CN112731103B

CN112731103B - 一种双级矩阵变换器的故障诊断方法

Info

Publication number: CN112731103B
Application number: CN202011548497.2A
Authority: CN
Inventors: 刘闯; 申九阳; 王汝田; 郭东波; 蔡国伟
Original assignee: Northeast Dianli University
Current assignee: Northeast Electric Power University
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2023-10-10
Anticipated expiration: 2040-12-24
Also published as: CN112731103A

Abstract

本发明公开了一种双级矩阵变换器的故障诊断方法，其特点是，包括：通过建立双级矩阵变换器的混杂系统观测器，计算系统的线线电流状态残差，然后检测其变化情况判断双级矩阵变换器是否发生开路故障，结合线线电流状态残差的故障特征和双级矩阵变换器逆变级功率开关的对应关系定位逆变级的故障开关；结合双级矩阵变换器故障时直流母线电压有效值变化趋势，双向功率开关和整流区间的对应关系定位整流级的故障开关。该方法具有简单易行、成本低、诊断速度快、诊断精度高以及鲁棒性强的优点。

Description

一种双级矩阵变换器的故障诊断方法

技术领域

本发明属于电力电子变换器的故障诊断技术领域，具体地说，是一种双级矩阵变换器的故障诊断方法。

背景技术

双级矩阵变换器是一种绿色电力电子变换器，具有电路紧凑、功率密度高、输入输出波形正弦、输入功率因数可调、能量双向流动，换流策略安全可靠等一系列优点。因此，它被广泛应用于航空航天，风力发电系统、电动汽车等领域。任何电力电子设备在运行期间都有可能发生故障，为了使其长期安全稳定运行得，电力电子变换器的稳定性和可靠性应满足较高的要求。由于双级矩阵变换器的功率器件较多，且无中间储能环节，一旦其功率开关发生开路故障，将影响系统的正常运行，如果不及时检测和处理，会引发二次故障，严重影响电力电子设备的寿命。因此，研究双级矩阵变换器的故障诊断技术十分必要。目前，本领域针对矩阵变换器的故障诊断方法多以直接矩阵变换器为实验对象，而双级矩阵变换器的诊断方法研究较少，并且主要以电压法为主，电压法虽然诊断速度快，精度高，但是需要添加额外的电压传感器，使得成本更高，从而限制了其应用场合；而电流法因为利用的相电流共享的电流传感器，相对而言，成本更低，而且对电流数据的处理更具有灵活性，同时对瞬态过程和扰动具有较好的鲁棒性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，针对双级矩阵变换器(Two-stage MatrixConverter,双级矩阵变换器)功率开关开路故障诊断问题，提出一种科学合理、适用性强、效果佳、成本低、诊断速度快、精度高，且对电流数据的处理更具有灵活性，同时对瞬态过程和扰动具有较好的鲁棒性的双级矩阵变换器的故障诊断方法。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种双级矩阵变换器的故障诊断方法，所述的双级矩阵变换器包括整流级和逆变级；所述的整流级是由S_r1、S_r2、S_r3、S_r4、S_r5、S_r6六个双向功率开关组成的三相整流电路，三相输入电压划分为六个区间，区间用N表示，N∈{1，2，3，4，5，6}，采用无零矢量空间矢量调制；逆变级是由S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_i5、S_i6六个功率开关组成的三相逆变电路，采用电压空间矢量调制；其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：分别计算双级矩阵变换器的线线电流状态残差Δi_ab、Δi_bc、Δi_ca以及直流母线电压有效值V_drms；

步骤二：将步骤一中状态残差的绝对值与设定阈值I_th进行比较，若其中至少一个大于I_th，则判定双级矩阵变换器功率开关发生开路故障，并分别计算百分比函数K₀、K₁、K₂、K₃，进入步骤三；若其均小于I_th，则判定双级矩阵变换器正常，百分比函数K₀、K₁、K₂、K₃均等于0，返回步骤一；

步骤三：将步骤一中的V_drms与设定阈值V_th1进行比较，若V_drms小于V_th1，则判定整流级功率开关发生开路故障，进入步骤四；若V_drms大于或等于V_th1，进入步骤五；

