CN107064707A - 双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法，属于电力电子器件故障检测的技术领域。对于双向开关级，通过检测输出侧滤波电容电压，构造各相滤波电容电压误差信号，若大于设定的门槛值，则判断该相发生故障，并由误差信号的极性，定位双向开关级发生开路故障的开关管。对于单向开关级，检测单向开关级的零矢量作用时直流母线两端电势，若大于设定的门槛值，则判断发生故障，再将直流母线两端的电势分别与三相电源电压对比，即可定位发生故障的开关管。本发明检测思路简单，所需增加硬件电路少，具有较高的实用价值。

Description

双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法

技术领域

本发明涉及一种双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法，属于电力电子器件故障检测的技术领域。

背景技术

双级矩阵变换器(Two Stage Matrix Converter，TSMC)是一种AC-AC变换器。由于其摒除了传统AC-AC变换器中直流母线上的储能电容，TSMC更易于集成化，且体积可仅为传统AC-AC变换器的三分之一，因而在航空航天等对变换器尺寸和重量有较高要求的场合成为一种选择。

目前TSMC的调制多采用双空间矢量调制，使得系统具有输入功率因数可控、电压利用率高、每个开关周期内开关总次数较少等优点，同时有电压约束关系：

其中，U_Im、U_Rm分别为单向开关级和双向开关级的相电压幅值，在反向发电系统中，U_Im为输入电压，U_Rm为输出电压，m_c为双向开关级电流矢量调制比，m_v为单向开关级电压矢量调制比，为双向开关级的功率因数。由于m_c、m_v均小于1，与常规的TSMC发电系统的降压模式相反，反向发电系统是一种升压式结构。在获得相同幅值电压的前提下，反向发电系统中功率管的电压应力较小，可靠性较高。

为了使TSMC更能适应航空航天等运用场合，对其可靠性的要求不断提高，需要在故障发生后快速精确定位故障管，以便研究人员采取合理的措施降低故障带来的损失。在有较多功率开关的TSMC内部，可能发生的故障包括开路故障(包括开关管的开路故障和与之相连的驱动电路的开路故障)以及短路故障。对于IGBT的故障检测有两种主流的方法。第一种方法基于门级驱动电路的检测，通常包括检测集电极电压、门级电压或者发射极杂散电感两端的感应电压，以判断各个IGBT是否正常工作(参见文献1：(专利)一种IGBT驱动故障检测及诊断系统)。这种故障检测方法同时适用于开路故障和短路故障检测。由于此方法的检测速度快，故障持续时间短，门级驱动检测更适用于短路故障检测与保护。但对于多开关构成的TSMC，对每个开关的门级驱动进行检测的方法需要的检测电路复杂，软硬件代价高。另一种方法为基于算法的检测方法。由于执行算法时，系统需带故障运行一段时间，这种方法适用于开路故障检测。通过检测故障引起的不正常状态变量，如电压或电流，经过故障检测算法来定位故障管位置。已有文献表明，可通过采用检测输出电流和离散小波分析定位故障开关管(参见文献2：An open-circuit faults diagnosis method for matrixconverters based on DWT analysis of outputcurrent)，或利用输出电流和调制参数实现实时故障检测(参见文献3：Improvement of matrix converter drive reliability byonline fault detection and a fault-tolerant switching strategy)，另有基于箝位电路电流和开关状态的开关管故障检测方法(参见文献4：Fault-tolerant matrixconverter motor drives with fault detection of open switch faults)。尽管上述基于电流检测的方法所需的硬件成本低，但容易受空载运行情况的影响。基于电压检测的方法包括定义每个开关管的电压误差信号，对比输入输出电压即可检测出故障开关管(参见文献5：A new fault diagnosis method and a fault-tolerant switching strategyfor matrix converters operating with optimum alesina-venturini modulation)，与之相似地，另有定义输出误差线电压的方法(参见文献6：Fault-tolerant structure andmodulation strategies with fault detection method for matrix converters)。然而多数基于算法的故障检测方法是针对电压型逆变级拓扑设计的，而对于TSMC的故障检测方法很少，因此对TSMC的基于算法的故障检测有较大的研究空间和实用意义。

