CN107192964A - 基于模型预测的三相逆变器故障在线诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模型预测的三相逆变器故障在线诊断方法，首先建立了闭环控制的逆变器系统参考模型。将模型预测值与实际观测值做比较得出状态变量残差，分析该残差与阈值的关系，判断是否发生开路故障并报警，启动故障诊断器。故障诊断器是根据预设故障情况搭建的在线式诊断机制，对当前异常的状态变量值进行评估，评选最接近实际状态的一种故障状态，准确定位到故障开关器件。本发明公开的一种基于模型预测的三相逆变器故障在线诊断方法，输入量少、实时性高，无需增加额外的检测电路，可准确对故障开关器件定位，特别适用于闭环控制的复杂电力电子电路的故障诊断。

Description

基于模型预测的三相逆变器故障在线诊断方法

技术领域

本发明涉及一种基于模型预测的三相逆变器故障在线诊断方法。

背景技术

电力电子技术日新月异的发展，使得电力电子装置广泛地应用于电力系统、交通运输、航空航天、通信工程、钢铁冶金等诸多领域。而随着技术的日益复杂化，系统的安全可靠性要求越来越高，电子电子装置常作为生产过程中的关键设备。因电力电子装置故障造成的损失巨大。另一方面，电力电子电路的可靠性对于整个系统来说是较为薄弱的环节，作为能量变换的主体，它的故障率最高，故障造成的后果最严重。在故障诊断的基础上进行冗余设计和容错控制，对系统改造升级，可以大大提高系统的可靠性。

电压型逆变器(VSI)被广泛应用于电机驱动和各种电能质量相关的场合，逆变器输出电能质量直接关系到设备的工作状态，工业场合大约有38％的故障是由于电源造成的。其中开关器件的开路故障是最常见的故障，造成开关器件开路的因素有很多，并且开关器件的开路故障将会导致故障相与正常相桥臂的电流紊乱失调，输出转矩大幅度脉动，其余开关器件承受电压不均衡，造成二次故障，最终引起系统崩溃。因此，研究逆变器开路故障的在线诊断对于快速检测电路故障报警，及时调整容错控制策略等有着重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于模型预测的三相逆变器故障在线诊断方法，解决了现有的故障诊断方法存在的检测速度慢，需要额外增加检测电路，难以准确定位故障开关管等缺点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于模型预测的三相逆变器故障在线诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：提供一逆变器电力电子系统，包括由功率开关管VT1至功率开关管VT6组成的逆变器，所述逆变器的输入端并联有滤波电容，所述逆变器的输出端连接有负载；所述逆变器的输出端还设置有电压传感器用于检测逆变器的输出相电压v＝[v1,v2,v3]并将所述输出相电压v＝[v1,v2,v3]反馈给控制器，所述控制器输出开关信号S＝[S₁ S₂ S₃ S₄ S₅S₆]经隔离和驱动电路输出到功率开关管VT1至功率开关管VT6的驱动端，其中，S_i为输出到功率开关管VTi的驱动端的开关信号，在开关信号S_i中，PWM波形的占空比为D_i，其中，i为自然数且1≤i≤6；

步骤S2：构建逆变器系统电路的参考模型，利用模型观测器，由当前的开关信号S＝[S₁ S₂ S₃ S₄ S₅ S₆]及占空比D＝[D₁ D₂ D₃ D₄ D₅ D₆]获取正常工作状态下期望输出的状态变量其中为A相期望变量值，为B相期望变量值，为C相期望变量值；

步骤S3：将电压传感器采集的当前周期的三相输出变量实际值x＝[x_a x_b x_c]^T与所述期望输出的状态变量进行比较，获得三相状态变量残差z＝[z_az_b z_c]^T，具体如下：

步骤S4：利用Park坐标变换将三相静止abc坐标系下的z_a、z_b和z_c变换为两相旋转dq坐标系下的z_d和z_q，再根据式求出三相状态变量残差z的特征幅值将所述幅值与阈值σ相比较，若则电路发生故障，否则电路工作正常，开始下一周期的诊断。

进一步的，所述步骤S4后还包括，

步骤S5：若判定电路发生故障，发出报警信号，并且启动故障诊断器，进行故障类型识别与定位，具体如下：

步骤S51：首先获取当前周期传感器测量的实际输出电压V＝V(k)＝[V_a V_b V_c]；

步骤S52：获取当前周期控制器输出各开关信号的占空比D＝D(k)＝[D₁ D₂ D₃ D₄D₅ D₆]；

步骤S53：读取已知故障的开关序列S_F＝[S_F1 S_F2 S_F3 S_F4 S_F5 S_F6]，其中有一个功率开关器件开路导致的输出变化的开关管故障有6种情况；有两个功率开关器件同时开路导致的输出变化的开关管故障有15种情况；有三个功率开关器件同时开路导致的输出变化的开关管故障有18种情况；共计故障开关序列有39种；

