CN110957762A - 一种三电平牵引变流器故障分类方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电路故障诊断领域，公开了一种三电平牵引变流器故障分类方法、系统及存储介质，以对牵引变流器中常见的5类故障进行分类；该方法包括在三电平牵引变流器正常的工作情况下，建立直流环节电压与网侧电流、牵引电机定子三相电流、和脉冲控制信号之间的第一关系模型；分别建立三电平整流器正常运行时和三电平整流器的桥臂上的各功率器件在开路故障运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第二关系模型和第三关系模型；判断牵引变流器是否发生故障；设定各类故障对应的故障分类的阈值；并将定子三相电流之和、直流环节上侧和下侧电压之差、以及网侧电流残差分别与故障分类阈值进行比较以进行故障分类。

Description

一种三电平牵引变流器故障分类方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及电路故障诊断领域，尤其涉及一种三电平牵引变流器故障分类方法、系统及存储介质。

背景技术

高速列车的安全运行是高铁运行与发展的首要问题，关乎国计民生。牵引变流器是高速列车牵引传动系统的重要组成部分，其安全稳定运行对高速列车至关重要，然而，列车长时间不间断地运行在复杂多变的环境下，可能导致牵引变流器的多类故障。

三电平牵引变流器的故障可以分为传感器故障和主电路故障，其中传感器故障主要有网侧电流传感器故障、直流环节电压传感器故障和定子三相电流传感器故障等，主电路故障主要有整流器故障和逆变器故障，整流器和逆变器常见故障有短路故；障和开路故障，但发生短路故障时，熔断器会以极快的速度熔断，进而转变成了开路故障情形，因此，在实际情况中，主电路故障一般只考虑整流器和逆变器的开路故障。

无论牵引变流器发生哪一类故障，都会导致系统传感器测量的异常。目前，现有的牵引变流器故障诊断方法，一般只是针对某一类故障，且目前的方法仅能够区分牵引变流器是正常运行还是发生了该类故障，往往不能定位不同类的多故障情形；当系统发生故障的类别与故障诊断方法针对的故障类别不一致时，极易导致误报或漏报。

因此，急需一种能够对牵引变流器多故障进行分类的方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种三电平牵引变流器故障分类方法、系统及存储介质，以区分三电平变流器中发生的整流器开路故障、逆变器开路故障、网侧电流传感器故障、直流环节电压传感器故障和定子三相电流传感器故障的种类，进一步有效降低牵引变流器的维修周期和成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种三电平牵引变流器故障分类方法，包括以下步骤：

S1：在三电平牵引变流器正常的工作情况下，建立直流环节电压与网侧电流、牵引电机定子三相电流、和脉冲控制信号之间的第一关系模型；

S2：建立三电平整流器正常运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第二关系模型，建立三电平整流器的桥臂上的各功率器件在开路故障运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、脉冲控制信号之间的第三关系模型；

S3：计算定子三相电流之和，根据所述第一关系模型计算直流环节电压作为电压估计值，根据所述电压估计值和测量得到的电压实际值生成电压残差，将所述定子三相电流之和和所述电压残差与设定的故障检测阈值进行比较，根据比较结果判断牵引变流器是否发生故障，若发生故障，进入S4；

S4：分别计算直流环节上侧和下侧电压之差和网侧电流残差，设定各类故障对应的故障分类的阈值；并将所述定子三相电流之和、所述直流环节上侧和下侧电压之差、以及所述网侧电流残差分别与所述故障分类阈值进行比较，根据比较结果进行故障分类。

优选地，S1包括：

S11：在三电平牵引变流器正常工作的情况下，建立直流环节电压的常微分方程，公式为：

式中，C₁和C₂分别为直流环节上侧的支撑电容和下侧的支撑电容，u₁和u₂分别为直流环节上侧支撑电容两端电压和下侧支撑电容两端电压，i_{u_re}和i_{d_re}分别为直流环节上侧节点流入整流器的电流和下侧节点流入整流器的电流，i_{u_in}和i_{d_in}分别为直流环节上侧节点流入逆变器的电流和下侧节点流入逆变器的电流；

