CN113504435B - 三电平逆变器开路故障诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电路故障诊断领域，公开一种三电平逆变器开路故障诊断方法及系统，以提高系统的可靠性和安全性。该方法包括：S1：建立待测三电平逆变器所属的牵引电机的电流预测模型，对待测三电平逆变器的输出电压进行矢量编号得到N组输出电压矢量；S2：根据电流预测模型构建待测三电平逆变器的有限集模型预测控制评价函数；S3：确定有限集模型预测控制评价函数最小值的估计值，计算每个周期内的第一残差平均值；S4：构建故障检测函数；S5：确定有限集模型预测控制评价函数在不同故障情况下的等效值，计算每个周期内残差序列中各残差的第二残差平均值；S6：构建故障诊断函数，根据故障诊断函数定位待测三电平逆变器的开路故障位置。

Description

三电平逆变器开路故障诊断方法及系统

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逆变器开路故障诊断方法及系统。

背景技术

三电平逆变器是一种常用的电力变换装置，可以将直流电转换为三相交流电，常用于牵引传动控制系统和可再生能源转换系统，这些应用场景都需要三电平逆变器具有很高的可靠性和安全性，功率器件和钳位二极管是实现三电平逆变器功能的主要器件，在实际应用中，功率器件和钳位二极管都容易发生开路故障，当发生开路故障时，如果得不到及时处理，其邻近的功率器件会承受更大的电压和电流，容易导致二次故障，严重影响三电平逆变器乃至电力变换系统运行的可靠性和安全性。

因此，如何在三电平逆变器的功率器件和钳位二极管发生开路故障时及时进行故障诊断成为一个急需解决的问题。

发明内容

本发明主要目的在于公开一种三电平逆变器开路故障诊断方法及系统，以提高系统的可靠性和安全性。

为实现上述目的，本申请实施例提供一种三电平逆变器开路故障诊断方法，包括以下步骤：

S1：建立待测三电平逆变器所属的牵引电机的电流预测模型，并对所述待测三电平逆变器的输出电压进行矢量编号得到N组输出电压矢量，N为正整数；

S2：根据所述电流预测模型构建所述待测三电平逆变器的有限集模型预测控制评价函数，其中，每一组输出电压矢量对应一个评价函数值，所述评价函数值为所述有限集模型预测控制评价函数的输出值；

S3：根据所述牵引电机的定子三相电流，确定所述有限集模型预测控制评价函数最小值的估计值，根据当前时刻控制器输出的控制信号确定所述输出控制信号对应的实际最小评价函数值，根据所述估计值与所述实际最小评价函数值得到残差，并计算每个周期内的第一残差平均值；

S4：根据所述第一残差平均值构建故障检测函数，所述故障检测函数用于指示所述待测三电平逆变器是否发生开路故障；

S5：在所述故障检测函数指示所述待测三电平逆变器发生开路故障的情况下，确定所述有限集模型预测控制评价函数在不同故障情况下的等效值，并根据所述等效值与所述估计值得到残差序列，计算每个周期内残差序列中各残差的第二残差平均值；

S6：根据所述第二残差平均值构建故障诊断函数，根据故障诊断函数定位所述待测三电平逆变器的开路故障位置。

作为一个总的发明构思，本本申请还提供一种三电平逆变器开路故障诊断系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

本发明具有以下有益效果：

本申请提供的三电平逆变器开路故障诊断方法，建立了有限集模型预测控制评价函数，并基于有限集模型预测控制评价函数的输出值进行故障诊断，直观、易于建模、无需精确模型和复杂控制参数设计，对克服工业控制过程中的非线性及不确定性等问题有非常好的效果，而且易于增加约束、动态响应快、鲁棒性强，可以提高了系统的可靠性和安全性。

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是本发明优选实施例的三电平逆变器主电路拓扑图；

图2是本发明优选实施例的三电平逆变器开路故障诊断方法流程图之一；

图3是本发明优选实施例的三电平逆变器开路故障诊断方法流程图之二；

图4是本发明优选实施例的D_1a开路故障诊断结果图；

图5是本发明优选实施例的S_a1开路故障诊断结果图；

图6是本发明优选实施例的S_a2开路故障诊断结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的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。

