CN112798982B - 基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法及系统 - Google Patents

基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法及系统，属于电力电子设备故障诊断技术领域，能够在不增加额外硬件的情况下，实现对三相变流器功率管开路故障的快速、准确的诊断。本发明所述故障诊断方式只需要变流器控制系统中已经存在的采样电流电压信号以及驱动信号，具有实现简单的优点。本发明以变流器功率管开路故障后采样电流与估计电流的差值的周期累加值为诊断变量，可以快速准确的完成对故障功率管的诊断，具有较强的实用性。

Description

基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法及系统
技术领域
本发明属于电力电子设备故障诊断技术领域，更具体地，涉及一种基于模型的三相两电平变流器功率管开路故障诊断方法及系统。
背景技术
三相变流器在微网，储能，不间断电源等应用场景中获得了广泛的研究和应用。在这些应用场景中，变流器的安全稳定运行非常重要。根据行业调查，功率管是最容易故障的元件之一。变流器功率管的开路故障将会导致电流畸变以及直流电压的波动，长时间得不到处理的情况下甚至会导致设备的停机。因此对发生了开路故障的功率管进行快速的故障诊断对于提高变流器的可靠性具有重要的意义。
目前国内外已有的针对三相变流器的故障诊断技术大致上可以分为基于电流信号的故障诊断方法，基于电压信号的故障诊断方法，基于模型的故障诊断方法以及基于人工智能的故障诊断方法。其中，基于电流信号的故障诊断根据故障后的交流侧电流波形与正常情况下电流波形(正弦波)的差异来实现故障诊断，因此此类算法通常较为简单，但是，不可避免的，受负载功率的影响较大，诊断时间通常较长；基于电压信号的故障诊断方法通过额外的硬件或电压传感器获得对功率管状态敏感的电压信号，因此诊断速度较快，但是额外的硬件增加了设计的复杂性和成本；基于人工智能的故障诊断算法基于对变流器的历史电压电流采样信号的分析，采用智能算法来实现对故障功率管的诊断，但其计算量较大，难以在变流器原有的控制系统中实现；基于模型的故障诊断方式根据模型计算电压或电流值，通过与采样获得的对应信号的比较实现对故障功率管的诊断，其计算量小于基于人工智能的故障诊断方式，且诊断速度较快，但通常需要较为准确的数学模型。
可见，在不增加额外的硬件的情况下，实现快速，准确，简单的功率管开路故障诊断仍然是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法及系统，能够在不增加额外硬件的情况下，实现对三相变流器功率管开路故障的快速、准确的诊断。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法，包括：
(1)从变流器控制系统中获取用于诊断的相关信号，其中，该相关信号包括：变流器交流侧三相电流采样信号iX[k]，交流侧三相电压采样信号eX[k]，其中下标X(＝A,B或C)代表所在的相序，k代表采样时刻，直流侧电压采样信号Udc[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]-s6[k]；
(2)根据变流器模型，通过交流侧三相电压采样信号eX[k]，直流侧电压采样信号Udc[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]-s6[k]计算每一个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]；
(3)根据每个开关周期Ts内三相电流采样值的变化值△iX[k]与估算的三相电流值的变化值△iEX[k]，计算每个开关周期内三相电流残差δiX[k]；
(4)根据每个开关周期内三相电流残差δiX[k]计算三相电流残差在一个基本周期T0内的累加值δiTX[k]；
(5)根据每个基本周期T0内三相电流残差的累加值δiTX[k]与阈值Th的比较，判定发生开路故障的功率管。
在一些可选的实施方案中，所述步骤(2)中，变流器模型是指通过基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律结合变流器的拓扑所推导的数学模型。
在一些可选的实施方案中，所述步骤(2)中，开关周期Ts是开关频率fs的倒数，开关频率fs则是指每秒内功率管的开关次数。
在一些可选的实施方案中，所述步骤(2)中，每个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]可以根据变流器模型通过多种形式实现，比如状态观测器和混合逻辑动态模型计算等。
在一些可选的实施方案中，所述步骤(3)中，每个开关周期Ts内三相电流采样值的变化值△iX[k]是指每一个开关周期开始与结束时对应的三相电流采样值iX[k]的差值，即：△iX[k]＝iX[k]-iX[k-1]。