为了安全考虑，当短路故障发生时，需要自动保护电路立即工作，以暂停系统运行。另一种保护措施为在每一个功率管与输出相之间串联快速熔丝，将短路故障转化为开路故障。因此，相较于短路故障，对开路故障的研究更具研究价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法，为反向发电状态时的双级矩阵变换器提供开路故障检测方法，包括双向开关级和单向开关级的开路故障检测技术，所需额外硬件电路少且无需负载模型，保证在较短故障时间内准确定位故障开关管。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法，所述双级矩阵变换器包括单向开关级和双向开关级，单向开关级与三相对称电压源相连，双向开关级依次与LC滤波器、三相对称负载相连。该开路故障检测方法包括：

(1)双向开关级的功率管开路故障检测方法：

首先，检测输出侧滤波电容电压，构造各相滤波电容电压误差信号：

式中，E_k为滤波电容电压误差信号；k相V_k ^*为k相输出电压参考值的幅值，V_k为k相滤波电容电压的实际检测值；k∈{A,B,C}；

其次，判断E_k的绝对值是否大于设定门槛值Thr1，若条件成立，则双向开关级的k相有开关管发生开路故障，并根据E_k的极性定位k相发生开路故障的开关管位置；

(2)单向开关级的功率管开路故障检测方法：

首先，分别检测单向开关级的零矢量作用时，直流母线两端的电势；

其次，判断直流母线两端电势的绝对值是否大于设定的门槛值Thr2，若条件成立，则判断发生开路故障，并将直流母线两端的电势分别与三相电压源的电压对比，以定位发生开路故障的开关管位置。

作为本发明的进一步优化方案，双向开关级的功率管开路故障检测方法中，根据E_k的极性判断k相发生开路故障的开关管位置，具体为：

E_k>0时，k相上管发生开路故障；E_k<0时，k相下管发生开路故障。

作为本发明的进一步优化方案，单向开关级的功率管开路故障检测方法中，单向开关级采用电压空间矢量调制算法，在单向开关级的零矢量作用时，三相对称电压源输入端同时与直流母线的m端或者n端相连，使得三个桥臂的上管同时保持闭合而下管同时保持断开、或者三个桥臂的下管同时保持闭合而上管同时保持断开；分别检测直流母线m端和n端的电势，若直流母线m端电势E_m的绝对值大于设定的门槛值Thr2，则三个桥臂的上管中有开关管发生开路故障；若直流母线n端的电势E_n的绝对值大于设定的门槛值Thr2，则三个桥臂的下管中有开关管发生开路故障。

作为本发明的进一步优化方案，将绝对值高于门槛值Thr2的m端E_m或n端电势E_n与三相电压源的电压对比，若E_m或E_n的相位与l相电源电压相差180°，l∈{U,V,W}，则与l相相连的上管或下管发生开路故障。

作为本发明的进一步优化方案，双向开关级的功率管开路故障检测方法中，定位发生开路故障的开关管位置的故障检测时间为：其中，T_o为双向开关级输出侧基波周期，T_{aff_sec}为受该开关管故障影响的扇区持续的时间。

作为本发明的进一步优化方案，单向开关级的功率管开路故障检测方法中，定位发生开路故障的开关管位置的故障检测时间为：其中，T_s为一个开关周期。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)利用双级矩阵变换器在反向发电工作时原有的输出相电压传感器，对双向开关级进行故障检测，无需其他电压电流采样电路和负载模型，检测硬件成本低、可应用性好；

(2)单向开关级的故障检测基于零矢量作用时的开关状态，检测速度快，故障时间短；

(3)适用于反向发电系统中的双级矩阵变换器的开路故障诊断，兼顾了系统电压传输比和可靠性。

附图说明

图1为双级矩阵变换器反向发电系统拓扑图。

图2(a)为双向开关级电流空间矢量图。

图2(b)为单向开关级电压空间矢量图。

图3为双向开关级和单向开关级的协同控制策略图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

(一)双级矩阵变换器反向发电系统的拓扑结构介绍

双级矩阵变换器反向发电系统的拓扑结构如图1所示，主功率拓扑图由双向开关级、直流母线和单向开关级三部分组成，主功率拓扑外包括电压源、LC滤波器和负载。其中，输入三相用U，V，W表示，输出三相用A，B，C表示，直流母线的两端分别记为m和n。双向开关级为由六个双向开关单元组合而成的三相桥式电路，每个双向开关单元为由两个IGBT共发射极串联构成，六个双向开关单元可用S_YM(Y＝A，B，C；M＝m，n)表示，意指连接输出Y相与直流母线M端；逆变级由六个单向开关管构成三相桥式电路，六个单向开关管用S_XM(X＝U，V，W；M＝m，n)表示，意指连接输入侧X相与直流母线M端。