步骤四：将K₁与设定阈值K_th2进行比较，若K₁大于或等于K_th2，则记录当前整流级区间N，根据第一类整流级区间与双向功率开关的对应关系定位整流级发生故障的功率开关；若K₁小于K_th2，进入步骤五；

步骤五：将K₀设定阈值K_th1进行比较，若K₀大于或等于K_th1，则记录当前整流级区间N，根据第二类整流级区间与双向功率开关的对应关系定位整流级发生开路故障的开关；若K₀小于K_th1，进入步骤六；

步骤六：将K₂设定阈值K_th1进行比较，若K₂大于或等于K_th1，则记录当前整流级区间N，根据第三类整流级区间与双向功率开关的对应关系定位整流级发生开路故障的开关；若K₂小于K_th1，返回步骤二；

步骤七：将K₃与设定阈值K_th1进行比较，若K₃大于或等于K_th1，则判定逆变级功率开关发生开路故障，根据线线电流状态残差的故障特征与逆变级功率开关的对应关系定位逆变级发生开路故障的功率开关；若K₃小于K_th1，则返回步骤二。

进一步的，所述步骤一中的线线电流状态残差Δi_ab、Δi_bc、Δi_ca的计算过程如下：

其中i_ab、i_bc、i_ca分别表示双级矩阵变换器三相输出负载的线线电流，i_a、i_b、i_c分别表示双级矩阵变换器的三相输出负载相电流，是双级矩阵变换器混杂系统观测器的线线电流估计值；/>的计算过程如下：

根据状态方程获取双级矩阵变换器线线电流估计值/>其中/>是三相输出负载线线电流估计值对时间的导数；

状态系数矩阵中的R和L是双级矩阵变换器三相输出负载的电阻和电感；

和/>是系统的离散输入向量，其中s_r1、s_r2、s_r3、s_r4、s_r5、s_r6分别是整流级双向功率开关S_r1、S_r2、S_r3、S_r4、S_r5、S_r6的驱动信号，s_i1、s_i2、s_i3、s_i4、s_i5、s_i6分别是逆变级功率开关S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_i5、S_i6的驱动信号；σ_a、σ_b、σ_c是判断函数，分别用来判断三相输出负载相电流是否大于0，若相电流大于0，其值位为1，若相电流小于等于0，其值为0；

U＝[u_A u_B u_C]^T是系统的输入电压向量，其中u_A、u_B、u_C分别是三相输入电压；是离散输入系数矩阵；

直流母线电压有效值V_drms的计算过程如下：

其中T_k表示开关周期，S表示一个开关周期采样次数，V_d(k)表示第k个采样值。

进一步的，所述步骤二中的百分比函数K₀、K₁、K₂、K₃分别表示在整流级一个区间内V_drms小于V_th2的采样点占所有采样点的比例、V_drms小于V_th1并大于V_th2时保持下降趋势的采样点占所有采样点的比例、V_drms小于V_th1并大于V_th2时保持上升趋势的采样点占所有采样点的比例、V_drms大于或等于V_th1的采样点占所有采样点的比例，双级矩阵变换器系统正常运行时均为0，发生故障时其计算过程如下：

M＝T/6T_s

其中M表示滑动窗口宽度，T表示输入电压的基波周期，T_s表示系统的采样周期，k_i用于判断对应采样点是否符合要求，若符合要求，其值等于1，若不符合要求，其值等于0，K_i(k)表示第k个K_i采样值。

进一步的，所述步骤四中第一类整流级区间N与双向功率开关的对应关系为：区间1、2、3、4、5、6依次对应双向功率开关S_r6、S_r3、S_r2、S_r5、S_r4、S_r1；所述步骤五中第二类整流级区间N与双向功率开关的对应关系为：区间1、2、3、4、5、6依次对应双向功率开关S_r1、S_r6、S_r3、S_r2、S_r5、S_r4；所述步骤六中第三类整流级区间N与双向功率开关的对应关系为：区间1、2、3、4、5、6依次对应双向功率开关S_r4、S_r1、S_r6、S_r3、S_r2、S_r5。