S12：建立直流环节上侧节点流入整流器电流i_{u_re}和下侧节点流入整流器电流i_{d_re}与网侧电流、整流器的脉冲控制信号之间的关系，公式为：

式中，s_a1,s_a2,s_a3,s_a4分别为控制整流器A相桥臂至上而下四个功率器件S_a1,S_a2,S_a3,S_a4的脉冲控制信号，s_b1,s_b2,s_b3,s_b4分别为控制整流器B相桥臂至上而下四个功率器件S_b1,S_b2,S_b3,S_b4的脉冲控制信号，i_N为网侧电流；

S13：建立直流环节上侧节点流入逆变器电流i_{u_in}和下侧节点流入逆变器电流i_{d_in}与定子三相电流、逆变器的脉冲控制信号之间的关系，公式为：

式中，s_u1,s_u2,s_u3,s_u4分别为控制逆变器U相桥臂至上而下四个功率器件S_u1,S_u2,S_u3S_u4的脉冲控制信号，s_v1,s_v2,s_v3,s_v4分别为控制逆变器V相桥臂至上而下四个功率器件S_v1,S_v2,S_v3,S_v4的脉冲控制信号，s_w1,s_w2,s_w3,s_w4分别为控制逆变器W相桥臂至上而下四个功率器件S_w1,S_w2,S_w3,S_w4的脉冲控制信号，i_u,i_v,i_w为定子的三相电流。

S14：计算直流环节电压与网侧电流、牵引电机定子三相电流、整流器和逆变器的脉冲控制信号之间的第一关系模型，公式为：

优选地，S2包括：

S21:建立三电平整流器正常运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第二关系模型，公式为：

式中，i_N为网侧电流，u_N为网侧电压，L_N为网侧的等效电感，R_N为网侧的和等效电阻，u₁为直流环节上侧支撑电容两端电压，u₂为直流环节下侧支撑电容两端电压；

S22：建立三电平整流器A、B相桥臂功率器件S_a1,S_a2,S_a3,S_a4、S_b1,S_b2,S_b3,S_b4分别开路故障运行时网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第三关系模型，公式如下：

其中，当功率器件S_a1发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_a2发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_a3发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_a4发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_b1发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_b2发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_b3发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_b4发生开路故障时，公式为：

式中，c_N为网侧电流i_N的标志位，当i_N≥0时，c_N＝1，

当i_N＜0时，c_N＝0，

优选地，S3包括：

S31：利用三电平变流器原有传感器采集的定子三相电流i_u、i_v、i_w，计算定子三相电流之和，公式为：

i_sum＝i_u+i_v+i_w； (14)

式中，i_sum为三相电流之和。

S32：利用三电平变流器原有传感器采集的网侧电流i_N，定子三相电流i_u、i_v、i_w，以及整流器和逆变器的脉冲控制信号，使用公式(4)计算直流环节电压并作为估计值

和

将直流电压传感器测量值u₁和u₂分别与估计值

和

作差，生成残差

和

计算公式为：

S33：设定用于检测三相电流之和的故障检测阈值ε₁和用于检测直流环节电压的故障检测阈值ε₂，当|i_sum|＞ε₁，

至少有一个成立时，判断牵引变流器有故障发生。

优选地，S4包括：

S41：设定用于判断判断牵引变流器是否发生定子三相电流传感器故障的故障分类阈值θ₁，当|i_sum|＞θ₁时，判断牵引变流器发生定子三相电流传感器故障；

S42：利用三电平变流器原有传感器采集的直流上侧电压u₁和下侧电压u₂，计算直流环节上侧和下侧电压之差，公式为：

Δu＝u₁-u₂； (16)

式中，Δu为直流环节上侧和下侧电压之差。

S43：设定用于判断牵引变流器是否发生直流环节电压传感器故障的故障分类阈值θ₂，当|Δu|＞θ₂时，判断牵引变流器发生直流环节电压传感器故障；

S44：利用网侧电流传感器采集的网侧电流i_N，使用公式(5)估计网侧电流为

将网侧电流传感器测量值i_N与

相减生成残差为

设定故障分类阈值θ₃，定义函数e(k)和E(k)，公式为：

式中，

是残差

在第k个采样点的值；

S45：当变流器发生故障，且不是定子三相电流传感器故障和直流环节电压传感器故障时，若E(k)＝0，则判断牵引变流器发生逆变器功率器件开路故障；

S46：利用网侧电流传感器采集网侧电流i_N，使用公式(6)-(13)，估计网侧电流分别为

将网侧电流传感器测量值i_N与

相减生成残差为

设定故障分类阈值θ₄，定义函数δ_m(k)、h_m(k)和H(k)，公式为：

式中，m＝1,2...8，

是残差

在第k个采样点的值，H(k)为残差评价函数；

S47：当变流器发生故障，且不是定子三相电流传感器故障和直流环节电压传感器故障时，同时满足E(k)＝1，若H(k)＝255，则判断牵引变流器发生网侧电流传感器故障，若H(k)≠255，则判断牵引变流器发生整流器功率器件开路故障。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种三电平牵引变流器故障分类系统，包括：

