CN109975681A - 高频链双向ac-dc矩阵变换器故障诊断方法 - Google Patents

高频链双向ac-dc矩阵变换器故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高频链双向AC‑DC矩阵变换器(HFLMC)故障诊断方法。该方法包括以下步骤：通过开关状态及开关组的误差电压判断故障开关组，利用连续不同开关状态的故障开关组定位三相‑单相矩阵变换器(3‑1MC)的故障功率开关；结合不同桥臂的端电压故障特征和开关信号，定位H桥变换器功率开关及二极管的具体故障位置。该方法简单易行，能及时、准确的诊断出发生开路的故障功率器件，为功率器件故障下的容错运行奠定基础，从而提高系统的可靠性。

Description

高频链双向AC-DC矩阵变换器故障诊断方法
技术领域
本发明属于功率变换器故障诊断技术领域，具体涉及一种高频链双向AC-DC矩阵变换器的故障诊断方法。
背景技术
近年来，电力电子变换装置在人们生活中广泛普及，由于高频链双向AC-DC矩阵变换器其结构无中间直流储能环节、具有优良的输入输出性能、结构易于模块化、能实现能量的双向流动等一系列特点，在光伏发电、风力发电、电动汽车V2G技术、燃料电池等领域具有较大的应用价值。
但由于高频链双向AC-DC矩阵变换器经常工作在高频状态、损耗较大、发热严重且功率器件较多，因此成为整个系统故障频发的薄弱环节。当功率器件出现开路故障时，如果不能发现并进行及时处理，会造成二次故障，严重影响系统设备的使用寿命和运行性能，因此，对功率开关器件准确且及时的故障诊断是非常必要的。
开路故障和短路故障是最为常见的两种故障类型，一般短路故障经过硬件电路(熔断器等)的保护处理，被转化成开路故障；因此，对功率器件的故障诊断主要为开路故障。目前，故障诊断技术主要分为电压法和电流法两种。尽管电流法的诊断成本相对较低，但实现起来繁琐，容易受负载运行状态影响。高频链双向AC-DC矩阵变换器的功率器件发生故障会直接影响其输出电压，因此根据输出电压故障特征来诊断故障器件，具有准确度高、实现简单等一系列优点。
发明内容
本发明目的在于提供一种高频链双向AC-DC矩阵变换器的开路故障诊断方法，以解决高频链双向AC-DC矩阵变换器的功率器件出现开路故障时，及时定位故障器件的技术问题。该诊断方法通过比较连续不同开关状态的开关组误差电压与阈值的大小关系，准确判断和定位3-1MC故障开关；利用H桥变换器的左右桥臂的上桥臂功率器件端电压故障特征结合其开关状态，能够快速、准确的定位出H桥变换器发生故障的功率开关管及二极管。
为实现上述目的，本发明解决上述故障技术问题的方案包括以下步骤：
步骤一：利用电压传感器测量3-1MC的三相输入线电压、单相输出电压VP以及H桥变换器每一桥臂的其中一个功率器件端电压VMG、VNG和输出直流电压VGK。
步骤二：将3-1MC的某一个开关状态(假设功率开关管Sap,Sbn导通)的输出线电压误差与相应的开关组开关信号代入式dipjn＝Sip*Sjn(Uij-Upn)得到开关组误差电压dipjn，然后将开关组误差电压的绝对值|dipjn|与设定阈值g进行比较，判断是否有功率开关管发生故障,若|dipjn|大于设定阈值g，则有功率开关管发生故障，判断故障开关存在该开关组误差电压对应的开关组中；若|dipjn|小于设定阈值g，则没有功率开关管发生故障，返回步骤一；H桥变换器利用输出直流电压VGK和开关信号得到功率器件端电压VMG、VNG的估计值，若VMG估计值与VMG的测量值的差值大于正阈值u,则可知H桥变换器的左桥臂功率器件D2、T1出现故障；若VMG估计值与VMG的测量值的差值小于-u,则可知H桥变换器的左桥臂功率器件D1、T2出现故障；VNG测量值与估计值的比较类似。3-1MC一个周期内(以扇区一为例)功率开关故障开关组的误差电压如表1所示，其中“1”表示开关组误差电压大于设定阈值，“0”表示开关组误差电压小于设定阈值，Sap、Sbn表示某一时刻这两个开关同时开通。
表1 3-1MC一个周期内功率开关故障开关组误差电压
表2H桥变换器功率器件开路故障的电压情况及开关状态
