CN113075585B - 一种npc三电平逆变器复合开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法，属于故障诊断技术领域。该方法包括以下步骤：建立混合逻辑动态模型、建立新型自适应滑模观测器、给定一次自适应阈值、一次故障诊断、给定二次自适应阈值和进行二次故障诊断。本发明采用的新型自适应滑模观测器相较于传统滑模观测器减小了趋近滑模面的时间和滑模运动的抖振；该方法采用的自适应阈值提高故障诊断的准确性和鲁棒性；该方法通过比较三相输出电流估计值和三相输出电流的残差与自适应阈值的关系，来定义故障检测特征量和故障定位特征量对NPC三电平逆变器进行故障诊断，并在第一次故障诊断之后继续进行多开关管故障诊断。

Description

一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法。

背景技术

在光伏发电系统中，逆变器发挥着重要的作用。NPC三电平逆变器具有损耗低、输出电压和电流波形谐波含量低、器件应力小、输出容量大等诸多优点，被广泛运用在光伏微电网中。尽管NPC三电平逆变器具有上述众多优点，但由于光伏发电系统所处环境复杂多变，逆变器中功率器件很容易发生故障，严重威胁光伏发电系统的安全，而NPC三电平逆变器结构复杂，具有过多电力电子器件，导致了运行时故障率的增大，不仅降低了系统运行的可靠性，而且增加了系统的运行和维护成本。为了保证NPC三电平逆变器在实际运行中的可靠性，对逆变器的开关管故障诊断的快速性和准确性提出了更高的要求。

NPC三电平逆变器的开关管故障主要可以分为短路故障和开路故障，开关管的短路故障由保护电路保护，当系统发生短路故障时保护电路迅速断开，最终会将开关管短路故障转换为开路故障，鉴于短路故障时间短，会迅速转换为开路故障，故只考虑对NPC三电平逆变器开关管开路故障进行诊断。

目前，针对逆变器开路故障的专利技术较多，主要有以下几类：

1、基于特征提取的方法。此类方法主要利用主成分分析等方法对故障的主要成分进行提取分析，并用智能分类器对故障进行诊断，如基于小波变换的方法和基于瞬时频率的方法等，具体的相关专利文献如《一种基于小波分析和SVM的逆变器故障诊断方法》(申请公布号CN 105095566 A)、《基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法》(申请公布号CN111077471 A)等，此类方法存在信号处理复杂度大、诊断周期长等问题。

2、基于知识的方法。其基本的理论思想是通过模拟人的思维方式去实现逆变器的故障诊断。如基于神经网络的方法和基于支持向量机的方法等，具体的相关专利文献如《一种NPC三电平光伏逆变器开路故障诊断方法》(申请公布号CN108229544A)、《基于优化支持向量机的三电平逆变器开路故障诊断方法.》(申请公布号CN110068776A)等，此类方法存在诊断计算量大、建立知识库比较难且知识库维护难度大的问题。

3、基于解析模型的方法。此类方法主要思想是建立逆变器的数学模型，将估计的系统输出与测量信息进行比较得到残差，对残差进行分析以实现变换器的故障诊断，相关专利文献如《一种基于模型的多电平逆变器参数性故障诊断方法》(申请公布号CN108649600A)等，此类方法存在数学模型要求高，鲁棒性差的问题。

综上所述，现有的技术存在信号处理复杂度大、诊断周期长、计算量大、建立知识库比较难且知识库维护难度大、数学模型要求高和鲁棒性差等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法，解决上述现有技术中存在的问题。具体的，利用新型自适应滑模观测器中的自适应趋近律取代传统滑模观测器中的常数趋近律，减小趋近滑模面的时间并减小滑模运动的抖振；利用自适应阈值取代传统的固定阈值，减小故障诊断时间，提高故障诊断的鲁棒性。

为实现上述目的，本发明提供了一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法，该方法涉及的NPC三电平逆变器的拓扑结构包括直流电源、两个相同的支撑电容、主逆变电路、三个相同的电感和三个相同的电阻；所述直流电源的直流电压记为U_dc，所述两个支撑电容分别记为支撑电容C1和支撑电容C2，支撑电容C1和支撑电容C2串联后并联在直流电源的直流正母线P和直流负母线Q之间；

所述主逆变电路分为三相桥臂，三相桥臂均与直流电源并联，将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a，b，c；在三相桥臂中，每相桥臂由四个开关管串联组成，即主逆变电路共包含12个开关管，将12个开关管记为V_kб，б表示开关管的序号，б＝1，2，3，4；在三相桥臂的每相桥臂中，开关管V_k1、开关管V_k2、开关管V_k3、开关管V_k4依次串联，开关管V_k2和开关管V_k3的连接点记为主逆变电路的输出点ψ_k，k＝a，b，c；

