CN113281680A - 高铁牵引系统单相三电平整流器开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高铁牵引系统单相三电平整流器的开关管开路故障诊断及定位方法，属于故障诊断领域。本方法包括以下步骤：建立混合逻辑动态模型、建立新型自适应滑模观测器、提出一次诊断自适应阈值、一次故障诊断、提出二次诊断自适应阈值、二次故障诊断及定位、提出三次诊断自适应阈值、三次故障诊断及定位。本发明提出的自适应滑模观测器不需要系统提供十分精确的动力学模型只需要利用轨迹的跟踪误差合理设计滑模面即可，且可以自适应切换趋近率，从而加快了趋近速度并且减小了滑模运动的抖振，提高了诊断的准确性；本方法通过比较残差特征量与自适应阈值的关系来对开关管进行故障诊断及定位。

Description

高铁牵引系统单相三电平整流器开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及故障诊断领域，尤其涉及高铁牵引系统单相三电平整流器的开关管开路故障诊断方法。

背景技术

高铁牵引传动系统是高速列车的重要组成部分，其安全性和可靠性直接影响高速列车的运行。而牵引整流器是高铁牵引传动系统的核心组成部件之一，极易产生故障，造成严重的人员伤亡与财产损失。

牵引整流器为单相三电平整流器，而单相三电平整流器的开关管开路故障的诊断方法根据诊断对象特性的不同，主要有以下两种诊断方法：

1、基于电流特征量的诊断方法。这类方法主要是通过系统中已有的电流传感器或者额外附加电流传感器硬件以测得相电流或母线电流，根据相关电流的特征量并设计相应的诊断算法来进行故障诊断及定位，相关论文及专利如《Fault diagnosis scheme foropen-circuit faults in switched reluctance motor drives using fast Fouriertransform algorithm with bus current detection》、《一种动车组四象限脉冲整流器IGBT开路故障诊断方法》(申请公布号CN 10776638 A)等，这类方法可以不附加额外硬件，经济成本低，诊断速度快，对外部扰动也具有较好的鲁棒性。

2、基于电压特征量的诊断方法。这类方法主要是通过额外附加电压传感器，通过分析系统在故障情况下固有模型电压的特征量，设计相应的诊断算法来进行故障诊断及定位，相关论文及专利如《IGBT fault diagnosis using adaptive thresholds during theturn-on transient》、《基于电压空间矢量的三相整流器开路故障诊断方法》(申请公布号CN 110609194 A)等，这类方法存在需要附加额外硬件，造成诊断经济成本高，同时附加的传感器本身的的固有误差会增加系统的扰动影响。

综上所述，基于电流特征量的诊断方法相较于基于电压特征量的诊断方法具有显著优势，是目前的主流诊断方法。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中所述的问题提出一种高铁单相三电平整流器开路故障诊断方法。具体的，通过滑模观测器并使用滑模控制，从而只需要通过合理设计滑模面即可解决难以建立精确的系统模型的问题，但这种方法会在控制过程中产生抖动特性，进而设计自适应趋近率，通过自适应的切换趋近率以降低控制过程中的抖动特性，进一步提高系统故障诊断的精确度；同时，在基于电流的特征量进行故障诊断时，通过设计自适应阈值来抑制系统固有或外部的不确定扰动，增加诊断方法的准确性，提高诊断精度；最后在进行故障定位时，依据故障系统模型以建立特定开关管开路故障状态下的自适应滑模观测器来复现发生特定开关管开路故障时的系统网侧电流输出并与实际采样网侧电流相比较来进行故障开关管定位。

为了实现上述的目的，本发明提供一种高铁牵引系统单相三电平整流器开路故障诊断方法，该方法所涉及的电路拓扑结构包括网侧电压源U_s、网侧等效电感L_s和网侧等效电阻R_s、整流桥、两个相同的支撑电容C_d1，C_d2、直流侧负载；支撑电容C_d1和支撑电容C_d2串联后并联在直流侧负载的直流正母线P和直流负母线Q之间，支撑电容C_d1和支撑电容C_d2的接点记为直流母线中点O；

所述整流桥分为两相桥臂，两相桥臂均与直流侧负载并联；将两相桥臂记为桥臂k，k为桥序，k＝a，b；在两相桥臂中，每相桥臂包括4个带反连二极管的开关管、两个钳位二极管，即整流桥共包含8个带反连二极管的开关管和4个钳位二极管，将8个开关管记为开关管V_kγ，γ表示开关管的序号，γ＝1，2，3，4，将4个钳位二极管记为钳位二极管D_ckρ，ρ为钳位二极管的序号，ρ＝1，2；在两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，其中，开关管V_k2和开关管V_k3的连接点记为整流桥输入点τ_k，k＝a，b；在两相桥臂的每相桥臂中，钳位二极管D_ck1的阴极接在开关管V_k1和开关管V_k2之间，钳位二极管D_ck1的阳极接钳位二极管D_ck2的阴极，钳位二极管D_ck2的阳极接在开关管V_k3和开关管V_k4之间，且钳位二极管D_ck1和钳位二极管D_ck2的连接点与直流母线中点O相接；

所述网侧等效电感L_s的一端接整流桥输入点τ_a，另一端依次与网侧等效电阻R_s、网侧电压源U_s串联，网侧电压源的另一端接整流桥输入点τ_b；

所述诊断方法包含以下步骤：

步骤1，建立单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，并计算整流桥输入端相电压U_ab的估计值

