CN107942219B - 一种三相四线制逆变器晶体管的开路故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相四线制逆变器晶体管的开路故障诊断方法，能够在不增加额外采样和硬件电路情况下，实现三相四线制逆变器晶体管开路故障快速、高鲁棒性的诊断。本发明只需要控制系统内已有的信息，且计算量小，从而避免增加额外的硬件电路和软件负担；本发明使用桥臂中点电压平均值偏差作为诊断变量，可以实现快速诊断，使诊断时间短至一个采样周期；本发明采用误差自适应的诊断阈值，可以在不牺牲诊断速度的同时，保证高鲁棒性，此外本发明还可用于能量双向传输的三相四线制逆变器等。
Description
技术领域
本发明属于电力电子设备故障诊断技术领域，具体涉及一种三相四线制逆变器晶体管的开路故障诊断方法。
背景技术
三相四线制逆变器在有源滤波、新能源并网、不间断电源等领域得到广泛研究和应用，故提高三相四线制逆变器的可靠性有着重要意义；故障容错是一种提高变换器运行寿命的有效措施，而快速准确的故障诊断是容错运行的前提。行业调查显示，在电力电子变换器中，晶体管被列为最容易失效的元件之一，因此，有很多故障诊断的研究是针对晶体管的，而晶体管开路故障是晶体管常见故障。
目前，针对三相四线制逆变器晶体管开路故障诊断的专利技术比较多，它们大致可以分为四类：基于人工智能的方法、基于电流的方法、基于电压的方法和基于模型的方法。
基于人工智能的方法采用人工智能算法对逆变器中电压、电流等信号进行分析处理，从而实现故障诊断，如基于神经网络的方法(专利申请号201610438466.9)、基于遗传算法的方法(专利申请号201510769410.7)、基于向量机的方法(专利申请号201410005022.7)等；这一类方法应用面广，但计算量大、实现困难、诊断时间长。
基于电压的方法通过直接对逆变器中各种电压信号进行分析处理而诊断，如基于桥臂间电压的方法(专利申请号201610412312.2)、基于线电压包络线的方法(专利申请号201610286526.X)、基于桥臂中点电压光耦检测的方法(专利申请号201010135717.9)等；这一类方法具有诊断速度快、鲁棒性高的优点，但需要额外的传感器和诊断硬件电路。
基于电流的方法则通过直接对逆变器中各种电流信号进行分析处理而诊断，如基于电流轨迹的方法(专利申请号201611111173.6)、基于电流相位和幅值特征的方法(专利申请号201611106907.1)、基于相电流有效值的方法(专利申请号201610532252.8)等；这一类方法优点是需要的信号少，实现简单，但诊断时间长，且通常不能用于能量双向传输的逆变器。
基于模型的方法是通过建立电路模型，利用逆变器中电压、电流、控制量等信息计算出特定的诊断变量来进行诊断，如基于输出功率的诊断方法(专利申请号201310148901.0)、基于观测电流残差的方法(专利申请号201310743597.4)等；这一类方法的诊断速度和鲁棒性依然有待提高。
可见，在不增加额外采样和硬件电路的情况下，实现快速、高鲁棒性的逆变器晶体管开路故障诊断依然是待解决的问题。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种三相四线制逆变器晶体管的开路故障诊断方法，能够在不增加额外采样和硬件电路情况下，实现三相四线制逆变器晶体管开路故障快速、高鲁棒性的诊断。
一种三相四线制逆变器晶体管的开路故障诊断方法，包括如下步骤：
(1)从逆变器控制系统中获取用于诊断的相关电气信息；
(2)对于逆变器的X相，X＝A、B或C，根据上述相关电气信息计算当前时刻X相的期望桥臂中点电压平均值和实际桥臂中点电压平均值并将桥臂中点电压平均值偏差作为诊断变量；
(3)对于逆变器的X相，根据上述相关电气信息估算出当前时刻X相由采样和测量所引起的诊断变量计算误差以及由死区和延时所引起的诊断变量计算误差进而基于和设定当前时刻误差自适应诊断阈值ΔVth,XL[n]；