将所述三个相同的电感记为电感L_k、所述三个相同的电阻记为R_k，k＝a，b，c，所述电感L_k的一端与主逆变电路的输出点ψ_k相连，另一端与电阻R_k相连，电阻R_k的另一端接地；

所述NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法包括以下步骤：

步骤1，将NPC三电平逆变器记为逆变器，建立逆变器的混合逻辑动态模型，并计算k相相电压U_k的估计值

NPC三电平逆变器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，

为k相端电压的估计值，S_k为k相桥臂的开关函数，k＝a，b，c；

k相相电压U_k的估计值

的表达式为：

步骤2，采样逆变器的三相输出电流i_a，i_b，i_c，经过坐标变换得到两相静止坐标系下的两相输出电流αβ分量i_α，i_β，建立逆变器在两相静止坐标系下的电流状态方程，其表达式为：

其中，

为两相输出电流αβ分量i_α，i_β的导数，R为电阻R_a的电阻值，L为电感L_a的电感值，S_a为a相桥臂的开关函数，S_b为b相桥臂的开关函数，S_c为c相桥臂的开关函数，D为系数矩阵1，

F为逆变器的微小扰动信号；

步骤3，搭建新型自适应滑模观测器，表达式为：

其中，

为两相输出电流αβ分量i_α，i_β的估计值，

为两相输出电流αβ分量i_α，i_β的估计值

的导数；

为新型自适应滑模观测器的输出；

A为系数矩阵2，

B为系数矩阵3，

C为系数矩阵4，

K为可调参数1，且K＞0；ζ为可调参数2，且ζ∈(0，1)，arctan()为反正切函数，sign()为符号函数，s为滑模面，且

步骤4，先根据新型自适应滑模观测器的输出

来计算三相输出电流估计值

其表达式为：

再将步骤2采样得到的三相输出电流i_a，i_b，i_c记为一次三相输出电流i_k，并定义一次残差r_k，

步骤5，给定一次故障诊断自适应阈值T_thk，k＝a，b，c；

步骤6，对逆变器开关管开路故障进行第一次诊断，具体步骤如下：

步骤6.1，分别计算a相一次残差绝对值|r_a|、b相一次残差绝对值|r_b|、c相一次残差绝对值|r_c|，然后在|r_a|，|r_b|，|r_c|中取最大值，将该最大值对应的相记为g相，g相对应的桥臂记为g相桥臂，g相对应的一次故障诊断自适应阈值记为g相一次故障诊断自适应阈值T_thg，并将该最大值对应的一次残差记为g相一次残差r_g；

比较g相一次残差r_g的绝对值|r_g|和g相一次故障诊断自适应阈值T_thg，并进行以下判断：

若|r_g|≤T_thg，则NPC三电平逆变器正常工作，故障诊断结束；

若|r_g|＞T_thg，则进入步骤6.2；

步骤6.2，定义一次故障检测特征量f_g和一次故障定位特征量w_g，f_g＝sign(r_g)，w_g＝sign(|i_g|-T_thg)，其中，i_g为g相输出电流；

按以下条件进行单管故障定位：

当f_g＝1，w_g＝1，则开关管V_g1发生开路故障；

当f_g＝1，w_g＝-1，则开关管V_g2发生开路故障；

当f_g＝-1，w_g＝-1，则开关管V_g3发生开路故障；

当f_g＝-1，w_g＝1，则开关管V_g4发生开路故障；

将发生故障的开关管记为故障开关管V_gj，j为故障开关管在g相桥臂中的序号，即j或为1、或为2，或为3，或为4；

步骤7，建立第一次故障诊断后的逆变器混合逻辑动态模型，计算第一次故障诊断后的k相相电压U_kx的估计值

并通过计算得到第一次故障诊断后的三相输出电流估计值

步骤7.1，建立第一次故障诊断后的逆变器混合逻辑动态模型，其表达式为：

其中，

为第一次故障诊断后的k相端电压的估计值，S_kx为第一次故障诊断后的k相桥臂开关函数，k＝a，b，c；

第一次故障诊断后的逆变器k相相电压U_kx的估计值

的表达式为：

步骤7.2，先进行第二次采样得到第一次诊断后的逆变器的三相输出电流i_ax，i_bx，i_cx，再经过坐标变换得到第一次诊断后的两相静止坐标系下的两相输出电流αβ分量i_cx，i_βx；