进一步的，所述步骤五线线电流状态残差的故障特征与功率开关之间的唯一对应关系为：

(Δi_ab≤-I_th)&(-I_th＜Δi_bc＜I_th)&(Δi_ca≥I_th)对应S_i1；

(Δi_ab≥I_th)&(-I_th＜Δi_bc＜I_th)&(Δi_ca≤-I_th)对应S_i2；

(Δi_ab≥I_th)&(Δi_bc≤-I_th)&(-I_th＜Δi_ca＜I_th)对应S_i3；

(Δi_ab≤-I_th)&(Δi_bc≥I_th)&(-I_th＜Δi_ca＜I_th)对应S_i4；

(-I_th＜Δi_ab＜I_th)&(Δi_bc≥I_th)&(Δi_ca＜-I_th)对应S_i5；

(-I_th＜Δi_ab＜I_th)&(Δi_bc≤-I_th)&(Δi_ca≥I_th)对应S_i6。

本发明的一种双级矩阵变换器的故障诊断方法，通过建立双级矩阵变换器的混杂系统观测器，从而计算系统的线线电流状态残差，然后检测其变化情况判断双级矩阵变换器是否发生开路故障，结合线线电流状态残差的故障特征和双级矩阵变换器逆变级功率开关的对应关系定位逆变级的故障开关；结合双级矩阵变换器故障时直流母线电压有效值变化趋势，双向功率开关和整流区间的对应关系定位整流级的故障开关。与现有的故障诊断技术相比，本发明具有以下显著优点：

1)不需要额外的硬件电路就可以实现，只增加了一个直流母线电压传感器，其余使用共享相电流传感器，成本低；

2)提出的故障诊断方法简单易行，诊断速度快；

3)建立了双级矩阵变换器的混杂系统观测器，从而使故障诊断算法独立于控制系统之外，精度高，；

4)由于设置阈值，该方法对瞬态过程和扰动具有较强的鲁棒性。

5)其科学合理、适用性强、效果佳。

附图说明

图1为本发明所述的双级矩阵变换器的拓扑结构；

图2是双级矩阵变换器整流级输入电压区间划分图；

图3为本发明的一种双级矩阵变换器的故障诊断方法的原理框图；

图4为本发明中双级矩阵变换器具体的故障诊断流程图；

图5为双级矩阵变换器逆变级功率开关S_i5发生开路故障的线线电流状态残差仿真图；

图6为双级矩阵变换器逆变级功率开关S_i5发生开路故障的故障诊断结果图；

图7为双级矩阵变换器逆变级功率开关S_i5发生开路故障的故障定位结果图；

图8为双级矩阵变换器整流级功率开关S_r2在区间3发生开路故障的线线电流状态残差仿真图；

图9为双级矩阵变换器逆变级功率开关S_r2在区间3发生开路故障的直流母线电压有效值仿真图；

图10为双级矩阵变换器整流级双向开关S_r2在区间3发生开路故障的故障定位结果图；

图11为双级矩阵变换器整流级双向开关S_r2在区间4发生开路故障的线线电流状态残差仿真图；

图12为双级矩阵变换器逆变级功率开关S_r2在区间4发生开路故障的直流母线电压有效值仿真图；

图13为双级矩阵变换器整流级双向开关S_r2在区间4发生开路故障的故障定位结果图；

图14为双级矩阵变换器整流级功率开关S_r2在区间5发生开路故障的线线电流状态残差仿真图；

图15为双级矩阵变换器逆变级功率开关S_r2在区间5发生开路故障的直流母线电压有效值仿真图；

图16为双级矩阵变换器整流级双向开关S_r2在区间5发生开路故障的故障定位结果图；

图17为双级矩阵变换器整流级区间仿真图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，双级矩阵变换器的主电路拓扑结构，其包括整流级和逆变级；整流级是由S_r1、S_r2、S_r3、S_r4、S_r5、S_r6六个双向功率开关组成的三相整流电路；逆变级是由S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_i5、S_i6六个功率开关组成的三相逆变电路；R和L_f分别表示双级矩阵变换器三相输出负载的电阻和电感；i_a、i_b、i_c分别表示双级矩阵变换器三相输出负载的相电流。