采样网侧电流，并将该网侧电流记为一次网侧电流i_s，采样支撑电容C_d1和支撑电容C_d2的直流电压并记为一次直流电压u₁，u₂，采样直流侧电压U_dc；建立单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，并计算整流桥输入端相电压U_ab的估计值

所述整流桥输入端相电压U_ab为整流桥输入点τ_a和整流桥输入点τ_b之间的电压；

所述单相三电平整流器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，

为a相极电压的估计值，

为b相极电压的估计值，T_h为一次直流电压u₁的混合逻辑动态函数，T_l为一次直流电压u₂的混合逻辑动态函数；

所述整流桥输入端相电压U_ab的估计值

的表达式为：

步骤2，建立单相三电平整流器状态空间方程，其表达式为：

式中，

为一次网侧电流i_s的导数，

分别为一次直流电压u₁，u₂的导数，C₁，C₂分别为支撑电容C_d1、支撑电容C_d2的电容值，i_p为直流正母线P上的电流，i_q为直流负母线Q上的电流，y为单相三电平整流器状态空间方程的输出，L为网侧等效电感L_s的电感值，R为网侧等效电阻R_s的电阻值，F为单相三电平整流器的扰动信号，G为系数矩阵1，

步骤3，构建新型自适应滑模观测器，表达式为：

其中，

为一次网侧电流i_s的估计值，记为一次网侧电流估计值

为一次直流电压u₁，u₂的估计值，记为一次直流电压估计值

一次网侧电流估计值

的导数，

为直流电压估计值

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，C＝(1 0 0)，

为可变参数1，

tanh()为双曲正切函数，α为可变参数2，且α＞1，μ为可变参数3，且μ∈(0，1)，ε为可变参数4，且ε＞1，β为可变参数5，β＞0，s为滑模面；

步骤4，将步骤3设计的新型自适应滑模观测器的输出

记为一次诊断输出

根据该一次诊断输出

计算得到一次网侧电流估计值

并定义网侧电流残差r和一次诊断残差特征值r_s，表达式分别如下：

式中，|i_s|为一次网侧电流i_s的绝对值，|i_s|_avg为一次网侧电流i_s向绝对值的平均值，

为一次网侧电流估计值

的绝对值，

为一次网侧电流估计值

的绝对值的平均值；

步骤5，给定一次诊断自适应阈值T_th1；

步骤6，对单相三电平整流器进行一次诊断；

计算一次诊断残差特征值r_s的绝对值|r_s|，将该绝对值|r_s|和一次诊断自适应阈值T_th1进行比较，并得出如下诊断：

若|r_s|≤T_th1，则单相三电平整流器未发生开路故障，系统正常工作，故障诊断结束；

若|r_s|＞T_th1，则单相三电平整流器发生开路故障，进入步骤7；

步骤7，给定二次诊断自适应阈值T_th2；

步骤8，进行单桥臂四个开关管的一次故障定位；

定义四个开关管组M_γ，γ＝1，2，3，4，具体的，

M₁：V_a1和V_b4；

M₂：V_a2和V_b3；

M₃：V_a3和V_b2；

M₄：V_a4和V_b1；

定义第一故障定位特征量X₁、

定义第二故障定位特征量X₂，X₂＝sign(r)，进行单桥臂四个开关管的一次故障定位，具体如下：

若X₁＝0且X₂＝-1，则开关管V_a1或V_b4发生开路故障；

若X₁＝1且X₂＝-1，则开关管V_a2或V_b3发生开路故障；

若X₁＝1且X₂＝1，则开关管V_a3或V_b2发生开路故障；

若X₁＝0且X₂＝1，则开关管V_a4或V_b1发生开路故障；

定义故障开关管组M_e，e为故障开关管组的序号，即e或为1，或为2，或为3，或为4；

步骤9，建立单相三电平整流器故障混合逻辑动态模型，并计算发生开路故障时整流桥输入端相电压U_abe的估计值

采样发生开路故障时网侧电流并记为二次网侧电流i_se，采样发生开路故障时相应的支撑电容C_d1和支撑电容C_d2的直流电压并记为二次直流电压u_1e，u_2e，e或为1，或为2，或为3，或为4；

建立发生开路故障时单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，记为单相三电平整流器故障混合逻辑动态模型，其表达式为：

其中，

为发生开路故障时a相极电压的估计值，

为发生开路故障时b相极电压的估计值，T_he为发生开路故障时二次直流电压u_1e的混合逻辑动态函数，记为故障混合逻辑动态函数T_he，T_le为发生开路故障时二次直流电压u_2e的混合逻辑动态函数，记为故障混合逻辑动态函数T_le；