在一些可选的实施方案中，所述步骤(3)中，计算每个开关周期内三相电流残差δiX[k]是指每个开关周期Ts内三相电流采样值的变化值△iX[k]与每个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]的差值，即：δiX[k]＝△iX[k]-△iEX[k]。
在一些可选的实施方案中，所述步骤(4)中，基本周期T0是指三相电压频率f0的倒数，国内三相电压频率f0为50Hz。
在一些可选的实施方案中，所述步骤(4)中，三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]是当前时刻前一个基本周期T0内所有的开关周期内三相电流残差δiX[k]的和，即：δiTX[k]＝δiX[k-T0/Ts+1]+δiX[k-T0/Ts+2]+…+δiX[k-1]+δiX[k]。
在一些可选的实施方案中，所述步骤(5)中，阈值Th是指为了防止误诊断而设置的门槛值，即当三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]超过该门槛值后，判定发生功率管开路故障，该阈值需要结合对诊断速度和可靠性的需求进行选择。
在一些可选的实施方案中，所述步骤(5)中，对于不同的功率管故障，三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]是不同的，进而能够通过δiTX[k]定位故障的功率管。
在一些可选的实施方案中，所述步骤(5)中，在三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]中的最大值大于所设定的阈值Th时，才判定发生故障。
基于上述步骤，本发明基本上可以在功率管开路故障发生后十个开关周期内(如1ms，当开关频率fs为10kHz时)完成对故障功率管的诊断。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断系统，包括：
诊断信号获取模块，用于从变流器控制系统中获取用于诊断的相关信号，其中，该相关信号包括：变流器交流侧三相电流采样信号iX[k]，交流侧三相电压采样信号eX[k]，其中下标X(＝A,B或C)代表所在的相序，k代表采样时刻，直流侧电压采样信号Udc[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]-s6[k]；
第一计算模块，用于根据变流器模型，通过交流侧三相电压采样信号eX[k]，直流侧电压采样信号Udc[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]-s6[k]计算每一个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]；
第二计算模块，用于根据每个开关周期Ts内三相电流采样值的变化值△iX[k]与估算的三相电流值的变化值△iEX[k]，计算每个开关周期内三相电流残差δiX[k]；
第三计算模块，用于根据每个开关周期内三相电流残差δiX[k]计算三相电流残差在一个基本周期T0内的累加值δiTX[k]；
故障诊断模块，用于根据每个基本周期T0内三相电流残差的累加值δiTX[k]与阈值Th的比较，判定发生开路故障的功率管。
按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
根据变流器的模型，通过变流器控制系统中已经存在的电压采样信号以及驱动信号计算三相交流电流，通过三相电流残差、采样获得的交流电流值与通过计算获得的交流电流值的差值，以变流器功率管开路故障后采样电流与估计电流的差值的周期累加值为诊断变量，可以快速准确的完成对故障功率管的诊断，具有较强的实用性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种三相两电平变流器(整流模式)系统的主电路、控制系统示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于模型的功率管开路故障诊断方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种发生功率管开路故障后采用本发明方法的实验结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图1所示，典型的三相两电平变流器包含六个功率管S1-S6以及与之配套的六个二极管D1-D6。功率管，二极管，滤波电感L，滤波电容C共同组成变流器的主电路部分。变流器控制系统通过传感器和模数转换模块(ADC)获得主电路的三相交流电压eX[k]，三相交流电流iX[k]，直流电压值Udc[k]，计算并输出驱动信号s1-s6来控制各功率管的工作。
本发明诊断方法的示意图如图2所示。实施例实验结果如图3所示，图3中(a)表示三相电流值。
(1)通过每个开关周期Ts开始与结束时对应的三相电流采样值iX[k]，计算每个开关周期Ts内三相电流采样值的变化值△iX[k]，即：
△iX[k]＝iX[k]-iX[k-1]