第一单元，用于在三电平牵引变流器正常的工作情况下，建立直流环节电压与网侧电流、牵引电机定子三相电流、和脉冲控制信号之间的第一关系模型；

第二单元，用于建立三电平整流器正常运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第二关系模型，建立三电平整流器的桥臂上的各功率器件在开路故障运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、脉冲控制信号之间的第三关系模型；

第三单元，用于计算定子三相电流之和，根据所述第一关系模型计算直流环节电压作为电压估计值，根据所述电压估计值和测量得到的电压实际值生成电压残差，将所述定子三相电流之和和所述电压残差与设定的故障检测阈值进行比较，根据比较结果判断牵引变流器是否发生故障；

第四单元，用于分别计算直流环节上侧和下侧电压之差和网侧电流残差，设定各类故障对应的故障分类的阈值；并将所述定子三相电流之和、所述直流环节上侧和下侧电压之差、以及所述网侧电流残差分别与所述故障分类阈值进行比较，根据比较结果进行故障分类。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实施所述述的三电平牵引变流器故障分类方法。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种三电平牵引变流器故障分类方法，对牵引变流器中常见的5类故障进行分类。首先，在三电平牵引变流器正常工作情况下，建立直流环节电压与网侧电流，牵引电机定子三相电流，脉冲控制信号之间的关系模型；其次，分析三电平整流器正常与功率器件开路故障运行时的工作原理，分别建立正常与功率器件开路故障运行时网侧电流与直流环节电压，网侧电压，脉冲控制信号之间的关系模型；然后，设定故障检测阈值，使用定子三相电流之和，直流环节电压关系模型，检测故障是否发生；最后，使用定子三相电流之和，直流环节电压关系模型，正常与功率器件开路故障时的网侧电流传感器关系模型对牵引变流器故障进行分类，区分定子三相电流传感器故障，直流电压传感器故障，网侧电流传感器故障，整流器功率器件开路故障和逆变器功率器件开路故障。本发明能够区分牵引变流器中5类常见故障，进一步实现有效降低牵引变流器的维修周期和成本。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明三电平变流器主电路拓扑图；

图2是本发明三电平牵引变流器故障分类方法流程图；

图3是本发明优选实施例定子三相电流传感器故障分类图；

图4是本发明优选实施例直流环节电压传感器故障分类图；

图5是本发明优选实施例逆变器开路故障分类图；

图6是本发明优选实施例网侧电流传感器故障分类图；

图7是本发明优选实施例整流器开路故障分类图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。图1是本实施例中主电路原理图，其主要仿真参数包括有：支撑电容器的电容值C为0.0016uF，直流环节电压给定值为2600V，整流器开关周期为0.8ms，逆变器开关周期为1ms，具体如下表1所示：

表1三电平变流器主要仿真参数

参数	数值
		支撑电容器的电容值(C)	0.0016uF
直流环节电压给定值	2600V
		整流器开关周期	0.8ms
逆变器开关周期	1ms

如图2所示，实施例1本实施例提供一种三电平牵引变流器故障分类方法，包括以下步骤：

S1：在三电平牵引变流器正常的工作情况下，建立直流环节电压与网侧电流、牵引电机定子三相电流、和脉冲控制信号之间的第一关系模型；

S2：建立三电平整流器正常运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第二关系模型，建立三电平整流器的桥臂上的各功率器件在开路故障运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、脉冲控制信号之间的第三关系模型；

S3：计算定子三相电流之和，根据所述第一关系模型计算直流环节电压作为电压估计值，根据所述电压估计值和测量得到的电压实际值生成电压残差，将所述定子三相电流之和和所述电压残差与设定的故障检测阈值进行比较，根据比较结果判断牵引变流器是否发生故障，若发生故障，进入S4；

S4：分别计算直流环节上侧和下侧电压之差和网侧电流残差，设定各类故障对应的故障分类的阈值；并将所述定子三相电流之和、所述直流环节上侧和下侧电压之差、以及所述网侧电流残差分别与所述故障分类阈值进行比较，根据比较结果进行故障分类。