(4)根据诊断变量和阈值ΔVth,XL[n]确定当前时刻逆变器X相的桥臂中点电压平均值偏差极性ΔXL[n]；
(5)根据当前时刻逆变器三相的桥臂中点电压平均值偏差极性，判断逆变器晶体管是否存在开路故障并定位具体的故障晶体管。
所述步骤(1)中获取到的相关电气信息包括逆变器的直流母线电压、分压电容电压(即与直流低压端连接的电容电压)、每相占空比、每相电流、每相相电压、每相滤波电感和每相串联等效电阻。
所述步骤(2)中根据以下算式计算期望桥臂中点电压平均值
其中：Vdc[n]和Vdc[n-1]分别为当前时刻和前一时刻逆变器的直流母线电压，dX[n-1]为前一时刻逆变器X相的占空比。
所述步骤(2)中根据以下算式计算实际桥臂中点电压平均值
其中：VC1[n]和VC1[n-1]分别为当前时刻和前一时刻逆变器的分压电容电压，vXO[n]和vXO[n-1]分别为当前时刻和前一时刻逆变器X相的相电压，Ts为采样间隔时间，iX[n]和iX[n-1]分别为当前时刻和前一时刻逆变器X相的电流，LX为逆变器X相的滤波电感，RX为逆变器X相的串联等效电阻，iN[n]＝iA[n]+iB[n]+iC[n]，iN[n-1]＝iA[n-1]+iB[n-1]+iC[n-1]，LN和RN分别为逆变器中性线上的滤波电感和串联等效电阻。
所述步骤(3)中根据以下算式计算诊断变量计算误差
其中：为逆变器直流母线电压的自身采样误差，为逆变器分压电容电压的自身采样误差，为逆变器X相相电压的自身采样误差，为逆变器X相电流的自身采样误差，为逆变器X相滤波电感的自身测量误差，Ts为采样间隔时间，iX[n]和iX[n-1]分别为当前时刻和前一时刻逆变器X相的电流，LX为逆变器X相的滤波电感。
所述步骤(3)中根据以下算式计算诊断变量计算误差
其中：Vdc[n]为当前时刻逆变器的直流母线电压，Ts为采样间隔时间，TDD为逆变器X相上下桥臂晶体管驱动信号之间的死区时间，TDL为控制器向晶体管发出驱动信号至晶体管完成开关动作之间的延时时间。
所述步骤(3)中根据以下算式设定误差自适应诊断阈值ΔVth,XL[n]：
其中：α为大于等于1的比例设定系数。
所述步骤(4)中根据以下关系式确定桥臂中点电压平均值偏差极性ΔXL[n]：
其中：P、Z、N分别对应三种不同的极性。
所述步骤(5)中若ΔAL[n]＝ΔBL[n]＝ΔCL[n]＝Z，则判定当前时刻逆变器晶体管正常；若ΔAL[n]≠Z或ΔBL[n]≠Z或ΔCL[n]≠Z，则判定当前时刻逆变器晶体管存在开路故障；其中：ΔAL[n]、ΔBL[n]、ΔCL[n]分别对应当前时刻逆变器ABC三相的桥臂中点电压平均值偏差极性。
所述步骤(5)中若ΔAL[n]＝N，则判定当前时刻逆变器A相上桥臂晶体管存在开路故障；若ΔAL[n]＝P，则判定当前时刻逆变器A相下桥臂晶体管存在开路故障；若ΔBL[n]＝N，则判定当前时刻逆变器B相上桥臂晶体管存在开路故障；若ΔBL[n]＝P，则判定当前时刻逆变器B相下桥臂晶体管存在开路故障；若ΔCL[n]＝N，则判定当前时刻逆变器C相上桥臂晶体管存在开路故障；若ΔCL[n]＝P，则判定当前时刻逆变器C相下桥臂晶体管存在开路故障。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明方法只需要控制系统内已有的信息，且计算量小，从而避免增加额外的硬件电路和软件负担。
(2)本发明方法使用桥臂中点电压平均值偏差作为诊断变量，可以实现快速诊断，使诊断时间短至一个采样周期。
(3)本发明方法采用误差自适应的诊断阈值，可以在不牺牲诊断速度的同时，保证高鲁棒性；此外本发明方法还可用于能量双向传输的三相四线制逆变器等。
附图说明
图1为本发明三相四线制逆变器拓扑结构及其晶体管开路故障诊断方法的流程示意图。