以A相为例，展示计算结果，△iA[k]如图3中(b)所示。
(2)需要结合变流器模型，通过变流器交流侧三相电流采样信号iX[k]，交流侧三相电压采样信号eX[k]，直流侧电压采样信号Udc[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]-s6[k]来计算每个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]。
在变流器中，由于同一相的功率管不能同时导通，因此常用三相状态SX表示三相功率管的工作状态，当SX＝1时，表示X相上桥臂导通，当SX＝0时，则表示X相下桥臂导通。三相状态SX与驱动信号s1-s6以及三相电流iX[k]，方向pX[k]的关系为：
Figure BDA0002868831810000061
其中，pX[k]指三相电流iX[k]的方向，是0-1变量，当三相电流iX[k]>0时，pX[k]＝1，
Figure BDA0002868831810000062
反之，pX[k]＝0，
Figure BDA0002868831810000063
此外，还可以使用基本矢量Vn表示三相功率管的状态，其中n＝0,1,2,3,4,5,6,7，其与三相状态SX的关系如表1：
表1
Figure BDA0002868831810000064
Figure BDA0002868831810000071
在本发明实施例中，控制系统采用双闭环控制以及七段式SVPWM调制方式，每种不同的基本矢量Vn(相状态SX)对应各自的作用时间tn。
本发明实施例中使用混合逻辑动态模型计算每个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]，混合逻辑动态模型将一个开关周期内的电流变化视为分段函数，通过计算每一段的斜率
Figure BDA0002868831810000077
以及对应的时间tn，计算每个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]。在三相两电平变流器中，根据基尔霍夫电压定律可得到变流器模型：
Figure BDA0002868831810000072
根据基尔霍夫电压和电流定律，可知iA[k]+iB[k]+iC[k]＝0,eA[k]+eB[k]+eC[k]＝0，因此，可得：
Figure BDA0002868831810000073
根据上述公式，可得到斜率
Figure BDA0002868831810000074
的计算公式：
Figure BDA0002868831810000075
因此，可以使用基本矢量Vn及其对应时间tn来计算每个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]：
Figure BDA0002868831810000076
以A相为例，展示计算结果，△iEA[k]如图3中(c)所示。
(3)通过上述△iEX[k]和△iX[k]计算每个开关周期内三相电流残差δiX[k]，即：
δiX[k]＝△iX[k]-△iEX[k]
以A相为例，展示计算结果，δiA[k]如图3中(d)所示。
(4)将当前时刻前一个基本周期T0内所有的开关周期内三相电流残差δiX[k]进行累加，获得三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]，即：
δiTX[k]＝δiX[k-T0/Ts+1]+δiX[k-T0/Ts+2]+…+δiX[k-1]+δiX[k]
三相电流残差基本周期T0内累加值δiTA[k],δiTB[k],δiTC[k]的结果分别如图3中(e)，(f)，(g)所示。
(5)根据一个基本周期T0内三相电流残差的累加值δiTX[k]与阈值Th的比较，判定发生开路故障的功率管。
当六个功率管均正常时，每个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]与每个开关周期Ts内三相电流采样值的变化值△iX[k]基本相等，因此三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]很小，如图3中(e)，(f)，(g)所示，S1故障前，三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]非常小。当功率管发生开路故障后，三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]将会增大，如图3中(e)，(f)，(g)所示，S1故障后，三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]迅速变化。因此其可以作为故障诊断的判断依据。由于采样误差，死区，电感误差等因素的影响，如图3中(d)所示，S1故障前，每个开关周期内A相电流残差δiA[k]并不为零，因此，A相电流残差基本周期T0内累加值δiTA[k]也并不为零。为了防止误诊断，只有三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]中的最大值大于所设定的阈值Th时，才判定发生故障。本发明对阈值Th的设置要求较低，可以根据对诊断速度和诊断可靠性的要求选取80％-200％额定电流值作为阈值Th，在本发明实施例中，选取150％额定电流(12A)作为阈值Th。