步骤7.3，将第一次故障诊断后的k相桥臂开关函数S_kx代入步骤3所述新型自适应滑模观测器，该新型自适应滑模观测器的输出记为第一次故障诊断后的输出

再根据第一次故障诊断后的输出

计算出第一次故障诊断后的三相输出电流估计值

其表达式为：

将步骤7.2采样得到的第一次诊断后的逆变器的三相输出电流i_ax，i_bx，i_cx记为二次三相输出电流i_kx，并定义二次残差r_kx，

步骤8，给定二次故障诊断自适应阈值T_thkx，k＝a，b，c；

步骤9，对逆变器开关管开路故障进行第二次诊断，具体步骤如下：

步骤9.1，分别计算a相二次残差绝对值|r_ax|、b相二次残差绝对值|r_bx|、c相二次残差绝对值|r_cx|，然后在|r_ax|，|r_bx|，|r_cx|中取最大值，将该最大值对应的相记为gx相，gx相对应的桥臂记为gx相桥臂，gx相对应的二次故障诊断自适应阈值记为gx相二次故障诊断自适应阈值T_thgx，并将该最大值对应的二次残差记为gx相二次残差r_gx；

比较二次残差r_gx的绝对值|r_gx|和gx相二次故障诊断自适应阈值T_thgx，进行如下判断：

若|r_gx|≤T_thgx，开关管V_gj发生故障，第二次故障诊断结束；

若|r_gx|＞T_thgx，发生多管故障，进入步骤9.2；

步骤9.2，定义二次故障检测特征量f_gx和二次故障定位特征量w_gx，f_gx＝sign(r_gx)，w_gx＝sign(|i_gx|-T_thgx)，其中，i_gx为gx相输出电流；

按以下条件进行多管故障定位

当f_gx＝1，w_gx＝1，则V_gj、V_gx1发生开路故障，其中，j＝1时，gx≠g；

当f_gx＝1，w_gx＝-1，则V_gj、V_gx2发生开路故障，其中，j＝2时，gx≠g；

当f_gx＝-1，w_gx＝-1，则V_gj、V_gx3发生开路故障，其中，j＝3时，gx≠g；

当f_gx＝-1，w_gx＝1，则V_gj、V_gx4发生开路故障，其中，j＝4时，gx≠g。

优选地，步骤2所述两相静止坐标系下的两相输出电流αβ分量i_α，i_β和步骤7所述第一次诊断后的两相静止坐标系下的两相输出电流αβ分量i_ox，i_βx的计算式分别如下：

优选地，步骤1所述k相桥臂的开关函数S_k按照以下方式确定：

规定电流从NPC三电平逆变器流向电感L_k为正，电流从电感L_k流向NPC三电平逆变器为负，定义逻辑变量μ_k，μ_k＝1表示k相电流为正、μ_k＝0表示k相电流为负；

将开关管V_kб的开关信号记为δ_kб，且用符号“-”表示逻辑非，

步骤7所述第一次故障诊断后的k相桥臂开关函数S_kx按照以下方式确定：

若故障开关管V_gj在g相桥臂中的序号j为1，

若故障开关管V_gj在g相桥臂中的序号j为2，

若故障开关管V_gj在g相桥臂中的序号j为3，

若故障开关管V_gj在g相桥臂中的序号j为4，

优选地，步骤5所述一次故障诊断自适应阈值T_thk的给定依据一次三相输出电流i_k和k相相电压U_k的估计值

具体步骤如下：

步骤5.1，建立NPC三电平逆变器电流状态方程，其表达式为：

其中，

为一次三相输出电流i_k的导数；

令一次三相输出电流i_k初始值为0，可得：

t表示时间，e为自然对数函数的底数；

步骤5.2，定义第一中间阈值T_thk1和第二中间阈值T_thk2，k＝a，b，c，其表达式分别如下：

T_thk1＝α(Δi_k1+Δi_k2)

其中，α为常数1，且α∈(1，2)，λ为常数2，且λ∈(0.5，1)；Δi_k1为逆变器参数误差所引起的k相输出电流误差，

为k相相电压U_k的估计值

的误差，Δw为逆变器电路参数误差；Δi_k2＝mi_k，m为采样误差系数；

步骤5.3，求解一次故障诊断自适应阈值T_thk；

一次故障诊断自适应阈值T_thk的三个分量T_tha，T_thb，T_thc的选择如下：

T_tha＝max[T_tha1，T_tha2]

T_thb＝max[T_thb1，T_thb2]

T_thc＝max[T_thc1，T_thc2]

其中符号“max[]”表示取最大值；

步骤8所述二次故障诊断自适应阈值T_thkx的给定依据二次三相输出电流i_kx和第一次故障诊断后的k相相电压U_kx的估计值

具体步骤与步骤5.1-步骤5.3相同。

由于采用了上述故障诊断方法，与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、采用新型自适应滑模观测器，解决了传统滑模观测器趋近速率慢、滑模运动抖振大的问题；