上述的三电平牵引变流器故障分类方法能够区分牵引变流器中5类常见故障，进一步实现有效降低牵引变流器的维修周期和成本。

具体地，在实际应用中，上述的方法还可以进一步优化，具体包括：

S1：在三电平牵引变流器正常的工作情况下，建立直流环节电压与网侧电流、牵引电机定子三相电流、和脉冲控制信号之间的第一关系模型。

S11：在三电平牵引变流器正常工作的情况下，建立直流环节电压的常微分方程，公式为：

式中，C₁和C₂分别为直流环节上侧的支撑电容和下侧的支撑电容，u₁和u₂分别为直流环节上侧支撑电容两端电压和下侧支撑电容两端电压，i_{u_re}和i_{d_re}分别为直流环节上侧节点流入整流器的电流和下侧节点流入整流器的电流，i_{u_in}和i_{d_in}分别为直流环节上侧节点流入逆变器的电流和下侧节点流入逆变器的电流；

S12：建立直流环节上侧节点流入整流器电流i_{u_re}和下侧节点流入整流器电流i_{d_re}与网侧电流、整流器的脉冲控制信号之间的关系，公式为：

式中，s_a1,s_a2,s_a3,s_a4分别为控制整流器A相桥臂至上而下四个功率器件S_a1,S_a2,S_a3,S_a4的脉冲控制信号，s_b1,s_b2,s_b3,s_b4分别为控制整流器B相桥臂至上而下四个功率器件S_b1,S_b2,S_b3,S_b4的脉冲控制信号，i_N为网侧电流；

S13：建立直流环节上侧节点流入逆变器电流i_{u_in}和下侧节点流入逆变器电流i_{d_in}与定子三相电流、逆变器的脉冲控制信号之间的关系，公式为：

式中，s_u1,s_u2,s_u3,s_u4分别为控制逆变器U相桥臂至上而下四个功率器件S_u1,S_u2,S_u3S_u4的脉冲控制信号，s_v1,s_v2,s_v3,s_v4分别为控制逆变器V相桥臂至上而下四个功率器件S_v1,S_v2,S_v3,S_v4的脉冲控制信号，s_w1,s_w2,s_w3,s_w4分别为控制逆变器W相桥臂至上而下四个功率器件S_w1,S_w2,S_w3,S_w4的脉冲控制信号，i_u,i_v,i_w为定子的三相电流。

S14：计算直流环节电压与网侧电流、牵引电机定子三相电流、整流器和逆变器的脉冲控制信号之间的第一关系模型，公式为：

S2：建立三电平整流器正常运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第二关系模型，建立三电平整流器的桥臂上的各功率器件在开路故障运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、脉冲控制信号之间的第三关系模型。S21:建立三电平整流器正常运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第二关系模型，公式为：

式中，i_N为网侧电流，u_N为网侧电压，L_N为网侧的等效电感，R_N为网侧的和等效电阻，u₁为直流环节上侧支撑电容两端电压，u₂为直流环节下侧支撑电容两端电压；

S22：建立三电平整流器A、B相桥臂功率器件S_a1,S_a2,S_a3,S_a4、S_b1,S_b2,S_b3,S_b4分别开路故障运行时网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第三关系模型，公式如下：

其中，当功率器件S_a1发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_a2发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_a3发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_a4发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_b1发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_b2发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_b3发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_b4发生开路故障时，公式为：

式中，c_N为网侧电流i_N的标志位，当i_N≥0时，c_N＝1，

当i_N＜0时，c_N＝0，

S3：计算定子三相电流之和，根据所述第一关系模型计算直流环节电压作为电压估计值，根据所述电压估计值和测量得到的电压实际值生成电压残差，将所述定子三相电流之和和所述电压残差与设定的故障检测阈值进行比较，根据比较结果判断牵引变流器是否发生故障，若发生故障，进入S4。

S31：利用三电平变流器原有传感器采集的定子三相电流i_u、i_v、i_w，计算定子三相电流之和，公式为：

i_sum＝i_u+i_v+i_w； (14)

式中，i_sum为三相电流之和。

S32：利用三电平变流器原有传感器采集的网侧电流i_N，定子三相电流i_u、i_v、i_w，以及整流器和逆变器的脉冲控制信号，使用公式(4)计算直流环节电压并作为估计值