(二)正常运行状态

双级矩阵变换器在反向发电和正向发电状态的双空间矢量调制算法相同，即双向开关级采用电流空间矢量算法，单向开关级采用电压空间矢量算法。

双向开关级的功率管的通断状态可用元素为0、1和-1的1×3矩阵表示，共9种开关状态组合，分别为I₁＝[1 0 -1]，I₂＝[0 1 -1]，I₃＝[-1 1 0]，I₄＝[-1 0 1]，I₅＝[0 -11]，I₆＝[1 -1 0]，I₇＝[1 0 0]，I₈＝[0 1 0]，I ₉＝[0 0 1]，其中，0表示该相上下两管均断开；I₁至I₆为有效电流矢量，1表示上管导通，-1表示下管导通；I₇至I₉为零矢量，1表示该相上下两管均导通(有效矢量和零矢量的“1”表示内容不同，这种表示方法也普遍被采用)。6个有效电流矢量将αβ平面划分为6个扇区，扇区号用S_i(i＝I,II～,VI)表示，如图2(a)所示。

单向开关级共8种组合状态，分别为U₁＝[1 0 0]，U₂＝[1 1 0]，U₃＝[0 1 0]，U₄＝[0 1 1]，U₅＝[0 0 1]，U₆＝[1 0 1]，U₇＝[1 1 1]，U₈＝[0 0 0]，其中，1表示上管导通，0表示下管导通，U₁至U₆为6个有效电压矢量，U₇和U₈为2个零矢量，6个有效电压矢量同样将αβ平面划分成6个扇区，扇区号用S_r(r＝I,II～,VI)表示，如图2(b)所示。

双向开关级和单向开关级扇区可任意组合，形成36种组合状态。

双向开关级和单向开关级需协同控制，在双向开关级每个有效矢量作用的时间段内，单向开关级的三个矢量在时间上按比例作用于单向开关级，并把单向开关级的零矢量作用时间均分在开始和结尾，如图3所示。从而，使双向开关级在直流母线电流为零时切换两个开关状态，并使得单向开关级的零矢量作用时对应的直流母线端电势为0。

(三)双向开关级单管开路故障检测策略

反向发电系统中，通常需要对输出电压进行闭环控制，因而需要实时采集输出电压，即滤波电容电压。

定义滤波电容电压误差信号如下：

其中，V_k ^*为k相输出电压参考值的幅值，V_k为k相滤波电容电压实际检测值。

正常工作状态下，输出电压即滤波电容电压稳定在设定的参考值，取此参考值的10％作为门槛值thr1，当检测到k相滤波电容电压误差信号的绝对值|E_k|大于thr1时，则说明双向开关级的k相有开关管发生开路故障。由E_k的极性判断k相发生开路故障的开关管位置，即E_k>0时，k相无法通过直流母线环节的正端充电，只能通过负载电流释放电能，说明k相上管发生开路故障；反之，E_k<0时，k相下管发生开路故障。

(四)单向开关级单管开路故障检测策略

单向开关级采用电压空间矢量调制算法，在单向开关级的零矢量作用时，三相输入端同时与直流母线的m端或者n端相连，即三个桥臂的上管同时保持闭合、下管同时保持断开，或者三个桥臂的下管同时保持闭合、上管同时保持断开。

此时，检测直流母线m端和n端与地之间的电势E_m和E_n，并取绝对值|E_m|与设定的门槛值Thr2对比，若绝对值|E_m|高于Thr2，则说明三个上管中有开关管发生开路故障；若绝对值|E_n|高于Thr2，则说明三个下管中有开关管发生开路故障。

将检测得到的绝对值高于门槛值的m端和n端电势E_m和E_n分别与三相电源电压对比，若E_m或E_n的相位与l相电源电压相差180°，则检测出与l相相连的上管或下管发生开路故障，l∈{U,V,W}。