所述发生开路故障时整流桥输入端相电压U_abe的估计值

的表达式为：

步骤10，构建单相三电平整流器故障状态空间方程；

构建在发生开路故障状态下的单相三电平整流器状态空间方程，并记为单相三电平整流器故障状态空间方程，其表达式为：

式中，

为二次网侧电流i_se的导数，

分别为二次直流电压u_1e，u_2e的导数，

为单相三电平整流器故障状态空间方程式的输出；

步骤11，在发生开路故障状态下，构建新型故障状态自适应滑模观测器，表达式为：

其中，

为二次网侧电流i_se的估计值，记为二次网侧电流估计值

为二次直流电压u_1e，u_2e的估计值，记为二次直流电压估计值

为二次网侧电流估计值

的导数，

为二次直流电压估计值

的导数，

为新型故障状态自适应滑模观测器的输出值；

为系数矩阵5，

步骤12，将步骤11构建的新型故障状态自适应滑模观测器的输出

记为二次诊断输出

根据该二次诊断输出

计算得到二次网侧电流估计值

再根据步骤10中采样得到二次网侧电流i_se，定义二次诊断残差特征值r_e，e或为1，或为2，或为3，或为4，表达式为：

其中，|i_se|为二次网侧电流i_se的绝对值，|i_se|_avg为二次网侧电流i_se的绝对值的平均值，

为二次网侧电流i_se估计值的绝对值，

为二次网侧电流i_se估计值的平均值；

步骤13，给定三次诊断自适应阈值T_th3；

步骤14，对故障开关管进行二次故障定位；

定义故障定位量Z₁，

并进行如下定位：

若Z₁＝0，故障开关管组M_e中的a相桥臂开关管发生开路故障；

若Z₁＝1，故障开关管组M_e中的b相桥臂开关管发生开路故障。

优选地，步骤1所述一次直流电压u₁的混合逻辑动态函数T_h和一次直流电压u₂的混合逻辑动态函数T_l的计算过程如下：

记k相桥臂开关函数为S_k，k＝a，b，则：

记开关管脉冲控制信号为v_kγ，k＝a，b，γ＝1，2，3，4，则k相桥臂开关函数S_k＝v_k1v_k2-v_k3v_k4。

优选地，步骤9所述故障混合逻辑动态函数T_he和故障混合逻辑动态函数T_le的计算式如下；

其中，S_ae为开关管V_ae发生开路故障时a相桥臂的开关函数，S_be为开关管V_ae发生开路故障时b相桥臂的开关函数，所述开关管V_ae为故障开关管组M_e中的a相桥臂开关管；

记开关管脉冲控制信号为v_ke，k＝a，b，e或为1、或为2，或为3，或为4，开关函数S_ae和开关函数S_be的具体计算如下：

当V_a1发生开路故障时，S_a1＝σ_sv_a1v_a2-v_a3v_a4，S_b1＝v_b1v_b2-v_b3v_b4

当V_a2发生开路故障时，

S_b2＝v_b1v_b2-v_b3v_b4当V_a3发生开路故障时，

S_b3＝v_b1v_b2-v_b3v_b4

当V_a4发生开路故障时，

S_b4＝v_b1v_b2-v_b3v_b4

其中，σ_s为二次网侧电流i_se的标志位，

为二次网侧电流i_se的标志位的逻辑非，当i_se＞0时，σ_se＝1，

当i_se≤0时，σ_se＝0，

优选地，步骤5所述一次诊断自适应阈值T_th1和步骤13所述三次诊断自适应阈值T_th3的表达式分别如下：

其中，Ω为可变参数6，Ω∈(0.5，1)，ζ为容差值，ζ∈(0，1)，

是一次网侧电流和一次网侧电流估计值差的绝对值，

是一次网侧电流和一次网侧电流估计值差的绝对值的平均值，

是二次网侧电流和二次网侧电流估计值差的绝对值，

是二次网侧电流和二次网侧电流估计值差的绝对值的平均值。

优选地，步骤7所述二次诊断自适应阈值T_th2按照以下方式给定：

其中，E为常数1，Γ为常数2，且Γ∈(1，2)，

为单相三电平整流器参数及采样误差所引起一次网侧电流i_s的误差，

为死区造成的直流电压U_dc的误差，

T_d为死区时间，T_s为单相三电平整流器脉冲驱动模块中三角载波周期值。

与现有技术比较，本发明的有益效果为：

1、通过滑模观测器并使用滑模控制，只需通过合理设计滑模面就可以解决现有基于模型的方法无法建立精确系统模型的缺点；

2、通过设计自适应控制趋近率，通过自适应的切换趋近率以降低控制过程中的抖动特性并加快趋近速率，进一步提高系统故障诊断的精确性；

3、通过设计自适应诊断阈值来抑制系统固有或外部的不确定扰动，提高了诊断精度；

4、通过附加自适应故障状态滑模观测器来复现发生特定开关管开路故障时的系统网侧电流输出并与采样网侧电流对比的方法解决单相三电平整流器不同相上的开关管定位问题，且不需附加任何硬件电路。