和

将直流电压传感器测量值u₁和u₂分别与估计值

和

作差，生成残差

和

计算公式为：

S33：设定用于检测三相电流之和的故障检测阈值ε₁和用于检测直流环节电压的故障检测阈值ε₂，当|i_sum|＞ε₁，

至少有一个成立时，判断牵引变流器有故障发生。

S4：分别计算直流环节上侧和下侧电压之差和网侧电流残差，设定各类故障对应的故障分类的阈值；并将所述定子三相电流之和、所述直流环节上侧和下侧电压之差、以及所述网侧电流残差分别与所述故障分类阈值进行比较，根据比较结果进行故障分类。

S41：设定用于判断判断牵引变流器是否发生定子三相电流传感器故障的故障分类阈值θ₁，当|i_sum|＞θ₁时，判断牵引变流器发生定子三相电流传感器故障；

S42：利用三电平变流器原有传感器采集的直流上侧电压u₁和下侧电压u₂，计算直流环节上侧和下侧电压之差，公式为：

Δu＝u₁-u₂； (16)

式中，Δu为直流环节上侧和下侧电压之差。

S43：设定用于判断牵引变流器是否发生直流环节电压传感器故障的故障分类阈值θ₂，当|Δu|＞θ₂时，判断牵引变流器发生直流环节电压传感器故障；

S44：利用网侧电流传感器采集的网侧电流i_N，使用公式(5)估计网侧电流为

将网侧电流传感器测量值i_N与

相减生成残差为

设定故障分类阈值θ₃，定义函数e(k)和E(k)，公式为：

式中，

是残差

在第k个采样点的值；

S45：当变流器发生故障，且不是定子三相电流传感器故障和直流环节电压传感器故障时，若E(k)＝0，则判断牵引变流器发生逆变器功率器件开路故障；

S46：利用网侧电流传感器采集网侧电流i_N，使用公式(6)-(13)，估计网侧电流分别为

将网侧电流传感器测量值i_N与

相减生成残差为

设定故障分类阈值θ₄，定义函数δ_m(k)、h_m(k)和H(k)，公式为：

式中，m＝1,2...8，

是残差

在第k个采样点的值，H(k)为残差评价函数；

S47：当变流器发生故障，且不是定子三相电流传感器故障和直流环节电压传感器故障时，同时满足E(k)＝1，若H(k)＝255，则判断牵引变流器发生网侧电流传感器故障，若H(k)≠255，则判断牵引变流器发生整流器功率器件开路故障。

在本实施例中，取ε₁＝3、ε₂＝3、θ₁＝5、θ₂＝5、θ₃＝5、θ₄＝5。图3-图7分别是定子三相电流传感器故障、直流环节电压传感器故障、逆变器开路故障、网侧电流传感器故障和整流器开路故障的波形图，由图3可以看出，定子三相电流传感器发生故障后，|i_sum|＞θ₁，判断牵引变流器发生定子三相电流传感器故障；由图4可以看出，直流环节电压传感器发生故障后，|Δu|＞θ₂时，判断牵引变流器发生直流环节电压传感器故障；由图5可以看出，逆变器发生开路故障后，|i_sum|＜θ₁、|Δu|＜θ₂，且E(k)＝0，判断牵引变流器发生逆变器功率器件开路故障；由图6可以看出，玩车电流传感器发生故障后，|i_sum|＜θ₁、|Δu|＜θ₂、E(k)＝1且H(k)＝255，判断网侧电流传感器发生故障；由图7可以看出，整流器发生开路故障后，|i_sum|＜θ₁、|Δu|＜θ₂、E(k)＝1且H(k)≠255，判断整流器发生开路故障；

实施例2

与上述实施例1相对应地，本实施例提供一种三电平牵引变流器故障分类系统，包括：

第一单元，用于在三电平牵引变流器正常的工作情况下，建立直流环节电压与网侧电流、牵引电机定子三相电流、和脉冲控制信号之间的第一关系模型；

第二单元，用于建立三电平整流器正常运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第二关系模型，建立三电平整流器的桥臂上的各功率器件在开路故障运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、脉冲控制信号之间的第三关系模型；

第三单元，用于计算定子三相电流之和，根据所述第一关系模型计算直流环节电压作为电压估计值，根据所述电压估计值和测量得到的电压实际值生成电压残差，将所述定子三相电流之和和所述电压残差与设定的故障检测阈值进行比较，根据比较结果判断牵引变流器是否发生故障；