(五)双向开关级和单向开关级故障检测时间

双向开关级发生开路故障后，定位故障开关管需经过一段故障检测时间T_fault1，此故障检测时间与受影响的扇区持续时间、输出侧基波周期和门槛值的取值Thr1有关：

其中，T_o为输出侧基波周期，T_{aff_sec}为与该开关管故障后受到影响的扇区持续的时间，故障检测时间小于两者中较小值，通过合理取值Thr1，可以减小故障检测时间T_fault1。

单向开关级发生开路故障后，定位故障开关管同样需经过一段故障检测时间T_fault2，当采用对称调制时，零矢量在一个开关周期内作用五次，且为了减少开关次数，每个双向开关级的有效矢量作用的时间段内，单向开关级首尾作用的零矢量不同与中间作用的零矢量，因而在四分之一个周期内即可完成单向开关级的故障检测，即

其中，T_s为一个开关周期。

再进一步的，双向开关级采用电流空间矢量调制算法，该调制算法中6个有效电流空间矢量将αβ平面平分为6个扇区，单个开关管发生开路故障后，受影响的扇区为其中连续的3个。当开路故障发生在受影响的扇区时间外时，故障检测时间在这3个扇区持续时间内，即小于T_o/2；当开路故障发生在受影响的扇区时间内时，故障检测时间在当前至受影响的扇区结束的持续时间内，即小于T_{aff_sec}。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案实质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器，或者网络设备等)执行本发明的实施例或实施例的某些部分所述的方法。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法，所述双级矩阵变换器包括单向开关级和双向开关级，单向开关级与三相对称电压源相连，双向开关级依次与LC滤波器、三相对称负载相连，其特征在于，该开路故障检测方法包括：

(1)双向开关级的功率管开路故障检测方法：

首先，检测输出侧滤波电容电压，构造各相滤波电容电压误差信号：

<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>k</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>k</mi> <mo>*</mo> </msubsup> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> </mrow>

式中，E_k为滤波电容电压误差信号；k相V_k ^*为k相输出电压参考值的幅值，V_k为k相滤波电容电压的实际检测值；k∈{A,B,C}；

其次，判断E_k的绝对值是否大于设定的第一门槛值Thr1，若条件成立，则双向开关级的k相有开关管发生开路故障，并根据E_k的极性定位k相发生开路故障的开关管位置；

(2)单向开关级的功率管开路故障检测方法：

首先，分别检测单向开关级的零矢量作用时，直流母线两端的电势；

其次，判断直流母线两端电势的绝对值是否大于设定的第二门槛值Thr2，若条件成立，则判断发生开路故障，并将直流母线两端的电势分别与三相电压源的电压对比，以定位发生开路故障的开关管位置。

2.根据权利要求1所述的一种双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法，其特征在于，双向开关级的功率管开路故障检测方法中，根据E_k的极性判断k相发生开路故障的开关管位置，具体为：

E_k>0时，k相上管发生开路故障；E_k<0时，k相下管发生开路故障。

3.根据权利要求1所述的一种双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法，其特征在于，单向开关级的功率管开路故障检测方法中，单向开关级采用电压空间矢量调制算法，在单向开关级的零矢量作用时，三相对称电压源输入端同时与直流母线的m端或者n端相连，使得三个桥臂的上管同时保持闭合而下管同时保持断开、或者三个桥臂的下管同时保持闭合而上管同时保持断开；分别检测直流母线m端和n端的电势，若直流母线m端电势E_m的绝对值大于设定的第二门槛值Thr2，则三个桥臂的上管中有开关管发生开路故障；若直流母线n端的电势E_n的绝对值大于设定的第二门槛值Thr2，则三个桥臂的下管中有开关管发生开路故障。

4.根据权利要求3所述的一种双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法，其特征在于，将绝对值高于第二门槛值Thr2的m端E_m或n端电势E_n与三相电压源的电压对比，若E_m或E_n的相位与l相电源电压相差180°，l∈{U,V,W}，则与l相相连的上管或下管发生开路故障。

5.根据权利要求1所述的一种双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法，其特征在于，双向开关级的功率管开路故障检测方法中，定位发生开路故障的开关管位置的故障检测时间为：其中，T_o为双向开关级输出侧基波周期，T_{aff_sec}为受该开关管故障影响的扇区持续的时间。

6.根据权利要求1所述的一种双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法，其特征在于，单向开关级的功率管开路故障检测方法中，定位发生开路故障的开关管位置的故障检测时间为：其中，T_s为一个开关周期。