图2为本发明逆变器晶体管开路故障诊断方法的实验结果示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明三相四线制逆变器功率管开路故障诊断方法包括以下步骤：
S1.从控制系统中获取用于诊断的信号。
典型的三相四线制逆变器应用中，如并网逆变器、不间断电源等，输出相电流(iA、iB、iC)、输出相电压(vAO、vBO、vCO)、直流母线电压Vdc和分压电容电压VC1将被采集送入控制系统中，以实现闭环运行和保护等功能；控制器运算得到每一相桥臂的脉冲占空比(dA、dB、dC)，从而控制逆变器的运行；控制器中，还存储电感(LA、LB、LC、LN)和串联等效电阻(RA、RB、RC、RN)等信息。
从控制器中获取上述已有的各项信息来实现该逆变器晶体管开路故障的诊断。
S2.计算期望桥臂中点电压平均值、实际桥臂中点电压平均值和桥臂中点电压平均值偏差。
期望桥臂中点电压平均值(其中X＝A或B或C，以下同此)为：
比如：
其中，[n]表示第n次采样时刻的值。
实际平均桥臂中点电压为：
其中in[n]＝ia[n]+ib[n]+ic[n]，比如：
桥臂中点电压偏差平均值为：
比如：
S3.估计诊断变量的计算误差，包括由采样误差、测量误差、死区和延时引起的计算误差等，并由这些计算误差设置误差自适应诊断阈值。
诊断变量为S2中所述桥臂中点电压平均值偏差。
由采样误差、测量误差引起的诊断变量计算误差计算为：
其中：是Vdc自身采样误差，是VC1自身采样误差，是vxo自身采样误差，是电感LX自身测量误差，比如：
由死区和延时引起的计算误差为：
其中：TDD是死区时间，TDL是延时时间，比如：
以上各项采样误差、测量误差、死区和延时等属于逆变器系统固有特征，是已知参数。
得到各部分计算误差后，设定误差自适应诊断阈值ΔVth,XL[n]为：
其中，α≥1。
上述各部分误差计算已经是最坏估计，在本实施例中，选择α＝1。
于是：
比如：
S4.确定桥臂中点电压平均值偏差极性。
得到S2和S3步骤中所述桥臂中点电压平均值偏差和相应的误差自适应诊断阈值，桥臂中点电压平均值偏差极性通过下式确定：
比如，当计算得到有则有ΔAL[n]＝P；当计算得到有则有ΔAL[n]＝Z；当计算得到有则有ΔAL[n]＝N。
在实际程序编写中，可以将P、Z、N分别用1、0、-1指代。
S5.判断是否出现故障，如果有故障根据故障诊断表定位故障晶体管。
根据以下条件判断是否已经出现了故障：
判断出现故障后，可以依据表1进行故障定位：
表1
表1可以诊断任意多管的故障情况。例如，当计算出现ΔAL[n]＝N、ΔBL[n]＝Z、ΔCL[n]＝Z时，晶体管TAU被诊断为出现开路故障；当出现ΔAL[n]＝N、ΔBL[n]＝N、ΔCL[n]＝P时，晶体管TAU、TBU和TCL被诊断为出现开路故障。
为了更加清楚地描述该实施例，图2给出了该实施例下的实验结果。该实验用到的参数如表2所示：
表2
如图2所示，在t1时刻触发了晶体管TAU、TBU和TCL的开路故障；故障触发前，桥臂中点电压平均值极性保持为ΔAL[n]＝Z、ΔBL[n]＝Z、ΔCL[n]＝Z；故障出现后，桥臂中点电压平均值极性迅速出现改变。当检测到ΔAL[n]＝N时，晶体管TAU被诊断为开路故障，诊断时间约为0.1ms(一个采样周期)；当检测到ΔBL[n]＝N时，晶体管TBU被诊断为开路故障，诊断时间约为1ms(十个采样周期)；当检测到ΔCL[n]＝P时，晶体管TCL被诊断为开路故障，诊断时间约为0.1ms(一个采样周期)；以上结果证明了本发明方法的准确性和快速性。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种三相四线制逆变器晶体管的开路故障诊断方法，包括如下步骤：
(1)从逆变器控制系统中获取用于诊断的相关电气信息；