附图说明

图1是本发明实例中高铁牵引系统中单相三电平整流器的拓扑图；

图2是本发明高铁牵引系统中单相三电平整流器故障诊断方法的示意图；

图3是本发明高铁牵引系统中单相三电平整流器故障诊断方法的流程图；

图4是本发明实例中一次诊断残差特征值r_s的绝对值|r_s|和一次诊断自适应阈值T_th1的仿真波形图。；

图5是本发明实例中外部开关管发生开路故障时网侧电流残差r的绝对值|r|及二次诊断自适应阈值T_th2的仿真波形图；

图6是本发明实例中内部开关管发生开路故障时网侧电流残差r的绝对值|r|及二次诊断自适应阈值T_th2的仿真波形图；

图7是本发明实例中开关管V_a1发生开路故障时一次网侧电流估计值

及二次网侧电流估计值

的仿真波形图；

图8是本发明实例中开关管V_a2发生开路故障时一次网侧电流估计值

及二次网侧电流估计值

的仿真波形图；

图9是本发明实例中开关管V_a3发生开路故障时一次网侧电流估计值

及二次网侧电流估计值

的仿真波形图；

图10是本发明实例中开关管V_a4发生开路故障时一次网侧电流估计值

及二次网侧电流估计值

的仿真波形图；

图11是本发明实例中故障开关管组M_e中的a相桥臂开关管发生开路故障二次诊断残差特征值r_e的绝对值|r_e|和三次诊断自适应阈值T_th3的仿真波形图；

图12是本发明实例中故障开关管组M_e中的a相桥臂开关管发生开路故障的二次诊断残差特征值的绝对值|r_e|和三次诊断自适应阈值T_th3的仿真波形图。

具体实施方式

下面将结合附图来对本发明的技术方案进行完整的描述。

图1是本发明实施例中高铁牵引系统单相三电平整流器的拓扑图。由该图可见，本发明涉及的电路拓扑结构包括网侧电压源U_s、网侧等效电感L_s和网侧等效电阻R_s、整流桥、两个相同的支撑电容C_d1，C_d2、直流侧负载。支撑电容C_d1和支撑电容C_d2串联后并联在直流侧负载的直流正母线P和直流负母线Q之间，支撑电容C_d1和支撑电容C_d2的接点记为直流母线中点O。

所述整流桥分为两相桥臂，两相桥臂均与直流侧负载并联；将两相桥臂记为桥臂k，k为桥序，k＝a，b；在两相桥臂中，每相桥臂包括4个带反连二极管的开关管、两个钳位二极管，即整流桥共包含8个带反连二极管的开关管和4个钳位二极管，将8个开关管记为开关管V_kγ，γ表示开关管的序号，γ＝1，2，3，4，将4个钳位二极管记为钳位二极管D_ckρ，ρ为钳位二极管的序号，ρ＝1，2。在两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，其中，开关管V_k2和开关管V_k3的连接点记为整流桥输入点τ_k，k＝a，b。在两相桥臂的每相桥臂中，钳位二极管D_ck1的阴极接在开关管V_k1和开关管V_k2之间，钳位二极管D_ck1的阳极接钳位二极管D_ck2的阴极，钳位二极管D_ck2的阳极接在开关管V_k3和开关管V_k4之间，且钳位二极管D_ck1和钳位二极管D_ck2的连接点与直流母线中点O相接。

所述网侧等效电感L_s的一端接整流桥输入点τ_a，另一端依次与网侧等效电阻R_s、网侧电压源U_s串联，网侧电压源的另一端接整流桥输入点τ_b。

在本实施例中，所述网侧等效电感L_s为等效牵引绕组漏电感，所述网侧等效电阻R_s为等效牵引绕组漏电电阻。所述开关管V_kγ为IGBT与其反并联二极管模块。在本图1中，还标出了开关管V_kγ所对应的反并连二极管，分别记为D_kγ，k＝a，b，γ＝1，2，3，4。

在本实施例中，U_s＝2100sin(314t)V。

图2是本发明高铁牵引系统中单相三电平整流器故障诊断方法的示意图，图3是本发明高铁牵引系统中单相三电平整流器故障诊断方法的流程图，由图2-图3可见，本发明诊断方法的步骤如下：

步骤1，建立单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，并计算整流桥输入端相电压U_ab的估计值

采样网侧电流，并将该网侧电流记为一次网侧电流i_s，采样支撑电容C_d1和支撑电容C_d2的直流电压并记为一次直流电压u₁，u₂，采样直流侧电压U_dc；建立单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，并计算整流桥输入端相电压U_ab的估计值

所述整流桥输入端相电压U_ab为整流桥输入点τ_a和整流桥输入点τ_b之间的电压。

所述单相三电平整流器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，

为a相极电压的估计值，

为b相极电压的估计值，T_h为一次直流电压u₁的混合逻辑动态函数，T_l为一次直流电压u₂的混合逻辑动态函数。

所述整流桥输入端相电压U_ab的估计值

的表达式为：

步骤2，建立单相三电平整流器状态空间方程，其表达式为：

式中，

为一次网侧电流i_s的导数，

分别为一次直流电压u₁，u₂的导数，C₁，C₂分别为支撑电容C_d1、支撑电容C_d2的电容值，i_p为直流正母线P上的电流，i_q为直流负母线Q上的电流，y为单相三电平整流器状态空间方程的输出，L为网侧等效电感L_s的电感值，R为网侧等效电阻R_s的电阻值，F为单相三电平整流器的扰动信号，G为系数矩阵1，