实施例1

本实施例提供一种三电平逆变器开路故障诊断方法。

具体地，本实施例以牵引传动控制系统中的三电平逆变器为例进行说明，该三电平逆变器的主电路原理图如图1所示，直流侧电压u₁、u₂为1500V，直流侧电容C₁、C₂为16mF，所使用牵引电机参数如表1所示：

表1牵引电机参数

参数	数值
		定子电阻R<sub>s</sub>	0.15Ω
定子自感L<sub>s</sub>	34.3mH
		转子电阻R<sub>r</sub>	0.16Ω
转子自感L<sub>r</sub>	34.1mH
		定子/转子互感L<sub>m</sub>	32.8mH
额定电压U<sub>rate</sub>	2000V
		额定频率f<sub>rate</sub>	140Hz
额定转速n<sub>rate</sub>	4140r/min
		额定输出功率P<sub>rate</sub>	300kW
额定转差率s<sub>rate</sub>	1.4％
		极对数n<sub>p</sub>	2
采样时间t<sub>s</sub>	40us

如图2所示，本申请实施例提供的三电平逆变器开路故障诊断方法包括如下步骤。

S1：建立待测三电平逆变器所属的牵引电机的电流预测模型，并对待测三电平逆变器的输出电压进行矢量编号得到N组输出电压矢量，N为正整数；

S2：根据电流预测模型构建待测三电平逆变器的有限集模型预测控制评价函数，其中，每一组输出电压矢量对应一个评价函数值，评价函数值为有限集模型预测控制评价函数的输出值；

S3：根据牵引电机的定子三相电流，确定有限集模型预测控制评价函数最小值的估计值，根据当前时刻控制器输出的控制信号确定输出控制信号对应的实际最小评价函数值，根据估计值与实际最小评价函数值得到残差，并计算每个周期内的第一残差平均值；

S4：根据第一残差平均值构建故障检测函数，故障检测函数用于指示待测三电平逆变器是否发生开路故障。

在该步骤中，故障检测函数用于指示待测三电平逆变器是否发生开路故障，换言之，根据故障检测函数的输出值可以确定待测三电平逆变器是否发生开路故障。

S5：在故障检测函数指示待测三电平逆变器发生开路故障的情况下，确定有限集模型预测控制评价函数在不同故障情况下的等效值，并根据等效值与估计值得到残差序列，计算每个周期内残差序列中各残差的第二残差平均值；

S6：根据第二残差平均值构建故障诊断函数，根据故障诊断函数定位待测三电平逆变器的开路故障位置。

在该故障中，故障诊断函数用于定位待测三电平逆变器的开路故障位置。应理解是，故障诊断函数与上述的故障检测函数的区别在于，故障检测函数的输出值用于确定是否发生故障，故障诊断函数的输出值用于确定发生故障的具体位置。

上述的三电平逆变器开路故障诊断方法，建立了有限集模型预测控制评价函数，并基于有限集模型预测控制评价函数的输出值进行故障诊断，直观、易于建模、无需精确模型和复杂控制参数设计，对克服工业控制过程中的非线性及不确定性等问题有非常好的效果，而且易于增加约束、动态响应快、鲁棒性强，可以提高了系统的可靠性和安全性。

可选地，上述S1包括：

S11：建立待测三电平逆变器所属的牵引电机的电流预测模型，公式如下：

其中，i_sd(k+1)是k+1时刻d轴的电流分量，i_sq(k+1)是k+1时刻q轴的电流分量，ψ_sd(k)是k时刻d轴的等效磁链，ψ_sq(k)是k时刻q轴的等效磁链，i_sd(k)是k时刻d轴的电流分量，i_sq(k)是k时刻q轴的电流分量，ω_r(k)是k时刻电机转子角速度，ω_sl(k)是k时刻转差率，t_s是采样时间，u_sd(k+1)是k+1时刻d轴的电压分量，u_sq(k+1)是k+1时刻q轴的电压分量，R_s是定子电阻，R_r是转子电阻，L_s是dq坐标系下定子等效两绕组的自感，L_r是dq坐标系下转子等效两绕组的自感，σ是电机漏磁系数，T_r是转子电磁时间常数；

S12：确定待测三电平逆变器的N组输出电压矢量，其中，逆变器输出电压矢量编号为δ，δ∈{1,2,…,N}。

需要说明的是，在实际中，三电平逆变器每一相有三种输出电压，分别为u₁、0、-u₂，对应的开关函数S_x的值分别1、0、-1。其中，x＝a,b,c，分别对应逆变器的三个变流桥臂，三电平逆变器一共有27种输出电压矢量，因此，N＝27，逆变器输出电压矢量的计算公式满足如下关系式：