2、选取自适应阈值来做故障诊断，对扰动具有抗干扰性，提高了故障检测的准确性和鲁棒性；

3、实现了对多开关管开路故障诊断并检验故障诊断结果的准确性；

4、故障诊断过程不需要增加额外的传感器，降低了故障检测的成本。

附图说明

图1是本发明实施例中NPC三电平逆变器的拓扑图；

图2是本发明一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法的示意图；

图3是本发明一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法的流程图；

图4是本发明实施例中三相输出电流i_a，i_b，i_c和一次故障诊断自适应阈值的T_tha，T_thb，T_thc的仿真波形图；

图5是本发明实施例中三相输出电流估计值

和第一次故障诊断后三相输出电流估计值

的仿真波形图；

图6是本发明实施例中一次残差r_a，r_b，r_c、二次残差r_ax，r_bx，r_cx和一次故障诊断自适应阈值T_tha，T_thb，T_thc的仿真波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1是本发明实施例中的NPC三电平逆变器的拓扑图。由图可见本发明方法涉及的NPC三电平逆变器的拓扑结构包括直流电源、两个相同的支撑电容、主逆变电路、三个相同的电感和三个相同的电阻。所述直流电源的直流电压记为U_dc，所述两个支撑电容分别记为支撑电容C1和支撑电容C2，支撑电容C1和支撑电容C2串联后并联在直流电源的直流正母线P和直流负母线Q之间。

所述主逆变电路分为三相桥臂，三相桥臂均与直流电源并联，将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a，b，c。在三相桥臂中，每相桥臂由四个开关管串联组成，即主逆变电路共包含12个开关管，将12个开关管记为V_kб，6表示开关管的序号，б＝1，2，3，4。在三相桥臂的每相桥臂中，开关管V_k1、开关管V_k2、开关管V_k3、开关管V_k4依次串联，开关管V_k2和开关管V_k3的连接点记为主逆变电路的输出点ψ_k，k＝a，b，c。

将所述三个相同的电感记为电感L_k、所述三个相同的电阻记为R_k，k＝a，b，c，所述电感L_k的一端与主逆变电路的输出点ψ_k相连，另一端与电阻R_k相连，电阻R_k的另一端接地。

在本实施例中U_dc＝500V。

在图1中，点0为支撑电容C1和支撑电容C2的公共节点。从图1可见，在三相桥臂中，每相桥臂还包括两个二极管，即三相桥臂共包括6个二极管，将六个二极管记为D_kh，h表示二极管的序号，h＝1，2。具体的，二极管D_k1的阳极连接中性点O，二极管D_a1的阴极连接开关管V_a1的集电极，二极管D_b1的阴极连接开关管V_b1的集电极，二极管D_c1的阴极连接开关管V_c1的集电极；二极管D_k2的阴极连接中性点O，二极管D_a2的阳极连接开关管V_a3的发射极，二极管D_b2的阳极连接开关管的发射极，二极管D_c2的阳极连接开关管V_c3的发射极。

图2是本发明一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法的示意图，图3是本发明一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法的流程图，由图2和图3可见，NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法包括以下步骤：

步骤1，将NPC三电平逆变器记为逆变器，建立逆变器的混合逻辑动态模型，并计算k相相电压U_k的估计值

NPC三电平逆变器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，

为k相端电压的估计值，S_k为k相桥臂的开关函数，k＝a，b，c；

k相相电压U_k的估计值

的表达式为：

在本实施例中，所述k相桥臂的开关函数S_k按照以下方式确定：

规定电流从NPC三电平逆变器流向电感L_k为正，电流从电感L_k流向NPC三电平逆变器为负，定义逻辑变量μ_k，μ_k＝1表示k相电流为正、μ_k＝0表示k相电流为负；

将开关管V_kб的开关信号记为δ_kб，且用符号“-”表示逻辑非，

步骤2，采样逆变器的三相输出电流i_a，i_b，i_c，经过坐标变换得到两相静止坐标系下的两相输出电流αβ分量i_α，i_β，建立逆变器在两相静止坐标系下的电流状态方程，其表达式为：

其中，

为两相输出电流αβ分量i_α，i_β的导数，R为电阻R_a的电阻值，L为电感L_a的电感值，S_a为a相桥臂的开关函数，S_b为b相桥臂的开关函数，S_c为c相桥臂的开关函数，D为系数矩阵1，

