始终在各自的阈值范围内，说明不存在其他开关开路故障。[0083] 以上结果证明了本发明可以实现对三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断，并且总体诊断速度较快。[0084] 需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。[0085] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：湖北

专利申请日期：2022-07-26

专利公开日期：2024-09-03

专利公告号：CN115343656B