当三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]中最大值超过阈值Th时，通过表2完成对故障功率管的定位，对应的功率管故障信号Fn(n＝1,2,3,4,5,6)由0变为1，其中，F1表示功率开关管S1故障，F2表示功率开关管S2故障，F3表示功率开关管S3故障，F4表示功率开关管S4故障，F5表示功率开关管S5故障，F6表示功率开关管S6故障，。
表2
故障功率管 所在相 δi<sub>TA</sub> δi<sub>TB</sub> δi<sub>TC</sub>
无 无 -Th&lt;δi<sub>TA</sub>&lt;Th -Th&lt;δi<sub>TB</sub>&lt;Th -Th&lt;δi<sub>TC</sub>&lt;Th
S<sub>1</sub> A >Th <0 <0
S<sub>4</sub> A <-Th >0 >0
S<sub>3</sub> B <0 >Th <0
S<sub>6</sub> B >0 <-Th >0
S<sub>5</sub> C <0 <0 >Th
S<sub>2</sub> C >0 >0 <-Th
如图3中(e)，(f)，(g)所示，S1故障后，δiTA[k]迅速超过阈值Th，而此时，δiTB[k]和δiTC[k]均小于0，这与表2相符合。如图3中(h)所示，在S1故障0.9ms后，F1迅速由0变为1，而F2-F6则维持为0，即本发明所述基于模型的故障诊断算法可以快速准确的完成对三相两电平功率管开路故障的诊断。
本申请还提供了一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断系统，包括：
诊断信号获取模块，用于从变流器控制系统中获取用于诊断的相关信号，其中，该相关信号包括：变流器交流侧三相电流采样信号iX[k]，交流侧三相电压采样信号eX[k]，其中下标X(＝A,B或C)代表所在的相序，k代表采样时刻，直流侧电压采样信号Udc[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]-s6[k]；
第一计算模块，用于根据变流器模型，通过交流侧三相电压采样信号eX[k]，直流侧电压采样信号Udc[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]-s6[k]计算每一个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]；
第二计算模块，用于根据每个开关周期Ts内三相电流采样值的变化值△iX[k]与估算的三相电流值的变化值△iEX[k]，计算每个开关周期内三相电流残差δiX[k]；
第三计算模块，用于根据每个开关周期内三相电流残差δiX[k]计算三相电流残差在一个基本周期T0内的累加值δiTX[k]；
故障诊断模块，用于根据每个基本周期T0内三相电流残差的累加值δiTX[k]与阈值Th的比较，判定发生开路故障的功率管。
其中，各模块的具体实施方式可以参考上述方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法，其特征在于，包括：
(1)从变流器控制系统中获取用于诊断的相关信号，其中，所述相关信号包括：变流器交流侧三相电流采样信号iX[k]，交流侧三相电压采样信号eX[k]，直流侧电压采样信号Udc[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]-s6[k]，下标X＝A,B或C，代表所在的相序，k代表采样时刻；
(2)根据变流器模型，通过交流侧三相电压采样信号eX[k]，直流侧电压采样信号Udc[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]-s6[k]计算每一个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]；
(3)根据每个开关周期Ts内三相电流采样值的变化值△iX[k]与计算的三相电流估计变化值△iEX[k]，计算每个开关周期内三相电流残差δiX[k]；
(4)根据每个开关周期内三相电流残差δiX[k]计算三相电流残差在该开关周期前一个基本周期T0内的累加值δiTX[k]；
(5)根据一个基本周期T0内三相电流残差的累加值δiTX[k]与阈值Th的比较，判定发生开路故障的功率管；
其中，所述步骤(2)中的变流器模型是指通过基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律结合变流器的拓扑所推导的数学模型；