F为逆变器的微小扰动信号。

在本实施例中，R＝10Ω，L＝80mH，F＝0.01sin(100πt)。

步骤3，搭建新型自适应滑模观测器，表达式为：

其中，

为两相输出电流αβ分量i_α，i_β的估计值，

为两相输出电流αβ分量i_α，i_β的估计值

的导数；

为新型自适应滑模观测器的输出。

A为系数矩阵2，

B为系数矩阵3，

C为系数矩阵4，

K为可调参数1，且K＞0；ζ为可调参数2，且ζ∈(0，1)，arctan()为反正切函数，sign()为符号函数，s为滑模面，且

在本实施例中，取K＝1.5，ζ＝0.01。

搭建的新型自适应滑模观测器相较于传统的滑模观测器，新型自适应滑模观测器采用自适应趋近律，所加入的函数

使得远离滑模面时获得很大的增益，从而能够快速趋近滑模面，当靠近滑模面时增益变小，能够很好的抑制抖振。

步骤4，先根据新型自适应滑模观测器的输出

来计算三相输出电流估计值

其表达式为：

再将步骤2采样得到的三相输出电流i_a，i_b，i_c记为一次三相输出电流i_k，并定义一次残差r_k，

步骤5，给定一次故障诊断自适应阈值T_thk，k＝a，b，c。

所述一次故障诊断自适应阈值T_thk的给定依据一次三相输出电流i_k和k相相电压U_k，具体步骤如下：

步骤5.1，建立NPC三电平逆变器电流状态方程，其表达式为：

其中，

为一次三相输出电流i_k的导数。

令一次三相输出电流i_k初始值为0，可得：

t表示时间，e为自然对数函数的底数。

步骤5.2，定义第一中间阈值T_thk1和第二中间阈值T_thk2，k＝a，b，c，其表达式分别如下：

T_thk1＝α(Δi_k1+Δi_k2)

其中，α为常数1，且α∈(1，2)，λ为常数2，且λ∈(0.5，1)；Δi_k1为逆变器参数误差所引起的k相输出电流误差，

为k相相电压U_k的估计值

的误差，Δw为逆变器电路参数误差；Δi_k2＝mi_k，m为采样误差系数；

步骤5.3，求解一次故障诊断自适应阈值T_thk；

一次故障诊断自适应阈值T_thk的三个分量T_tha，T_thb，T_thc的选择如下：

T_tha＝max[T_tha1，T_tha2]

T_thb＝max[T_thb1，T_thb2]

T_thc＝max[T_thc1，T_thc2]

其中符号“max[]”表示取最大值。

在本实施例中，取

Δw＝0.001，m＝0.01，α＝1.1，λ＝0.8。

步骤6，对逆变器开关管开路故障进行第一次诊断，具体步骤如下：

步骤6.1，分别计算a相一次残差绝对值|r_a|、b相一次残差绝对值|r_b|、c相一次残差绝对值|r_c|，然后在|r_a|，|r_b|，|r_c|中取最大值，将该最大值对应的相记为g相，g相对应的桥臂记为g相桥臂，g相对应的一次故障诊断自适应阈值记为g相一次故障诊断自适应阈值T_thg，并将该最大值对应的一次残差记为g相一次残差r_g。

比较g相一次残差r_g的绝对值|r_g|和g相一次故障诊断自适应阈值T_thg，并进行以下判断：

若|r_g|≤T_thg，则NPC三电平逆变器正常工作，故障诊断结束；

若|r_g|＞T_thg，则进入步骤6.2。

步骤6.2，定义一次故障检测特征量f_g和一次故障定位特征量w_g，f_g＝sign(r_g)，w_g＝sign(|i_g|-T_thg)，其中，i_g为g相输出电流；

按以下条件进行单管故障定位：

当f_g＝1，w_g＝1，则开关管V_g1发生开路故障；

当f_g＝1，w_g＝-1，则开关管V_g2发生开路故障；

当f_g＝-1，w_g＝-1，则开关管V_g3发生开路故障；

当f_g＝-1，w_g＝1，则开关管V_g4发生开路故障。

将发生故障的开关管记为故障开关管V_gj，j为故障开关管在g相桥臂中的序号，即j或为1、或为2，或为3，或为4。

步骤7，建立第一次故障诊断后的逆变器混合逻辑动态模型，计算第一次故障诊断后的k相相电压U_kx的估计值

并通过计算得到第一次故障诊断后的三相输出电流估计值

步骤7.1，建立第一次故障诊断后的逆变器混合逻辑动态模型，其表达式为：

其中，

为第一次故障诊断后的k相端电压的估计值，S_kx为第一次故障诊断后的k相桥臂开关函数，k＝a，b，c；

第一次故障诊断后的k相相电压U_kx的估计值

的表达式为：

在本实施例中，所述第一次故障诊断后的k相桥臂开关函数S_kx确定如下：

若故障开关管V_gj在g相桥臂中的序号j为1，

若故障开关管V_gj在g相桥臂中的序号j为2，

若故障开关管V_gj在g相桥臂中的序号j为3，

若故障开关管V_gj在g相桥臂中的序号j为4，

步骤7.2，先进行第二次采样得到第一次诊断后的逆变器的三相输出电流i_ax，i_bx，i_cx，再经过坐标变换得到第一次诊断后的两相静止坐标系下的两相输出电流αβ分量i_αx，i_βx。