如图2所示，是双级矩阵变换器整流级输入电压的区间划分，共分为6个区间，u_A、u_B、u_C分别表示整流级A、B、C三相的输入电压，每一个区间的相同特点：一相电压的绝对值最大，其余两相电压极性同它相反，在每一个开关周期内，均有两个双向功率开关导通，且在每一个区间内都有一个双向功率开关一直导通。

如图3所示，本发明的一种双级矩阵变换器的故障诊断方法的原理框图，其包括：双级矩阵变换器主电路拓扑结构、双级矩阵变换器控制系统、混杂系统观测器、线线电流计算模块、直流母线电压有效值计算模块和故障诊断模块。针对双级矩阵变换器功率开关的开路故障，本文提出了一种有效易行的故障诊断方法，即通过建立双级矩阵变换器的混杂系统观测器得到线线电流的估计值，并与双级矩阵变换器实际系统的线线电流进行比较得到线线电流状态残差，双级矩阵变换器正常运行时，线线电流状态残差近似为0，当双级矩阵变换器的功率开关发生故障时，线线电流状态残差会发生突变，从而利用线线电流状态残差判断双级矩阵变换器功率开关是否发生开路故障；通过线线电流状态残差的故障特征和逆变级功率开关的对应关系可定位发生开路故障的开关；通过整流级双向功率开关发生开路故障时直流母线电压有效值的变化趋势以及整流电压区间位置与双向开关的唯一对应关系实现双向功率开关的故障定位。

图4所示是双级矩阵变换器具体的故障诊断流程图，其包括以下步骤：

步骤一：输入计算后的双级矩阵变换器线线电流状态残差Δi_ab、Δi_bc、Δi_ca以及直流母线电压有效值V_drms；其中线线电流状态残差计算过程如下：

其中i_ab、i_bc、i_ca分别表示双级矩阵变换器三相输出负载的线线电流；i_a、i_b、i_c分别表示双级矩阵变换器的三相输出负载相电流；分别表示双级矩阵变换器混杂系统观测器的线线电流估计值，其计算过程如下：

和/>是系统的离散输入向量，其中s_r1、s_r2、s_r3、s_r4、s_r5、s_r6是分别是整流级双向功率开关S_r1、S_r2、S_r3、S_r4、S_r5、S_r6的驱动信号，s_i1、s_i2、s_i3、s_i4、s_i5、s_i6分别是逆变级功率开关S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_i5、S_i6的驱动信号；σ_a、σ_b、σ_c是判断函数，分别用来判断三相输出负载相电流是否大于0，若相电流大于0，其值位为1，若相电流小于等于0，其值为0；

U＝[u_A u_B u_C]^T是系统的输入电压向量；

是离散输入系数矩阵；

直流母线电压有效值V_drms的计算过程如下：

其中T_k表示开关周期，S表示一个开关周期采样次数，V_d(k)表示第k个采样值；

步骤二：将步骤一中状态残差的绝对值与设定阈值I_th进行比较，对比其值是否均小于I_th，若是，则判定双级矩阵变换器功率开关发生开路故障，分别计算滑动窗口宽度M和直流母线电压有效值变化趋势百分比函数K₀、K₁、K₂、K₃的结果，进入步骤三；若否，则判定双级矩阵变换器正常运行，K₀、K₁、K₂、K₃均等于0，返回步骤一；其中M、K₀、K₁、K₂、K₃分别根据以下公式进行计算：

M＝T/6T_s

其中T表示输入电压的基波周期，T_s表示系统的采样周期，K_i(k)表示第k个采样值，k_i用于判断对应采样点是否符合要求，若符合要求，其值等于1，若不符合要求，其值等于0；