第四单元，用于分别计算直流环节上侧和下侧电压之差和网侧电流残差，设定各类故障对应的故障分类的阈值；并将所述定子三相电流之和、所述直流环节上侧和下侧电压之差、以及所述网侧电流残差分别与所述故障分类阈值进行比较，根据比较结果进行故障分类。

实施例3

本实施例提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实施所述的三电平牵引变流器故障分类方法。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三电平牵引变流器故障分类方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在三电平牵引变流器正常的工作情况下，建立直流环节电压与网侧电流、牵引电机定子三相电流、和脉冲控制信号之间的第一关系模型；

S2：建立三电平整流器正常运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第二关系模型，建立三电平整流器的桥臂上的各功率器件在开路故障运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、脉冲控制信号之间的第三关系模型；

S3：计算定子三相电流之和，根据所述第一关系模型计算直流环节电压作为电压估计值，根据所述电压估计值和测量得到的电压实际值生成电压残差，将所述定子三相电流之和和所述电压残差与设定的故障检测阈值进行比较，根据比较结果判断牵引变流器是否发生故障，若发生故障，进入S4；

S4：分别计算直流环节上侧和下侧电压之差和网侧电流残差，设定各类故障对应的故障分类的阈值；并将所述定子三相电流之和、所述直流环节上侧和下侧电压之差、以及所述网侧电流残差分别与所述故障分类阈值进行比较，根据比较结果进行故障分类。

2.根据权利要求1所述的三电平牵引变流器故障分类方法，其特征在于，S1包括：

S11：在三电平牵引变流器正常工作的情况下，建立直流环节电压的常微分方程，公式为：

式中，C₁和C₂分别为直流环节上侧的支撑电容和下侧的支撑电容，u₁和u₂分别为直流环节上侧支撑电容两端电压和下侧支撑电容两端电压，i_{u_re}和i_{d_re}分别为直流环节上侧节点流入整流器的电流和下侧节点流入整流器的电流，i_{u_in}和i_{d_in}分别为直流环节上侧节点流入逆变器的电流和下侧节点流入逆变器的电流；

S12：建立直流环节上侧节点流入整流器电流i_{u_re}和下侧节点流入整流器电流i_{d_re}与网侧电流、整流器的脉冲控制信号之间的关系，公式为：

式中，s_a1,s_a2,s_a3,s_a4分别为控制整流器A相桥臂至上而下四个功率器件S_a1,S_a2,S_a3,S_a4的脉冲控制信号，s_b1,s_b2,s_b3,s_b4分别为控制整流器B相桥臂至上而下四个功率器件S_b1,S_b2,S_b3,S_b4的脉冲控制信号，i_N为网侧电流；

S13：建立直流环节上侧节点流入逆变器电流i_{u_in}和下侧节点流入逆变器电流i_{d_in}与定子三相电流、逆变器的脉冲控制信号之间的关系，公式为：

式中，s_u1,s_u2,s_u3,s_u4分别为控制逆变器U相桥臂至上而下四个功率器件S_u1,S_u2,S_u3 S_u4的脉冲控制信号，s_v1,s_v2,s_v3,s_v4分别为控制逆变器V相桥臂至上而下四个功率器件S_v1,S_v2,S_v3,S_v4的脉冲控制信号，s_w1,s_w2,s_w3,s_w4分别为控制逆变器W相桥臂至上而下四个功率器件S_w1,S_w2,S_w3,S_w4的脉冲控制信号，i_u,i_v,i_w为定子的三相电流；

S14：计算直流环节电压与网侧电流、牵引电机定子三相电流、整流器和逆变器的脉冲控制信号之间的第一关系模型，公式为：

3.根据权利要求1所述的三电平牵引变流器故障分类方法，其特征在于，S2包括：

S21:建立三电平整流器正常运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第二关系模型，公式为：

式中，i_N为网侧电流，u_N为网侧电压，L_N为网侧的等效电感，R_N为网侧的和等效电阻，u₁为直流环节上侧支撑电容两端电压，u₂为直流环节下侧支撑电容两端电压；

S22：建立三电平整流器A、B相桥臂功率器件S_a1,S_a2,S_a3,S_a4、S_b1,S_b2,S_b3,S_b4分别开路故障运行时网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第三关系模型，公式如下：