步骤7.3，将第一次故障诊断后的k相桥臂开关函数S_kx代入步骤3所述新型自适应滑模观测器，该新型自适应滑模观测器的输出记为第一次故障诊断后的输出

再根据第一次故障诊断后的输出

计算出第一次故障诊断后的三相输出电流估计值

其表达式为：

将步骤7.2采样得到的第一次诊断后的逆变器的三相输出电流i_ax，i_bx，i_cx记为二次三相输出电流i_kx，并定义二次残差r_kx，

步骤8，给定二次故障诊断自适应阈值T_thkx，k＝a，b，c。

所述所述二次故障诊断自适应阈值T_thkx的给定依据二次三相输出电流i_kx和第一次故障诊断后的k相相电压U_kx的估计值

具体步骤与步骤5.1-步骤5.3相同。

步骤9，对逆变器开关管开路故障进行第二次诊断，具体步骤如下：

步骤9.1，分别计算a相二次残差绝对值|r_ax|、b相二次残差绝对值|r_bx|、c相二次残差绝对值|r_cx|，然后在|r_ax|，|r_bx|，|r_cx|中取最大值，将该最大值对应的相记为gx相，gx相对应的桥臂记为gx相桥臂，gx相对应的二次故障诊断自适应阈值记为gx相二次故障诊断自适应阈值T_thgx，并将该最大值对应的二次残差记为gx相二次残差r_gx；

比较二次残差r_gx的绝对值|r_gx|和gx相二次故障诊断自适应阈值T_thgx，进行如下判断：

若|r_gx|≤T_thgx，开关管V_gj发生故障，第二次故障诊断结束；

若|r_gx|＞T_thgx，发生多管故障，进入步骤9.2。

步骤9.2，定义二次故障检测特征量f_gx和二次故障定位特征量w_gx，f_gx＝sign(r_gx)，w_gx＝sign(|i_gx|-T_thgx)，其中，i_gx为gx相输出电流。

按以下条件进行故障定位：

当f_gx＝1，w_gx＝1，则V_gj、V_gx1发生开路故障，其中，j＝1时，gx≠g；

当f_gx＝1，w_gx＝-1，则V_gj、V_gx2发生开路故障，其中，j＝2时，gx≠g；

当f_gx＝-1，w_gx＝-1，则V_gj、V_gx3发生开路故障，其中，j＝3时，gx≠g；

当f_gx＝-1，w_gx＝1，则V_gj、V_gx4发生开路故障，其中，j＝4时，gx≠g。

在本实施例中，步骤2所述两相静止坐标系下的两相输出电流αβ分量i_α，i_β和步骤7所述第一次诊断后的两相静止坐标系下的两相输出电流αβ分量i_αx，i_βx的计算式分别如下：

图4是本发明实施例中三相输出电流i_a，i_b，i_c和一次故障诊断自适应阈值的T_tha，T_thb，T_thc的仿真波形图。由图可见在0.049秒后，三相输出电流发生较大的改变，i_a的上方减小，i_b、i_c发生微小变化；在0.101秒后三相输出电流再次发生较大的变化，i_a的下方减小，i_b、i_c发生微小变化。

图5是本发明实施例中三相输出电流估计值

和第一次故障诊断后三相输出电流估计值

的仿真波形图。由图可见0.051秒前为三相输出电流估计值

在0.051秒后定位到故障管，立即切换到第一次故障诊断后三相输出电流估计值

图6是本发明实施例中一次残差r_a，r_b，r_c、二次残差r_ax，r_bx，r_cx和一次故障诊断自适应阈值T_tha，T_thb，T_thc的仿真波形图，由图可见0.049秒后一次残差r_a，r_b，r_c超过一次故障诊断自适应阈值T_tha，T_thb，T_thc，立即将一次残差r_a，r_b，r_c切换成二次残差r_ax，r_bx，r_cx，在一个周期内二次残差r_ax，r_bx，r_cx减小到一次故障诊断自适应阈值T_tha，T_thb，T_thc范围内，随后在0.101秒后二次残差r_ax，r_bx，r_cx超过一次故障诊断自适应阈值T_tha，T_thb，T_thc。

Claims (4)

1.一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法，该方法涉及的NPC三电平逆变器的拓扑结构包括直流电源、两个相同的支撑电容、主逆变电路、三个相同的电感和三个相同的电阻；所述直流电源的直流电压记为U_dc，所述两个支撑电容分别记为支撑电容C1和支撑电容C2，支撑电容C1和支撑电容C2串联后并联在直流电源的直流正母线P和直流负母线Q之间；

所述主逆变电路分为三相桥臂，三相桥臂均与直流电源并联，将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a，b，c；在三相桥臂中，每相桥臂由四个开关管串联组成，即主逆变电路共包含12个开关管，将12个开关管记为V_kб，б表示开关管的序号，б＝1，2，3，4；在三相桥臂的每相桥臂中，开关管V_k1、开关管V_k2、开关管V_k3、开关管V_k4依次串联，开关管V_k2和开关管V_k3的连接点记为主逆变电路的输出点ψ_k，k＝a，b，c；