δ＝9S_a+3S_b+S_c+14； (2)

可选地，所述S2包括：

S21：根据所述电流预测模型构建所述待测三电平逆变器的有限集模型预测控制评价函数，公式如下：

其中，

是k时刻d轴电流参考值，

是k时刻q轴电流参考值；

S22：设定三电平逆变器在k时刻每组控制信号对应一组输出电压矢量，每组输出电压矢量对应一个评价函数值，记为g^δ(k)，确定评价函数在每个时刻k中的N种不同的值为g¹(k)，...，g^N(k)；

S23：选择最小评价函数值对应的控制信号控制待测三电平逆变器，以对待测三电平逆变器进行有限集模型预测控制，公式如下：

g^δm(k)＝min[g^δ(k)]； (4)

其中，g^δm(k)是k时刻评价函数的最小值，δm是使得评价函数值最小时对应的输出电压矢量编号。

可选地，所述S3包括：

S31：根据牵引电机在k时刻的定子三相电流，得到i_sd(k+1)、i_sq(k+1)的估计值为

计算k时刻评价函数最小值g^δm(k)的估计值

公式如下：

S32：计算残差

公式如下：

其中，正常运行时，

当发生开路故障时，

大于g^δm(k)，

S33：计算每个周期内采样点数L，公式如下：

L＝T/t_s； (7)

其中，T是牵引电机定子三相电流周期；

S34：计算每个周期T内残差

的第一残差平均值，公式如下：

可选地，所述S4包括：

构建故障检测函数D₀，公式如下：

其中，k₀是故障检测阈值，D₀(k)是D₀在k时刻的值，当D₀(k)＝0时，视为待测三电平逆变器正常运行；当D₀(k)＝1时，视为待测三电平逆变器发生开路故障。

可选地，所述S5包括如下步骤。

首先需要说明的是，在本实施方式中，定义从逆变器流入电机的方向为电流正方向，对一个桥臂上的4个功率器件从上往下依次编号为1号功率器件(第一功率器件)、2号功率器件(第二功率器件)、3号功率器件(第三功率器件)、4号功率器件(第四功率器件)。当控制器输出用于控制x相变流桥臂的控制信号为1100，其对应的开关函数S_x的值为1，且该相变流桥臂对应的牵引电机定子电流i_x>0时，三电平逆变器正常运行时，该相变流桥臂输出电压为u₁，1号功率器件发生开路故障后，其对应的开关函数S_x的值为0，该相变流桥臂输出电压为0；2号功率器件发生开路故障后，其对应的开关函数S_x的值为-1，该相变流桥臂输出电压为-u₂。

当控制器输出用于控制x相变流桥臂的控制信号为0110，其对应的开关函数S_x的值为0，(1)该相变流桥臂对应的牵引电机定子电流i_x>0时，三电平逆变器正常运行时，该相变流桥臂输出电压为0，上侧钳位二极管或者2号功率器件发生开路故障后，其对应的开关函数S_x的值为-1，该相变流桥臂输出电压为-u₂；(2)该相变流桥臂对应的牵引电机定子电流i_x≤0时，三电平逆变器正常运行时，该相变流桥臂输出电压为0，下侧钳位二极管或者3号功率器件发生开路故障后，其对应的开关函数S_x的值为1，该相变流桥臂输出电压为u₁。

当控制器输出用于控制x相变流桥臂的控制信号为0011，其对应的开关函数S_x的值为-1，且该相变流桥臂对应的牵引电机定子电流i_x≤0时，三电平逆变器正常运行时，该相变流桥臂输出电压为-u₂，3号功率器件发生开路故障后，其对应的开关函数S_x的值为1，该相变流桥臂输出电压为u₁；4号功率器件发生开路故障后，其对应的开关函数S_x的值为0，该相变流桥臂输出电压为0。