在本实施例中，R＝0.34Ω，L＝2.2×10^-3H，C₁＝16×10^-3F，C₂＝16×10^-3F，F＝0.01sin(314t)。

步骤3，构建新型自适应滑模观测器，表达式为：

其中，

为一次网侧电流i_s的估计值，记为一次网侧电流估计值

为一次直流电压u₁，u₂的估计值，记为一次直流电压估计值

一次网侧电流估计值

的导数，

为直流电压估计值

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，C＝(1 0 0)，

为可变参数1，

tanh()为双曲正切函数，α为可变参数2，且α＞1，μ为可变参数3，且μ∈(0，1)，ε为可变参数4，且ε＞1，β为可变参数5，β＞0，s为滑模面。

在本实施例中，取

β＝0.01,μ＝0.1，ε＝200,α＝100。

步骤4，将步骤3设计的新型自适应滑模观测器的输出

记为一次诊断输出

根据该一次诊断输出

计算得到一次网侧电流估计值

并定义网侧电流残差r和一次诊断残差特征值r_s，表达式分别如下：

式中，|i_s|为一次网侧电流i_s的绝对值，|i_s|_avg为一次网侧电流i_s的绝对值的平均值，

为一次网侧电流估计值

的绝对值，

为一次网侧电流估计值

的绝对值的平均值。所述平均值利用建模中求平均值模块直接得到。

步骤5，给定一次诊断自适应阈值T_th1。

其中，Ω为可变参数6，Ω∈(0.5，1)，ζ为容差值，ζ∈(0，1)，

是一次网侧电流和一次网侧电流估计值差的绝对值，

是一次网侧电流和一次网侧电流估计值差的绝对值的平均值。

在本实施例中，取Ω＝0.95,ξ＝0.1。

步骤6，对单相三电平整流器进行一次诊断。

计算一次诊断残差特征值r_s的绝对值|r_s|，将该绝对值|r_s|和一次诊断自适应阈值T_th1进行比较，并得出如下诊断：

若|r_s|≤T_th1，则单相三电平整流器未发生开路故障，系统正常工作，故障诊断结束；

若|r_s|＞T_th1，则单相三电平整流器发生开路故障，进入步骤7。

步骤7，给定二次诊断自适应阈值T_th2。

其中，E为常数1，Γ为常数2，且Γ∈(1，2)，

为单相三电平整流器参数及采样误差所引起一次网侧电流i_s的误差，

为死区造成的直流电压U_ac的误差，

T_d为死区时间，T_s为单相三电平整流器脉冲驱动模块中三角载波周期值。

在本实施例中，取E＝335，Γ＝1.2，T_d＝5μs，T_s＝0.02。

步骤8，进行单桥臂四个开关管的一次故障定位。

定义四个开关管组M_γ，γ＝1,2,3,4，具体的，

M₁：V_a1和V_b4；

M₂：V_a2和V_b3；

M₃：V_a3和V_b2；

M₄：V_a4和V_b1。

定义第一故障定位特征量X₁、

定义第二故障定位特征量X₂，X₂＝sign(r)，进行单桥臂四个开关管的一次故障定位，具体如下：

若X₁＝0且X₂＝-1，则开关管V_a1或V_b4发生开路故障；

若X₁＝1且X₂＝-1，则开关管V_a2或V_b3发生开路故障；

若X₁＝1且X₂＝1，则开关管V_a3或V_b2发生开路故障；

若X₁＝0且X₂＝1，则开关管V_a4或V_b1发生开路故障。

定义故障开关管组M_e，e为故障开关管组的序号，即e或为1，或为2，或为3，或为4。

步骤9，建立单相三电平整流器故障混合逻辑动态模型，并计算发生开路故障时整流桥输入端相电压U_abe的估计值

采样发生开路故障时网侧电流并记为二次网侧电流i_se，采样发生开路故障时相应的支撑电容C_d1和支撑电容C_d2的直流电压并记为二次直流电压u_1e，u_2e，e或为1，或为2，或为3，或为4。

建立发生开路故障时单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，记为单相三电平整流器故障混合逻辑动态模型，其表达式为：

其中，

为发生开路故障时a相极电压的估计值，

为发生开路故障时b相极电压的估计值，T_he为发生开路故障时二次直流电压u_1e的混合逻辑动态函数，记为故障混合逻辑动态函数T_he，T_le为发生开路故障时二次直流电压u_2e的混合逻辑动态函数，记为故障混合逻辑动态函数T_le；