步骤三：对比步骤一中的V_drms是否小于设定阈值V_th1，若是，则判定双级矩阵变换器整流级功率开关发生开路故障，进入步骤四；若否，进入步骤七；

步骤四：对比K₁是否小于设定阈值K_th2，若是，进入步骤五；若否，则记录当前整流级区间位置N，根据表1定位发生故障的双向开关；

表1第一类整流级区间与双向功率开关的对应关系

区间N	双向功率开关
		1	S_r6
2	S_r3
		3	S_r2
4	S_r5
		5	S_r4
6	S_r1

步骤五：对比K₀是否小于设定阈值K_th1，若是，进入步骤六；若否，则记录当前整流级区间位置N，根据表2定位发生开路故障的开关；

表2第二类整流级区间与双向功率开关的对应关系

区间N	双向功率开关
		1	S_r1
2	S_r6
		3	S_r3
4	S_r2
		5	S_r5
6	S_r4

步骤六：对比K₂是否小于设定阈值K_th1，若是，则无法定位故障开关，返回步骤二；若否，记录整流级区间位置N，根据表3定位发生开路故障的开关。

表3第三类整流级区间与双向功率开关的对应关系

区间N	双向功率开关
		1	S_r4
2	S_r1
		3	S_r6
4	S_r3
		5	S_r2
6	S_r5

步骤七：对比K₃是否小于设定阈值K_th1，若是，则无法对当前故障进行识别，返回步骤二；若否，则判定双级矩阵变换器逆变级功率开关发生开路故障，根据表4定位发生故障的功率开关；

表4线线电流状态残差特征与逆变级功率开关对应关系

线线电流状态残差	功率开关
		(Δi_ab≤-I_th)&(-I_th＜Δi_bc＜I_th)&(Δi_ca≥I_th)	S_i1
(Δi_ab≥I_th)&(-I_th＜Δi_bc＜I_th)&(Δi_ca≤-I_th)	S_i2
		(Δi_ab≥I_th)&(Δi_bc≤-I_th)&(-I_th＜Δi_ca＜I_th)	S_i3
(Δi_ab≤-I_th)&(Δi_bc≥I_th)&(-I_th＜Δi_ca＜I_th)	S_i4
		(-I_th＜Δi_ab＜I_th)&(Δi_bc≥I_th)&(Δi_ca＜-I_th)	S_i5
(-I_th＜Δi_ab＜I_th)&(Δi_bc≤-I_th)&(Δi_ca≥I_th)	S_i6

为了说明本发明双级矩阵变换器故障诊断方法的有效性，通过Matlab搭建仿真电路进行验证。仿真参数如下：输入电压幅值为200V，频率为50Hz；开关频率10kHz；设定三相输出电压幅值为180V，频率为100Hz；负载电阻为16Ω，电感12mH；设定阈值V_th1为290V，V_th1为40V；设定阈值I_th为2.5A；设定阈值K_th1为0.2，K_th2为0.4；设定FD为故障标志，若FD等于0，表示双级矩阵变换器正常运行，若FD等于1，表示双级矩阵变换器整流级双向功率开关发生故障，若FD等于2，表示双级矩阵变换器逆变级功率开关发生故障。仿真波形如图5～图17所示。由图5～图7可知，双级矩阵变换器逆变级功率开关S_i5发生故障后，线线电流状态残差发生突变，直至大于等于I_th或小于等于-I_th，百分比函数K₃逐渐增加，直至大于K_th1，同时FD由0变为2，故障管显示为5；由图8～图10可知，双级矩阵变换器整流级双向功率开关S_r2在整流级区间3内发生开路故障后，线线电流状态残差发生突变，直至大于等于I_th或小于等于-I_th，直流母线电压有效值V_drms迅速减小，直至小于V_th1，同时FD由0变为1，百分比函数K₁逐渐增加，直至大于K_th2，故障管显示为2；由图11～图13可知，双级矩阵变换器整流级双向功率开关S_r2在整流级区间4内发生故障后，线线电流状态残差发生突变，直至大于等于I_th或小于等于-I_th，直流母线电压有效值V_drms直线下降，直至小于V_th2，同时FD由0变为1，百分比函数K₀逐渐增加，直至大于K_th1，故障管显示为2；由图14～图16可知，双级矩阵变换器整流级双向功率开关S_r2在整流级区间5内发生故障后，线线电流状态残差发生突变，直至大于等于I_th或小于等于-I_th，直流母线电压有效值V_drms急速下降，直至小于V_th1，同时FD由0变为1，之后V_drms减小到一定程度后开始逐渐上升，百分比函数K₂逐渐增加，直至大于K_th1，故障管显示为2；图17所示是双级矩阵变换器整流级区间仿真波形。由以上仿真结果可知，本发明的双级矩阵变换器故障诊断方法能有效诊断和定位发生开路故障的功率开关。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式是示意性的，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨的情况下，还能够做出其它形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种双级矩阵变换器的故障诊断方法，所述的双级矩阵变换器包括整流级和逆变级；整流级是由S_r1、S_r2、S_r3、S_r4、S_r5、S_r6六个双向功率开关组成的三相整流电路，三相输入电压划分为六个区间，区间用N表示，N∈{1，2，3，4，5，6}，采用无零矢量空间矢量调制；所述的逆变级是由S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_i5、S_i6六个功率开关组成的三相逆变电路，采用电压空间矢量调制；其特征在于，具体包括以下步骤：