其中，所述步骤(2)中开关周期Ts是开关频率fs的倒数，每个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]根据变流器模型通过包括状态观测器和混合逻辑动态模型实现，
Figure FDA0003315943530000011
将一个开关周期内的电流变化视为分段函数，
Figure FDA0003315943530000012
表示每一段的斜率，tn表示每一段对应的时间；
其中，所述步骤(3)中，由△iX[k]＝iX[k]-iX[k-1]计算每个开关周期Ts内三相电流采样值的变化值△iX[k]，其表示每一个开关周期开始与结束时对应的三相电流采样值iX[k]的差值；
其中，所述步骤(4)中基本周期T0是指三相电压频率f0的倒数，由δiTX[k]＝δiX[k-T0/Ts+1]+δiX[k-T0/Ts+2]+…+δiX[k-1]+δiX[k]计算三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]，其表示当前时刻前一个基本周期T0内所有的开关周期内三相电流残差δiX[k]的和。
2.根据权利要求1所述的功率管开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(5)中阈值Th是指为了防止误诊断而设置的门槛值，在三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]超过阈值Th后，判定发生功率管开路故障。
3.根据权利要求2所述的功率管开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤(5)中，对于不同的功率管故障，三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]是不同的，进而能够通过δiTX[k]定位故障的功率管。
4.根据权利要求3所述的功率管开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤(5)中，在三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]中的最大值大于所设定的阈值Th时，才判定发生故障。
5.一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断系统，其特征在于，包括：
诊断信号获取模块，用于从变流器控制系统中获取用于诊断的相关信号，其中，所述相关信号包括：变流器交流侧三相电流采样信号iX[k]，交流侧三相电压采样信号eX[k]，直流侧电压采样信号Udc[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]-s6[k]，下标X(＝A,B或C)代表所在的相序，k代表采样时刻；
第一计算模块，用于根据变流器模型，通过交流侧三相电压采样信号eX[k]，直流侧电压采样信号Udc[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]-s6[k]计算每一个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]；
第二计算模块，用于根据每个开关周期Ts内三相电流采样值的变化值△iX[k]与估算的三相电流值的变化值△iEX[k]，计算每个开关周期内三相电流残差δiX[k]；
第三计算模块，用于根据每个开关周期内三相电流残差δiX[k]计算三相电流残差在一个基本周期T0内的累加值δiTX[k]；
故障诊断模块，用于根据每个基本周期T0内三相电流残差的累加值δiTX[k]与阈值Th的比较，判定发生开路故障的功率管；
其中，变流器模型是指通过基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律结合变流器的拓扑所推导的数学模型；
其中，开关周期Ts是开关频率fs的倒数，每个开关周期Ts内三相电流的估计变化值△iEX[k]根据变流器模型通过包括状态观测器和混合逻辑动态模型实现，
Figure FDA0003315943530000031
将一个开关周期内的电流变化视为分段函数，
Figure FDA0003315943530000032
表示每一段的斜率，tn表示每一段对应的时间；
其中，由△iX[k]＝iX[k]-iX[k-1]计算每个开关周期Ts内三相电流采样值的变化值△iX[k]，其表示每一个开关周期开始与结束时对应的三相电流采样值iX[k]的差值；
其中，基本周期T0是指三相电压频率f0的倒数，由δiTX[k]＝δiX[k-T0/Ts+1]+δiX[k-T0/Ts+2]+…+δiX[k-1]+δiX[k]计算三相电流残差基本周期T0内累加值δiTX[k]，其表示当前时刻前一个基本周期T0内所有的开关周期内三相电流残差δiX[k]的和。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4任一项所述方法的步骤。
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