所述发生开路故障时整流桥输入端相电压U_abe的估计值

的表达式为：

步骤10，构建单相三电平整流器故障状态空间方程。

构建在发生开路故障状态下的单相三电平整流器状态空间方程，并记为单相三电平整流器故障状态空间方程，其表达式为：

式中，

为二次网侧电流i_se的导数，

分别为二次直流电压u_1e，u_2e的导数，

为单相三电平整流器故障状态空间方程式的输出。

步骤11，在发生开路故障状态下，构建新型故障状态自适应滑模观测器，表达式为：

其中，

为二次网侧电流i_se的估计值，记为二次网侧电流估计值

为二次直流电压u_1e，u_2e的估计值，记为二次直流电压估计值

为二次网侧电流估计值

的导数，

为二次直流电压估计值

的导数，

为新型故障状态自适应滑模观测器的输出值。

为系数矩阵5，

在本实施例中，取

β＝0.01，μ＝0.1，ε＝200，α＝100。

步骤12，将步骤11构建的新型故障状态自适应滑模观测器的输出

记为二次诊断输出

根据该二次诊断输出

计算得到二次网侧电流估计值

再根据步骤10中采样得到二次网侧电流i_se，定义二次诊断残差特征值r_e，e或为1，或为2，或为3，或为4，表达式为：

其中，|i_se|为二次网侧电流i_se的绝对值，|i_se|_avg为二次网侧电流i_se的绝对值的平均值，

为二次网侧电流i_se估计值的绝对值，

为二次网侧电流i_se估计值的平均值。

步骤13，给定三次诊断自适应阈值T_th3。

其中，Ω为可变参数6，Ω∈(0.5，1)，ζ为容差值，ζ∈(0，1)，

是二次网侧电流和二次网侧电流估计值差的绝对值，

是二次网侧电流和二次网侧电流估计值差的绝对值的平均值。

在本实施例中，取Ω＝0.95，ξ＝0.1。

步骤14，对故障开关管进行二次故障定位。

定义故障定位量Z₁，

并进行如下定位：

若Z₁＝0，故障开关管组M_e中的a相桥臂开关管发生开路故障；

若Z₁＝1，故障开关管组M_e中的b相桥臂开关管发生开路故障。

至此，单相三电平整流器故障诊断结束。

在以上诊断过程中，步骤1所述一次直流电压u₁的混合逻辑动态函数T_h和一次直流电压u₂的混合逻辑动态函数T_l的计算过程如下：

记k相桥臂开关函数为S_k，k＝a，b，则：

记开关管脉冲控制信号为v_kγ，k＝a，b，γ＝1，2，3，4，则k相桥臂开关函数S_k＝v_k1v_k2-v_k3v_k4。

在以上诊断步骤中，步骤9所述故障混合逻辑动态函数T_he和故障混合逻辑动态函数T_le的计算式分别如下；

其中，S_ae为开关管V_ae发生开路故障时a相桥臂的开关函数，S_be为开关管V_ae发生开路故障时b相桥臂的开关函数，所述开关管V_ae为故障开关管组M_e中的a相桥臂开关管。

记开关管脉冲控制信号为v_ke，k＝a，b，e或为1、或为2，或为3，或为4，开关函数S_ae和开关函数S_be的具体计算如下：

当V_a1发生开路故障时，S_a1＝σ_sv_a1v_a2-v_a3v_a4，S_b1＝v_b1v_b2-v_b3v_b4

当V_a2发生开路故障时，

S_b2＝v_b1v_b2-v_b3v_b4当V_a3发生开路故障时，

S_b3＝v_b1v_b2-v_b3v_b4

当V_a4发生开路故障时，

S_b4＝v_b1v_b2-v_b3v_b4

其中，σ_s为二次网侧电流i_se的标志位，

为二次网侧电流i_se的标志位的逻辑非，当i_se＞0时，σ_se＝1，

当i_se≤0时，σ_se＝0，

为了佐证本发明的技术效果，对本发明进行了仿真。

图4是本发明实例中一次诊断残差特征值r_s的绝对值|r_s|和一次诊断自适应阈值T_th1的仿真波形图。由图可知，在0.5秒后发生开路故障，一次诊断残差特征值的绝对值|r_s|发生变化并超过所设置的一次诊断自适应阈值T_th1，系统检测到故障发生。

记开关管V_k1和开关管V_k4为外部开关管，图5是本发明实例中外部开关管发生开路故障时的网侧电流残差r的绝对值|r|及二次诊断自适应阈值T_th2的仿真波形图。由图可知，在0.5秒后发生外部开关管开路故障生成残差，且残差绝对值|r|未超过二次诊断自适应阈值T_th2。

记开关管V_k2和开关管V_k3为内部开关管，图6是本发明实例中内部开关管发生开路故障时的网侧电流残差r的绝对值|r|及二次诊断自适应阈值T_th2的仿真波形图。由图可知，在0.5秒后发生内部开关管开路故障生成残差，且残差绝对值|r|超过二次诊断自适应阈值T_th2。

图7是本发明实例中开关管V_a1发生开路故障时一次网侧电流估计值

及二次网侧电流估计值

的仿真波形图。由图可见，0.5秒前为无故障时的一次网侧电流估计值

在0.5秒后为开关管V_a1发生开路故障时的二次网侧电流估计值

图8是本发明实例中开关管V_a2发生开路故障时一次网侧电流估计值

及二次网侧电流估计值

的仿真波形图。由图可见，0.5秒前为无故障时的一次网侧电流估计值

在0.5秒后为开关管V_a2发生开路故障时的二次网侧电流估计值

图9是本发明实例中开关管V_a3发生开路故障时一次网侧电流估计值

及二次网侧电流估计值

的仿真波形图。由图可见，0.5秒前为无故障时的一次网侧电流估计值

在0.5秒后为开关管V_a3发生开路故障时的二次网侧电流估计值

图10是本发明实例中开关管V_a4发生开路故障时一次网侧电流估计值

及二次网侧电流估计值

的仿真波形图。由图可见，0.5秒前为无故障时的一次网侧电流估计值

在0.5秒后为开关管V_a4发生开路故障时的二次网侧电流估计值

图11是本发明实例中故障开关管组M_e中的a相桥臂开关管发生开路故障二次诊断残差特征值r_e的绝对值|r_e|和三次诊断自适应阈值T_th3的仿真波形图。由图可知，在0.5秒后发生开路故障，二次诊断残差特征值的绝对值|r_γ|为0且未超过三次诊断自适应阈值T_th3。

图12是本发明实例中故障开关管组M_e中的a相桥臂开关管发生开路故障的二次诊断残差特征值的绝对值|r_e|和三次诊断自适应阈值T_th3的仿真波形图。由图可知，在0.5秒后发生开路故障，二次诊断残差特征值的绝对值|r_γ|不为0且超过三次诊断自适应阈值T_th3。

Claims (5)

1.一种高铁牵引系统单相三电平整流器开路故障诊断方法，该方法所涉及的电路拓扑结构包括网侧电压源U_s、网侧等效电感L_s和网侧等效电阻R_s、整流桥、两个相同的支撑电容C_d1，C_d2、直流侧负载；支撑电容C_d1和支撑电容C_d2串联后并联在直流侧负载的直流正母线P和直流负母线Q之间，支撑电容C_d1和支撑电容C_d2的接点记为直流母线中点O；