其中，当功率器件S_a1发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_a2发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_a3发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_a4发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_b1发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_b2发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_b3发生开路故障时，公式为：

当功率器件S_b4发生开路故障时，公式为：

式中，c_N为网侧电流i_N的标志位，当i_N≥0时，c_N＝1，

当i_N＜0时，c_N＝0，

4.根据权利要求1所述的三电平牵引变流器故障分类方法，其特征在于，S3包括：

S31：利用三电平变流器原有传感器采集的定子三相电流i_u、i_v、i_w，计算定子三相电流之和，公式为：

i_sum＝i_u+i_v+i_w； (14)

式中，i_sum为三相电流之和；

S32：利用三电平变流器原有传感器采集的网侧电流i_N，定子三相电流i_u、i_v、i_w，以及整流器和逆变器的脉冲控制信号，使用公式(4)计算直流环节电压并作为估计值

和

将直流电压传感器测量值u₁和u₂分别与估计值

和

作差，生成残差

和

计算公式为：

S33：设定用于检测三相电流之和的故障检测阈值ε₁和用于检测直流环节电压的故障检测阈值ε₂，当|i_sum|＞ε₁，

至少有一个成立时，判断牵引变流器有故障发生。

5.根据权利要求1所述的三电平牵引变流器故障分类方法，其特征在于，S4包括：

S41：设定用于判断判断牵引变流器是否发生定子三相电流传感器故障的故障分类阈值θ₁，当|i_sum|＞θ₁时，判断牵引变流器发生定子三相电流传感器故障；

S42：利用三电平变流器原有传感器采集的直流上侧电压u₁和下侧电压u₂，计算直流环节上侧和下侧电压之差，公式为：

Δu＝u₁-u₂； (16)

式中，Δu为直流环节上侧和下侧电压之差；

S43：设定用于判断牵引变流器是否发生直流环节电压传感器故障的故障分类阈值θ₂，当|Δu|＞θ₂时，判断牵引变流器发生直流环节电压传感器故障；

S44：利用网侧电流传感器采集的网侧电流i_N，使用公式(5)估计网侧电流为

将网侧电流传感器测量值i_N与

相减生成残差为

设定故障分类阈值θ₃，定义函数e(k)和E(k)，公式为：

式中，

是残差

在第k个采样点的值；

S45：当变流器发生故障，且不是定子三相电流传感器故障和直流环节电压传感器故障时，若E(k)＝0，则判断牵引变流器发生逆变器功率器件开路故障；

S46：利用网侧电流传感器采集网侧电流i_N，使用公式(6)-(13)，估计网侧电流分别为

将网侧电流传感器测量值i_N与

相减生成残差为

设定故障分类阈值θ₄，定义函数δ_m(k)、h_m(k)和H(k)，公式为：

式中，m＝1,2...8，

是残差

在第k个采样点的值，H(k)为残差评价函数；

S47：当变流器发生故障，且不是定子三相电流传感器故障和直流环节电压传感器故障时，同时满足E(k)＝1，若H(k)＝255，则判断牵引变流器发生网侧电流传感器故障，若H(k)≠255，则判断牵引变流器发生整流器功率器件开路故障。

6.一种三电平牵引变流器故障分类系统，其特征在于，包括：

第一单元，用于在三电平牵引变流器正常的工作情况下，建立直流环节电压与网侧电流、牵引电机定子三相电流、和脉冲控制信号之间的第一关系模型；

第二单元，用于建立三电平整流器正常运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、整流器的脉冲控制信号之间的第二关系模型，建立三电平整流器的桥臂上的各功率器件在开路故障运行时的网侧电流与直流环节电压、网侧电压、脉冲控制信号之间的第三关系模型；

第三单元，用于计算定子三相电流之和，根据所述第一关系模型计算直流环节电压作为电压估计值，根据所述电压估计值和测量得到的电压实际值生成电压残差，将所述定子三相电流之和和所述电压残差与设定的故障检测阈值进行比较，根据比较结果判断牵引变流器是否发生故障；

第四单元，用于分别计算直流环节上侧和下侧电压之差和网侧电流残差，设定各类故障对应的故障分类的阈值；并将所述定子三相电流之和、所述直流环节上侧和下侧电压之差、以及所述网侧电流残差分别与所述故障分类阈值进行比较，根据比较结果进行故障分类。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实施所述权利要求1至5中任一项所述的三电平牵引变流器故障分类方法。

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