所述步骤二中的百分比函数K₀、K₁、K₂、K₃分别表示在整流级一个区间内V_drms小于V_th2的采样点占所有采样点的比例、V_drms小于V_th1并大于V_th2时保持下降趋势的采样点占所有采样点的比例、V_drms小于V_th1并大于V_th2时保持上升趋势的采样点占所有采样点的比例、V_drms大于或等于V_th1的采样点占所有采样点的比例，双级矩阵变换器系统正常运行时均为0，发生故障时其计算过程如下：

M＝T/6T_s

其中M表示滑动窗口宽度，T表示输入电压的基波周期，T_s表示系统的采样周期，k_i用于判断对应采样点是否符合要求，若符合要求，其值等于1，若不符合要求，其值等于0，K_i(k)表示第k个K_i采样值；

2.根据权利要求1所述的一种双级矩阵变换器的故障诊断方法，其特征在于：所述步骤一中的线线电流状态残差Δi_ab、Δi_bc、Δi_ca的计算过程如下：

根据状态方程获取双级矩阵变换器线线电流估计值/>

其中是三相输出负载线线电流估计值对时间的导数；

直流母线电压有效值V_drms的计算过程如下：

3.根据权利要求1所述的一种双级矩阵变换器的故障诊断方法，其特征在于：所述步骤四中第一类整流级区间N与双向功率开关的对应关系为：区间1、2、3、4、5、6依次对应双向功率开关S_r6、S_r3、S_r2、S_r5、S_r4、S_r1；所述步骤五中第二类整流级区间N与双向功率开关的对应关系为：区间1、2、3、4、5、6依次对应双向功率开关S_r1、S_r6、S_r3、S_r2、S_r5、S_r4；所述步骤六中第三类整流级区间N与双向功率开关的对应关系为：区间1、2、3、4、5、6依次对应双向功率开关S_r4、S_r1、S_r6、S_r3、S_r2、S_r5。

4.根据权利要求1所述的一种双级矩阵变换器的故障诊断方法，其特征在于：所述步骤五线线电流状态残差的故障特征与功率开关之间的唯一对应关系为：

(Δi_ab≤-I_th)&(-I_th＜Δi_bc＜I_th)&(Δi_ca≥I_th)对应S_i1；

(Δi_ab≥I_th)&(-I_th＜Δi_bc＜I_th)&(Δi_ca≤-I_th)对应S_i2；

(Δi_ab≥I_th)&(Δi_bc≤-I_th)&(-I_th＜Δi_ca＜I_th)对应S_i3；(Δi_ab≤-I_th)&(Δi_bc≥I_th&-I_th)＜(Δi_ca＜I_th)对应S_i4；(-I_th＜Δi_ab＜I_th)&(Δi_bc≥I_th)&(Δi_ca＜-I_th)对应S_i5；(-I_th＜Δi_ab＜I_th)&(Δi_bc≤-I_th)&(Δi_ca≥I_th)对应S_i6。