所述整流桥分为两相桥臂，两相桥臂均与直流侧负载并联；将两相桥臂记为桥臂k，k为桥序，k＝a，b；在两相桥臂中，每相桥臂包括4个带反连二极管的开关管、两个钳位二极管，即整流桥共包含8个带反连二极管的开关管和4个钳位二极管，将8个开关管记为开关管V_kγ，γ表示开关管的序号，γ＝1，2，3，4，将4个钳位二极管记为钳位二极管D_ckρ，ρ为钳位二极管的序号，ρ＝1，2；在两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，其中，开关管V_k2和开关管V_k3的连接点记为整流桥输入点τ_k，k＝a，b；在两相桥臂的每相桥臂中，钳位二极管D_ck1的阴极接在开关管V_k1和开关管V_k2之间，钳位二极管D_ck1的阳极接钳位二极管D_ck2的阴极，钳位二极管D_ck2的阳极接在开关管V_k3和开关管V_k4之间，且钳位二极管D_ck1和钳位二极管D_ck2的连接点与直流母线中点O相接；

所述网侧等效电感L_s的一端接整流桥输入点τ_a，另一端依次与网侧等效电阻R_s、网侧电压源U_s串联，网侧电压源的另一端接整流桥输入点τ_b；

其特征在于，所述诊断方法包含以下步骤：

步骤1，建立单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，并计算整流桥输入端相电压U_ab的估计值

采样网侧电流，并将该网侧电流记为一次网侧电流i_s，采样支撑电容C_d1和支撑电容C_d2的直流电压并记为一次直流电压u₁，u₂，采样直流侧电压U_dc；建立单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，并计算整流桥输入端相电压U_ab的估计值

所述整流桥输入端相电压U_ab为整流桥输入点τ_a和整流桥输入点τ_b之间的电压；

所述单相三电平整流器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，

为a相极电压的估计值，

为b相极电压的估计值，T_h为一次直流电压u₁的混合逻辑动态函数，T_l为一次直流电压u₂的混合逻辑动态函数；

所述整流桥输入端相电压U_ab的估计值

的表达式为：

步骤2，建立单相三电平整流器状态空间方程，其表达式为：

式中，

为一次网侧电流i_s的导数，

分别为一次直流电压u₁，u₂的导数，C₁，C₂分别为支撑电容C_d1、支撑电容C_d2的电容值，i_p为直流正母线P上的电流，i_q为直流负母线Q上的电流，y为单相三电平整流器状态空间方程的输出，L为网侧等效电感L_s的电感值，R为网侧等效电阻R_s的电阻值，F为单相三电平整流器的扰动信号，G为系数矩阵1，

步骤3，构建新型自适应滑模观测器，表达式为：

其中，

为一次网侧电流i_s的估计值，记为一次网侧电流估计值

为一次直流电压u₁，u₂的估计值，记为一次直流电压估计值

一次网侧电流估计值

的导数，

为直流电压估计值

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，C＝(1 0 0)，

为可变参数1，

tanh()为双曲正切函数，α为可变参数2，且α＞1，μ为可变参数3，且μ∈(0，1)，ε为可变参数4，且ε＞1，β为可变参数5，β＞0，s为滑模面；

步骤4，将步骤3设计的新型自适应滑模观测器的输出

记为一次诊断输出

根据该一次诊断输出

计算得到一次网侧电流估计值

并定义网侧电流残差r和一次诊断残差特征值r_s，表达式分别如下：

式中，|i_s|为一次网侧电流i_s的绝对值，|i_s|_avg为一次网侧电流i_s的绝对值的平均值，

为一次网侧电流估计值

的绝对值，

为一次网侧电流估计值

的绝对值的平均值；

步骤5，给定一次诊断自适应阈值T_th1；

步骤6，对单相三电平整流器进行一次诊断；

计算一次诊断残差特征值r_s的绝对值|r_s|，将该绝对值|r_s|和一次诊断自适应阈值T_th1进行比较，并得出如下诊断：

若|r_s|≤T_th1，则单相三电平整流器未发生开路故障，系统正常工作，故障诊断结束；

若|r_s|＞T_th1，则单相三电平整流器发生开路故障，进入步骤7；

步骤7，给定二次诊断自适应阈值T_th2；

步骤8，进行单桥臂四个开关管的一次故障定位；

定义四个开关管组M_γ，γ＝1，2，3，4，具体的，

M₁：V_a1和V_b4；

M₂：V_a2和V_b3；

M₃：V_a3和V_b2；

M₄：V_a4和V_b1；

定义第一故障定位特征量X₁、

定义第二故障定位特征量X₂，X₂＝sign(r)，进行单桥臂四个开关管的一次故障定位，具体如下：

若X₁＝0且X₂＝-1，则开关管V_a1或V_b4发生开路故障；

若X₁＝1且X₂＝-1，则开关管V_a2或V_b3发生开路故障；

若X₁＝1且X₂＝1，则开关管V_a3或V_b2发生开路故障；

若X₁＝0且X₂＝1，则开关管V_a4或V_b1发生开路故障；

定义故障开关管组M_e，e为故障开关管组的序号，即e或为1，或为2，或为3，或为4；

步骤9，建立单相三电平整流器故障混合逻辑动态模型，并计算发生开路故障时整流桥输入端相电压U_abe的估计值

采样发生开路故障时网侧电流并记为二次网侧电流i_se，采样发生开路故障时相应的支撑电容C_d1和支撑电容C_d2的直流电压并记为二次直流电压u_1e，u_2e，e或为1，或为2，或为3，或为4；