将所述三个相同的电感记为电感L_k、所述三个相同的电阻记为R_k，k＝a，b，c，所述电感L_k的一端与主逆变电路的输出点ψ_k相连，另一端与电阻R_k相连，电阻R_k的另一端接地；

其特征在于，所述NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法包括以下步骤：

步骤1，将NPC三电平逆变器记为逆变器，建立逆变器的混合逻辑动态模型，并计算k相相电压U_k的估计值

NPC三电平逆变器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，

为k相端电压的估计值，S_k为k相桥臂的开关函数，k＝a，b，c；

k相相电压U_k的估计值

的表达式为：

步骤2，采样逆变器的三相输出电流i_a，i_b，i_c，经过坐标变换得到两相静止坐标系下的两相输出电流αβ分量i_α，i_β，建立逆变器在两相静止坐标系下的电流状态方程，其表达式为：

其中，

为两相输出电流αβ分量i_α，i_β的导数，R为电阻R_a的电阻值，L为电感L_a的电感值，S_a为a相桥臂的开关函数，S_b为b相桥臂的开关函数，S_c为c相桥臂的开关函数，D为系数矩阵1，

F为逆变器的微小扰动信号；

步骤3，搭建新型自适应滑模观测器，表达式为：

其中，

为两相输出电流αβ分量i_α，i_β的估计值，

为两相输出电流αβ分量i_α，i_β的估计值

的导数；

为新型自适应滑模观测器的输出；

A为系数矩阵2，

B为系数矩阵3，

C为系数矩阵4，

K为可调参数1，且K＞0；ζ为可调参数2，且ζ∈(0，1)，arctan()为反正切函数，sign()为符号函数，s为滑模面，且

步骤4，先根据新型自适应滑模观测器的输出

来计算三相输出电流估计值

其表达式为：

再将步骤2采样得到的三相输出电流i_a，i_b，i_c记为一次三相输出电流i_k，并定义一次残差r_k，

步骤5，给定一次故障诊断自适应阈值T_thk，k＝a，b，c；

步骤6，对逆变器开关管开路故障进行第一次诊断，具体步骤如下：

步骤6.1，分别计算a相一次残差绝对值|r_a|、b相一次残差绝对值|r_b|、c相一次残差绝对值|r_c|，然后在|r_a|，|r_b|，|r_c|中取最大值，将该最大值对应的相记为g相，g相对应的桥臂记为g相桥臂，g相对应的一次故障诊断自适应阈值记为g相一次故障诊断自适应阈值T_thg，并将该最大值对应的一次残差记为g相一次残差r_g；

比较g相一次残差r_g的绝对值|r_g|和g相一次故障诊断自适应阈值T_thg，并进行以下判断：

若|r_g|≤T_thg，则NPC三电平逆变器正常工作，故障诊断结束；

若|r_g|＞T_thg，则进入步骤6.2；

步骤6.2，定义一次故障检测特征量f_g和一次故障定位特征量w_g，f_g＝sign(r_g)，w_g＝sign(|i_g|-T_thg)，其中，i_g为g相输出电流；

按以下条件进行单管故障定位：

当f_g＝1，w_g＝1，则开关管V_g1发生开路故障；

当f_g＝1，w_g＝-1，则开关管V_g2发生开路故障；

当f_g＝-1，w_g＝-1，则开关管V_g3发生开路故障；

当f_g＝-1，w_g＝1，则开关管V_g4发生开路故障；

将发生故障的开关管记为故障开关管V_gj，j为故障开关管在g相桥臂中的序号，即j或为1、或为2，或为3，或为4；

步骤7，建立第一次故障诊断后的逆变器混合逻辑动态模型，计算第一次故障诊断后的k相相电压U_kx的估计值

并通过计算得到第一次故障诊断后的三相输出电流估计值

步骤7.1，建立第一次故障诊断后的逆变器混合逻辑动态模型，其表达式为：

其中，

为第一次故障诊断后的k相端电压的估计值，S_kx为第一次故障诊断后的k相桥臂开关函数，k＝a，b，c；

第一次故障诊断后的k相相电压U_kx的估计值

的表达式为：

步骤7.2，先进行第二次采样得到第一次诊断后的逆变器的三相输出电流i_ax，i_bx，i_cx，再经过坐标变换得到第一次诊断后的两相静止坐标系下的两相输出电流αβ分量i_αx，i_βx；