步骤三：若步骤二给出3-1MC故障开关组信号，则继续比较下一个开关状态(假设此时功率开关管Sap、Scn导通)|dipjn|与设定阈值g的大小状况，若在两个连续开关状态内|dipjn|都大于设定阈值g，则两个开关状态都导通的开关(功率开关管Sap)是故障开关；若前一个开关状态|dipjn|大于设定阈值g，而下一个开关状态|dipjn|小于设定阈值g，则故障的功率开关管为第一个开关状态中两个开关状态非共同导通的开关Sbn；若步骤二给出H桥变换器的故障组，则发生故障时导通的功率开关或其并联的二极管则是故障功率器件。表2为H桥变换器功率器件开路故障前后测量值与估计值的电压比较情况及故障时功率器件的开关状态，其中“小于”表示测量值小于估计值,“未变”表示测量值与估计值差值在设定阈值范围之内，“1”表示开关管开通，“1”表示开关管未导通。
有益效果：与现有技术相比，本发明有以下显著优点：
(1)提出的故障诊断方法简单易行；
(2)能够准确定位出发生故障的功率器件是功率开关管还是二极管；
(3)不需要额外硬件设备；
附图说明
图1为本发明中的具体诊断流程图。
图2为本发明中高频链双向AC-DC矩阵变换器主电路结构。
图3为本发明中输入相电流空间矢量分布与合成图。
图4为本发明中某一开关周期输出电压、开关状态图。
图5为本发明中Sap故障情况下VP、Vn、iL波形仿真图。
图6为本发明中Sap故障情况下定位故障仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
高频链双向AC-DC矩阵变换器的具体诊断流程图如图1所示。
高频链双向AC-DC矩阵变换器的主电路拓扑结构如图2所示；由3-1MC、钳位电路以及H桥变换器组成；Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn是双向功率开关管，S1至S4包括功率开关管、二极管和缓冲电容，N1至N4是快恢复二极管，R为泄流电阻，C为吸收电容。此外，每个功率开关管两端并联的缓冲电容器是为了避免寄生电感引起的过电压，当3-1MC的某个功率开关出现故障的情况下，将会在开关管两端产生过电压，甚至有些正常的功率开关管也会被击穿，造成二次故障，损坏主电路。为保证电路的安全，在高频链矩阵变换器的前后端加入钳位电路。故障一旦出现,3-1MC的漏感产生的尖峰电压会通过快恢复二极管将能量储存在吸收电容C中,泄流电阻R能快速吸收释放掉吸收电容C中储存的能量。
3-1MC的调制策略是利用相邻的两个基本矢量(用来输出正电流+Im)和与之极性相反的两个基本矢量(用来输出负电流-Im)以及零矢量来合成期望的输入相电流矢量。图3是输入相电流空间矢量分布与合成图，由六个非零矢量和两个零矢量组成；以Iab、Iac、Iba、Ica和I0五个基本矢量合成的参考输入相电流为例，开关周期内3-1MC输出的电压波形、各基本矢量作用时间和顺序如图4所示，将三相工频交流电压直接转换成单相高频交流方波。H桥变换器的同一桥臂功率开关管互补导通，斜对角功率开关管的驱动脉冲同步导通，所有功率开关管驱动脉冲占空比均为0.5，将3-1MC输出的单相高频交流方波转化直流电压。
3-1MC和H桥变换器通过移相控制技术实现能量的传输，功率的传输主要通过改变电压Vp、Vn之间移相角的大小来改变漏感上的电压来实现，从而控制传输功率的大小和方向。因为能量能够双向流动，当Vp超前Vn，能量从3-1MC向H桥变换器传输；当Vp滞后Vn，能量从H桥变换器向3-1MC传输；图5是在t＝0.0236s时设置Sap开路故障，Sap故障情况下VP、Vn、iL波形仿真图,从波形可知，当3-1MC的功率开关发生故障，会直接影响单相输出电压Vp,两个开关状态都诊断出故障信号，证明两个开关状态都开通的功率开关为故障开关。
3-1MC在某一开关周期内，Sap功率开关发生故障时，在不同开关状态的开关组误差电压的表现形式，定位出Sap发生故障；如图6所示，“1”表示故障开关组大于设定阈值，“0”表示故障开关组小于设定阈值。
综上所述：通过以上诊断方法，能够对高频链双向AC-DC矩阵变换器的功率开关管及二极管的开路故障进行诊断，能够定位出具体的故障器件位置。该算法不仅简单，成本低且易实现。
所述本发明的较佳实施方式如上，并非局限于本发明。可在本发明的保护范围内，不脱离本发明的原理基础上，作进一步的更改与润饰。