建立发生开路故障时单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，记为单相三电平整流器故障混合逻辑动态模型，其表达式为：

其中，

为发生开路故障时a相极电压的估计值，

为发生开路故障时b相极电压的估计值，T_he为发生开路故障时二次直流电压u_1e的混合逻辑动态函数，记为故障混合逻辑动态函数T_he，T_le为发生开路故障时二次直流电压u_2e的混合逻辑动态函数，记为故障混合逻辑动态函数T_le；

所述发生开路故障时整流桥输入端相电压U_abe的估计值

的表达式为：

步骤10，构建单相三电平整流器故障状态空间方程；

构建在发生开路故障状态下的单相三电平整流器状态空间方程，并记为单相三电平整流器故障状态空间方程，其表达式为：

式中，

为二次网侧电流i_se的导数，

分别为二次直流电压u_1e，u_2e的导数，

为单相三电平整流器故障状态空间方程式的输出；

步骤11，在发生开路故障状态下，构建新型故障状态自适应滑模观测器，表达式为：

其中，

为二次网侧电流i_se的估计值，记为二次网侧电流估计值

为二次直流电压u_1e，u_2e的估计值，记为二次直流电压估计值

为二次网侧电流估计值

的导数，

为二次直流电压估计值

的导数，

为新型故障状态自适应滑模观测器的输出值；

为系数矩阵5，

步骤12，将步骤11构建的新型故障状态自适应滑模观测器的输出

记为二次诊断输出

根据该二次诊断输出

计算得到二次网侧电流估计值

再根据步骤10中采样得到二次网侧电流i_se，定义二次诊断残差特征值r_e，e或为1，或为2，或为3，或为4，表达式为：

其中，|i_se|为二次网侧电流i_se的绝对值，|i_se|_avg为二次网侧电流i_se的绝对值的平均值，

为二次网侧电流i_se估计值的绝对值，

为二次网侧电流i_se估计值的平均值；

步骤13，给定三次诊断自适应阈值T_th3；

步骤14，对故障开关管进行二次故障定位；

定义故障定位量Z₁，

并进行如下定位：

若Z₁＝0，故障开关管组M_e中的a相桥臂开关管发生开路故障；

若Z₁＝1，故障开关管组M_e中的b相桥臂开关管发生开路故障。

2.根据权利要求1所述的一种高铁牵引系统单相三电平整流器开路故障诊断方法，其特征在于，步骤1所述一次直流电压u₁的混合逻辑动态函数T_h和一次直流电压u₂的混合逻辑动态函数T_l的计算过程如下：

记k相桥臂开关函数为S_k，k＝a，b，则：

记开关管脉冲控制信号为v_kγ，k＝a，b，γ＝1，2，3，4，则k相桥臂开关函数S_k＝v_k1v_k2-v_k3v_k4。

3.根据权利要求1所述高铁牵引系统单相三电平整流器开路故障诊断方法，其特征在于，步骤9所述故障混合逻辑动态函数T_he和故障混合逻辑动态函数T_le的计算式分别如下；

其中，S_ae为开关管V_ae发生开路故障时a相桥臂的开关函数，S_be为开关管V_ae发生开路故障时b相桥臂的开关函数，所述开关管V_ae为故障开关管组M_e中的a相桥臂开关管；

记开关管脉冲控制信号为v_ke，k＝a，b，e或为1、或为2，或为3，或为4，开关函数S_ae和开关函数S_be的具体计算如下：

当V_a1发生开路故障时，S_a1＝σ_sv_a1v_a2-v_a3v_a4，S_b1＝v_b1v_b2-v_b3v_b4

当V_a2发生开路故障时，

S_b2＝v_b1v_b2-v_b3v_b4

当V_a3发生开路故障时，

S_b3＝v_b1v_b2-v_b3v_b4

当V_a4发生开路故障时，

S_b4＝v_b1v_b2-v_b3v_b4

其中，σ_s为二次网侧电流i_se的标志位，

为二次网侧电流i_se的标志位的逻辑非，当i_se＞0时，σ_se＝1，

当i_se≤0时，σ_se＝0，

4.根据权利要求1所述高铁牵引系统单相三电平整流器开路故障诊断方法，其特征在于，步骤5所述一次诊断自适应阈值T_th1和步骤13所述三次诊断自适应阈值T_th3的表达式分别如下：

其中，Ω为可变参数6，Ω∈(0.5，1)，ζ为容差值，ζ∈(0，1)，

是一次网侧电流和一次网侧电流估计值差的绝对值，

是一次网侧电流和一次网侧电流估计值差的绝对值的平均值，

是二次网侧电流和二次网侧电流估计值差的绝对值，

是二次网侧电流和二次网侧电流估计值差的绝对值的平均值。

5.根据权利要求1所述高铁单相三电平整流器开路故障诊断方法，其特征在于，步骤7所述二次诊断自适应阈值T_th2按照以下方式给定：

其中，E为常数1，Γ为常数2，且Γ∈(1，2)，

为单相三电平整流器参数及采样误差所引起一次网侧电流i_s的误差，

为死区造成的直流电压U_dc的误差，

T_d为死区时间，T_s为单相三电平整流器脉冲驱动模块中三角载波周期值。

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