步骤7.3，将第一次故障诊断后的k相桥臂开关函数S_kx代入步骤3所述新型自适应滑模观测器，该新型自适应滑模观测器的输出记为第一次故障诊断后的输出

再根据第一次故障诊断后的输出

计算出第一次故障诊断后的三相输出电流估计值

其表达式为：

将步骤7.2采样得到的第一次诊断后的逆变器的三相输出电流i_ax，i_bx，i_cx记为二次三相输出电流i_kx，并定义二次残差r_kx，

步骤8，给定二次故障诊断自适应阈值T_thkx，k＝a，b，c；

步骤9，对逆变器开关管开路故障进行第二次诊断，具体步骤如下：

步骤9.1，分别计算a相二次残差绝对值|r_ax|、b相二次残差绝对值|r_bx|、c相二次残差绝对值|r_cx|，然后在|r_ax|，|r_bx|，|r_cx|中取最大值，将该最大值对应的相记为gx相，gx相对应的桥臂记为gx相桥臂，gx相对应的二次故障诊断自适应阈值记为gx相二次故障诊断自适应阈值T_thgx，并将该最大值对应的二次残差记为gx相二次残差r_gx；

比较二次残差r_gx的绝对值|r_gx|和gx相二次故障诊断自适应阈值T_thgx，进行如下判断：

若|r_gx|≤T_thgx，开关管V_gj发生故障，第二次故障诊断结束；

若|r_gx|＞T_thgx，发生多管故障，进入步骤9.2；

步骤9.2，定义二次故障检测特征量f_gx和二次故障定位特征量w_gx，f_gx＝sign(r_gx)，w_gx＝sign(|i_gx|-T_thgx)，其中，i_gx为gx相输出电流；

按以下条件进行多管故障定位：

当f_gx＝1，w_gx＝1，则V_gj、V_gx1发生开路故障，其中，j＝1时，gx≠g；

当f_gx＝1，w_gx＝-1，则V_gj、V_gx2发生开路故障，其中，j＝2时，gx≠g；

当f_gx＝-1，w_gx＝-1，则V_gj、V_gx3发生开路故障，其中，j＝3时，gx≠g；

当f_gx＝-1，w_gx＝1，则V_gj、V_gx4发生开路故障，其中，j＝4时，gx≠g。

2.根据权利要求1所述一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法，其特征在于，步骤2所述两相静止坐标系下的两相输出电流αβ分量i_α，i_β和步骤7所述第一次诊断后的两相静止坐标系下的两相输出电流αβ分量i_αx，i_βx的计算式分别如下：

3.根据权利要求1所述一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法，其特征在于，步骤1所述k相桥臂的开关函数S_k按照以下方式确定：

规定电流从NPC三电平逆变器流向电感L_k为正，电流从电感L_k流向NPC三电平逆变器为负，定义逻辑变量μ_k，μ_k＝1表示k相电流为正、μ_k＝0表示k相电流为负；

将开关管V_kб的开关信号记为δ_kб，且用符号“-”表示逻辑非，

步骤7所述第一次故障诊断后的k相桥臂开关函数S_kx按照以下方式确定：

若故障开关管V_gj在g相桥臂中的序号j为1，

若故障开关管V_gj在g相桥臂中的序号j为2，

若故障开关管V_gj在g相桥臂中的序号j为3，

若故障开关管V_gj在g相桥臂中的序号j为4，

4.根据权利要求1所述一种NPC三电平逆变器复合开路故障诊断方法，其特征在于，步骤5所述一次故障诊断自适应阈值T_thk的给定依据一次三相输出电流i_k和k相相电压U_k的估计值

具体步骤如下：

步骤5.1，建立NPC三电平逆变器电流状态方程，其表达式为：

其中，

为一次三相输出电流i_k的导数；

令一次三相输出电流i_k初始值为0，可得：

t表示时间，e为自然对数函数的底数；

步骤5.2，定义第一中间阈值T_thk1和第二中间阈值T_thk2，k＝a，b，c，其表达式分别如下：

T_thk1＝a(Δi_k1+Δi_k2)

其中，α为常数1，且α∈(1，2)，λ为常数2，且λ∈(0.5，1)；Δi_k1为逆变器参数误差所引起的k相输出电流误差，

为k相相电压U_k的估计值

的误差，Δw为逆变器电路参数误差；Δi_k2＝mi_k，m为采样误差系数；

步骤5.3，求解一次故障诊断自适应阈值T_thk；

一次故障诊断自适应阈值T_thk的三个分量T_tha，T_thb，T_thc的选择如下：

T_tha＝max[T_tha1，T_tha2]

T_thb＝max[T_thb1，T_thb2]

T_thc＝max[T_thc1，T_thc2]

其中符号“max[]”表示取最大值；

步骤8所述二次故障诊断自适应阈值T_thkx的给定依据二次三相输出电流i_kx和第一次故障诊断后的k相相电压U_kx的估计值

具体步骤与步骤5.1-步骤5.3相同。

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