Claims (4)

1.一种高频链双向AC-DC矩阵变换器的开路故障诊断方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：利用电压传感器测量3-1MC的三相输入线电压、单相输出电压VP以及H桥变换器每一桥臂的其中一个功率器件端电压VMG、VNG和输出直流电压VGK；
步骤二：将3-1MC的某一个开关状态(假设功率开关管Sap、Sbn导通)的输出线电压误差与相应的开关组开关状态代入式
dipjn＝Sip*Sjn(Uij-Upn) (1)
得到开关组误差电压dipjn，然后将开关组误差电压的绝对值|dipjn|与设定阈值g进行比较，判断是否有功率开关管发生故障,若|dipjn|大于设定阈值g，则有功率开关管发生故障，判断故障开关存在于该开关组误差电压对应的开关组中；若|dipjn|小于设定阈值g，则没有功率开关管发生故障，返回步骤一；H桥变换器利用输出直流电压VGK和开关信号得到功率器件端电压VMG、VNG的估计值，若VMG估计值与VMG的测量值的差值大于正阈值u,则可知H桥变换器的左桥臂功率器件D2、T1出现故障；若VMG估计值与VMG的测量值的差值小于-u,则可知H桥变换器的左桥臂功率器件D1、T2出现故障；VNG测量值与估计值的比较类似；
步骤三：若步骤二给出3-1MC故障开关组信号，则继续比较下一个开关状态(假设此时功率开关管Sap、Scn导通)|dipjn|与设定阈值g的大小状况，若在两个连续开关状态内|dipjn|都大于设定阈值g，则两个开关状态都导通的开关(功率开关管Sap)是故障开关；若前一个开关状态|dipjn|大于设定阈值g，而下一个开关状态|dipjn|小于设定阈值g，则故障的功率开关管为第一个开关状态中两个开关状态非共同导通的开关Sbn；若步骤二给出H桥变换器的故障组，则发生故障时导通的功率开关或其并联的二极管则是故障功率器件。
2.根据权利要求1所述的基于高频链双向AC-DC矩阵变换器的开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤一3-1MC,为了阐述方便，称高频链双向AC-DC矩阵变换器的整流级为3-1MC；VMG为H桥变换器左桥臂中的上桥臂功率器件端电压，VNG为H桥变换器右桥臂中的上桥臂功率器件端电压。
3.根据权利要求1所述的基于高频链双向AC-DC矩阵变换器的开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤二开关状态，一个开关周期内有6个开关状态，每个开关状态内有两个双向功率开关管同时导通，其中Sap,Sbn为a相上桥臂和b相下桥臂同时导通，其他情况类似。
4.根据权利要求1所述的基于高频链双向AC-DC矩阵变换器的开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤二公式dipjn＝Sip*Sjn(Uij-Upn)，dipjn＝Sip*Sjn(Uij-Upn)中Sip、Sjn为3-1MC开关信号，(i,j∈{a,b,c})；Sip表示整流级输入i相上桥臂功率开关状态，Sjn表示输入j相下桥臂功率开关状态；Uij表示整流级输出线电压理论值，其等于某一时刻由整流级开关状态决定的某一输入线电压值，可根据开关信号和输入线电压获得,Upn为整流级输出线电压检测值，dipjn为开关组误差电压；为了考虑功率管压降、换流瞬间电压、电压传感器测量误差等因素，设定阈值电压g、u；D为H桥变换器中的二极管，T为H桥变换器中的功率开关。
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