步骤S54：初始化目标函数g_op；

步骤S55：由式V_F＝S_F·D·V_dc，求取每种开关管故障状态下的可能故障输出V_F(j)，保存结果，其中j为自然数且1≤j≤m，m为开关器件的故障类型数；

步骤S56：由式对第j种故障分别求取目标函数，保存结果；

步骤S57：对g(j)进行比较，选取其中的最小值，保存该状态下的开关序列S_F＝[S_F1S_F2 S_F3 S_F4 S_F5 S_F6]；在线查询所对应的开关故障序列；

步骤S58：报警显示故障开关管序号，完成故障开关器件的诊断与定位。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、利用原有的闭环控制系统，不必增加多余的硬件电路，节约资源和成本；

2、输入量少，可行性高，用软件即可方便实现逻辑判断；

3、在线式启动诊断机制，保证系统的实时性和快速响应；

4、可结合容错性质的算法，保证诊断系统的可靠性与准确性。

附图说明

图1是本发明一实施例的故障诊断系统结构示意图。

图2是本发明涉及的逆变器电力电子系统结构示意图。

图3是本发明涉及的故障开关器件定位程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示为故障诊断系统，直流电源给逆变器供电，逆变器将其变换为满足需要的三相电能，提供给负载。在这个过程中，由于引入了闭环控制，需要传感器获取逆变器输出的变量信息x＝[x_a x_b x_c]^T，反馈给控制器，经过算法调制与逻辑运算，输出需要的开关信号S＝[S₁ S₂ S₃ S₄ S₅ S₆]，包含其对应的开关周期占空比D＝[D₁ D₂ D₃ D₄ D₅ D₆]，实时调整，以满足负载的供电要求，由此完成正常情况下电能的转换传输。其中，故障诊断器由参考模型、故障判断、故障分析与定位三部分功能组成。

如图2所示为所提逆变器电力电子系统，包括了直流滤波电容、逆变器、电压传感器、控制器、隔离与驱动电路；逆变器部分由功率开关管VT1、VT2……VT6组成，其中VT1与VT4构成A相桥臂、VT3与VT6构成B相桥臂、VT5与VT2构成C相桥臂。VT1、VT3、VT5是上桥臂，VT4、VT6、VT2是下桥臂；直流电压源并联滤波电容，连接到逆变器的输入端，逆变器的交流输出端连接到负载。电压传感器测量逆变器的输出相电压，即负载端对地电压。v＝[v1,v2,v3]。检测到的三相电压输出信号反馈给控制器。控制器输出开关信号S＝[S₁ S₂ S₃ S₄ S₅S₆]，经隔离和驱动电路输出到各个开关管的驱动端。每个开关信号中，PWM波形的占空比不同且随着时间变化，决定了每只开关管的开通时间。开关顺序和占空比决定了最终逆变器电压输出值。

基于以上所述系统，本发明提供一种基于模型预测的三相逆变器故障在线诊断方法，包括以下具体步骤：

步骤S1：提供如图2所示的逆变器电力电子系统，包括由功率开关管VT1至功率开关管VT6组成的逆变器，所述逆变器的输入端并联有滤波电容，所述逆变器的输出端连接有负载；所述逆变器的输出端还设置有电压传感器用于检测逆变器的输出相电压v＝[v1,v2,v3]并将所述输出相电压v＝[v1,v2,v3]反馈给控制器，所述控制器输出开关信号S＝[S₁ S₂S₃ S₄ S₅ S₆]经隔离和驱动电路输出到功率开关管VT1至功率开关管VT6的驱动端，其中，S_i为输出到功率开关管VTi的驱动端的开关信号，在开关信号S_i中，PWM波形的占空比为D_i，其中，i为自然数且1≤i≤6；

步骤S2：构建逆变器系统电路的参考模型，利用模型观测器，由当前的开关信号S＝[S₁ S₂ S₃ S₄ S₅ S₆]及占空比D＝[D₁ D₂ D₃ D₄ D₅ D₆]获取正常工作状态下期望输出的状态变量其中为A相期望变量值，为B相期望变量值，为C相期望变量值；

步骤S3：将电压传感器采集的当前周期的三相输出变量实际值x＝[x_a x_b x_c]^T(即步骤S1中电压传感器测得的输出相电压v＝[v1,v2,v3])与所述期望输出的状态变量进行比较，获得三相状态变量残差z＝[z_a z_b z_c]^T，具体如下：

步骤S4：利用Park坐标变换将三相静止abc坐标系下的z_a、z_b和z_c变换为两相旋转dq坐标系下的z_d和z_q，再根据式求出三相状态变量残差z的特征幅值将所述幅值与阈值σ相比较，若则电路发生故障，否则电路工作正常，开始下一周期的诊断。