(2)对于逆变器的X相，X＝A、B或C，根据上述相关电气信息通过以下算式计算当前时刻X相的期望桥臂中点电压平均值和实际桥臂中点电压平均值并将桥臂中点电压平均值偏差作为诊断变量；
其中：Vdc[n]和Vdc[n-1]分别为当前时刻和前一时刻逆变器的直流母线电压，dX[n-1]为前一时刻逆变器X相的占空比，VC1[n]和VC1[n-1]分别为当前时刻和前一时刻逆变器的分压电容电压，vXO[n]和vXO[n-1]分别为当前时刻和前一时刻逆变器X相的相电压，Ts为采样间隔时间，iX[n]和iX[n-1]分别为当前时刻和前一时刻逆变器X相的电流，LX为逆变器X相的滤波电感，RX为逆变器X相的串联等效电阻，iN[n]＝iA[n]+iB[n]+iC[n]，iN[n-1]＝iA[n-1]+iB[n-1]+iC[n-1]，LN和RN分别为逆变器中性线上的滤波电感和串联等效电阻；
(3)对于逆变器的X相，根据上述相关电气信息通过以下算式估算出当前时刻X相由采样和测量所引起的诊断变量计算误差以及由死区和延时所引起的诊断变量计算误差
其中：为逆变器直流母线电压的自身采样误差，为逆变器分压电容电压的自身采样误差，为逆变器X相相电压的自身采样误差，为逆变器X相电流的自身采样误差，为逆变器X相滤波电感的自身测量误差，TDD为逆变器X相上下桥臂晶体管驱动信号之间的死区时间，TDL为控制器向晶体管发出驱动信号至晶体管完成开关动作之间的延时时间；
进而基于和根据以下算式设定当前时刻误差自适应诊断阈值ΔVth,XL[n]；
其中：α为大于等于1的比例设定系数；
(4)根据诊断变量和阈值ΔVth,XL[n]通过以下关系式确定当前时刻逆变器X相的桥臂中点电压平均值偏差极性ΔXL[n]；
其中：P、Z、N分别对应三种不同的极性；
(5)根据当前时刻逆变器三相的桥臂中点电压平均值偏差极性，判断逆变器晶体管是否存在开路故障并定位具体的故障晶体管；
若ΔAL[n]＝ΔBL[n]＝ΔCL[n]＝Z，则判定当前时刻逆变器晶体管正常；若ΔAL[n]≠Z或ΔBL[n]≠Z或ΔCL[n]≠Z，则判定当前时刻逆变器晶体管存在开路故障；其中：ΔAL[n]、ΔBL[n]、ΔCL[n]分别对应当前时刻逆变器ABC三相的桥臂中点电压平均值偏差极性；
若ΔAL[n]＝N，则判定当前时刻逆变器A相上桥臂晶体管存在开路故障；若ΔAL[n]＝P，则判定当前时刻逆变器A相下桥臂晶体管存在开路故障；若ΔBL[n]＝N，则判定当前时刻逆变器B相上桥臂晶体管存在开路故障；若ΔBL[n]＝P，则判定当前时刻逆变器B相下桥臂晶体管存在开路故障；若ΔCL[n]＝N，则判定当前时刻逆变器C相上桥臂晶体管存在开路故障；若ΔCL[n]＝P，则判定当前时刻逆变器C相下桥臂晶体管存在开路故障。
2.根据权利要求1所述的开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(1)中获取到的相关电气信息包括逆变器的直流母线电压、分压电容电压、每相占空比、每相电流、每相相电压、每相滤波电感和每相串联等效电阻。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Fast Open-Transistor Fault Diagnosis Based on Calculated Bridge Arm Pole-to-Pole Voltage in Voltage-Source Inverters;Zhan Li等;《2016 IEEE 2nd Annual Southern Power Electronics Conference》;20170209;1-6 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107942219A (zh) | 2018-04-20 |
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