步骤S5：若判定电路发生故障，发出报警信号，并且启动故障诊断器，进行故障类型识别与定位，请参照图3，具体如下：

步骤S51：首先获取当前周期传感器测量的实际输出电压V＝V(k)＝[V_a V_b V_c]；

步骤S52：获取当前周期控制器输出各开关信号的占空比D＝D(k)＝[D₁ D₂ D₃ D₄D₅ D₆]；

步骤S53：读取已知故障的开关序列S_F＝[S_F1 S_F2 S_F3 S_F4 S_F5 S_F6]，其中有一个功率开关器件开路导致的输出变化的开关管故障有6种情况；有两个功率开关器件同时开路导致的输出变化的开关管故障有15种情况；有三个功率开关器件同时开路导致的输出变化的开关管故障有18种情况；共计故障开关序列有39种；

步骤S54：初始化目标函数g_op；

步骤S55：由式V_F＝S_F·D·V_dc，求取每种开关管故障状态下的可能故障输出V_F(j)，保存结果，其中j为自然数且1≤j≤m，m为开关器件的故障类型数；

步骤S56：由式对第j种故障分别求取目标函数，保存结果；

步骤S57：对g(j)进行比较，选取其中的最小值，保存该状态下的开关序列S_F＝[S_F1S_F2 S_F3 S_F4 S_F5 S_F6]；在线查询所对应的开关故障序列。

步骤S58：报警显示故障开关管序号，完成故障开关器件的诊断与定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种基于模型预测的三相逆变器故障在线诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：提供一逆变器电力电子系统，包括由功率开关管VT1至功率开关管VT6组成的逆变器，所述逆变器的输入端并联有滤波电容，所述逆变器的输出端连接有负载；所述逆变器的输出端还设置有电压传感器用于检测逆变器的输出相电压v＝[v1,v2,v3]并将所述输出相电压v＝[v1,v2,v3]反馈给控制器，所述控制器输出开关信号S＝[S₁ S₂ S₃ S₄ S₅ S₆]经隔离和驱动电路输出到功率开关管VT1至功率开关管VT6的驱动端，其中，S_i为输出到功率开关管VTi的驱动端的开关信号，在开关信号S_i中，PWM波形的占空比为D_i，其中，i为自然数且1≤i≤6；

步骤S2：构建逆变器系统电路的参考模型，利用模型观测器，由当前的开关信号S＝[S₁S₂ S₃ S₄ S₅ S₆]及占空比D＝[D₁ D₂ D₃ D₄ D₅ D₆]获取正常工作状态下期望输出的状态变量其中为A相期望变量值，为B相期望变量值，为C相期望变量值；

步骤S3：将电压传感器采集的当前周期的三相输出变量实际值x＝[x_a x_b x_c]^T与所述期望输出的状态变量进行比较，获得三相状态变量残差z＝[z_a z_b z_c]^T，具体如下：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>z</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>-</mo> <mover> <msub> <mi>x</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>z</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <mover> <msub> <mi>x</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>z</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <mover> <msub> <mi>x</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

步骤S4：利用Park坐标变换将三相静止abc坐标系下的z_a、z_b和z_c变换为两相旋转dq坐标系下的z_d和z_q，再根据式求出三相状态变量残差z的特征幅值将所述幅值与阈值σ相比较，若则电路发生故障，否则电路工作正常，开始下一周期的诊断。

2.根据权利要求1所述的基于模型预测的三相逆变器故障在线诊断方法，其特征在于：所述步骤S4后还包括，

步骤S5：若判定电路发生故障，发出报警信号，并且启动故障诊断器，进行故障类型识别与定位，具体如下：

步骤S51：首先获取当前周期传感器测量的实际输出电压V＝V(k)＝[V_a V_b V_c]；

步骤S52：获取当前周期控制器输出各开关信号的占空比D＝D(k)＝[D₁ D₂ D₃ D₄ D₅D₆]；

步骤S53：读取已知故障的开关序列S_F＝[S_F1 S_F2 S_F3 S_F4 S_F5 S_F6]，其中有一个功率开关器件开路导致的输出变化的开关管故障有6种情况；有两个功率开关器件同时开路导致的输出变化的开关管故障有15种情况；有三个功率开关器件同时开路导致的输出变化的开关管故障有18种情况；共计故障开关序列有39种；

步骤S54：初始化目标函数g_op；

步骤S55：由式V_F＝S_F·D·V_dc，求取每种开关管故障状态下的可能故障输出V_F(j)，保存结果，其中j为自然数且1≤j≤m，m为开关器件的故障类型数；

步骤S56：由式对第j种故障分别求取目标函数，保存结果；

步骤S57：对g(j)进行比较，选取其中的最小值，保存该状态下的开关序列S_F＝[S_F1 S_F2S_F3 S_F4 S_F5 S_F6]；在线查询所对应的开关故障序列；

步骤S58：报警显示故障开关管序号，完成故障开关器件的诊断与定位。