S51：当x相变流桥臂的上侧钳位二极管、下侧钳位二极管、第一功率器件、第二功率器件、第三功率器件、第四功率器件分别发生开路故障时，确定k时刻评价函数等效值分别为

公式如下：

其中，x＝a,b,c分别对应逆变器三个变流桥臂，Δx是评价函数值与其故障下等效值之间的差值因数，可以通过Δx由评价函数值得到其故障下的等效值；在该实施方式中，可以通过Δx由评价函数值得到其故障下的等效值，Δa＝9，Δb＝3，Δc＝1。

S52：将评价函数的等效值与估计值做差，得到残差序列，公式如下：

式中，n表示x相变流桥臂的第n个器件；

S53：计算每个周期内残差序列中各残差的第二残差平均值，公式如下：

其中，t_d是检测到系统发生开路故障的时间。

可选地，所述S6包括：

S61：定义函数D_xn，公式如下：

其中，k₁是故障诊断阈值，D_xn(k)是D_xn在k时刻的值；

S62：构建故障诊断函数F_x，公式如下：

式中，F_x(k)是F_x在k时刻的值；

其中，三电平变流器正常运行时，D₀＝0，F_x＝0，当发生开路故障时，D₀＝1，开路故障的位置不同，F_x的值也不同，其中x＝a,b,c，分别对应逆变器的三个变流桥臂，根据D₀、F_a、F_b、F_c的值，对三电平逆变器功率器件和钳位二极管发生的开路故障进行检测与诊断。

需要说明的是，三电平变流器正常运行时，D₀＝0，F_x＝0；当系统发生开路故障时，D₀＝1，故障诊断流程图如图3所示。当发生开路故障但不是在x相桥臂时，F_x＝63；当开路故障发生在x相桥臂时，F_x有6种不同的值，不同开路故障与F_x值的对应关系如表2所示。

表2故障诊断函数值与故障位置关系

以D_1a、S_a1、S_a2开路故障诊断过程为例进行说明，故障诊断结果分别如图4～6所示，由图4可以看到，当故障发生后，D₀＝1，检测到系统发生故障，F_b＝63和F_c＝63说明是a相发生故障，F_a＝62确定为D_1a发生开路故障；由图5可以看到，当故障发生后，D₀＝1，检测到系统发生故障，F_b＝63和F_c＝63说明是a相发生故障，F_a＝59确定为S_a1发生开路故障；由图6可以看到，当故障发生后，D₀＝1，检测到系统发生故障，F_b＝63和F_c＝63说明是a相发生故障，F_a＝55确定为S_a2发生开路故障。

根据D₀的值进行故障检测；检测到故障后，根据F_a、F_b、F_c的值，完成故障诊断。

综上，本实施例能够对逆变器功率器件和钳位二极管开路故障进行故障诊断，提高系统的可靠性和安全性。

实施例2

本实施例公开一种三电平逆变器开路故障诊断系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行计算机程序时实现上述实施例所对应方法的步骤。

上述的三电平逆变器开路故障诊断系统可以实现上述三电平逆变器开路故障诊断方法中各个实施方式，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。

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 (8)

1.一种三电平逆变器开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立待测三电平逆变器所属的牵引电机的电流预测模型，并对所述待测三电平逆变器的输出电压进行矢量编号得到N组输出电压矢量，N为正整数；

S2：根据所述电流预测模型构建所述待测三电平逆变器的有限集模型预测控制评价函数，其中，每一组输出电压矢量对应一个评价函数值，所述评价函数值为所述有限集模型预测控制评价函数的输出值；

S3：根据所述牵引电机的定子三相电流，确定所述有限集模型预测控制评价函数最小值的估计值，根据当前时刻控制器输出的控制信号确定所述输出控制信号对应的实际最小评价函数值，根据所述估计值与所述实际最小评价函数值得到残差，并计算每个周期内的第一残差平均值；

S4：根据所述第一残差平均值构建故障检测函数，所述故障检测函数用于指示所述待测三电平逆变器是否发生开路故障；

S5：在所述故障检测函数指示所述待测三电平逆变器发生开路故障的情况下，确定所述有限集模型预测控制评价函数在不同故障情况下的等效值，并根据所述等效值与所述估计值得到残差序列，计算每个周期内残差序列中各残差的第二残差平均值；

S6：根据所述第二残差平均值构建故障诊断函数，根据故障诊断函数定位所述待测三电平逆变器的开路故障位置。

2.根据权利要求1所述的三电平逆变器开路故障诊断方法，其特征在于，所述S1包括：

S11：建立待测三电平逆变器所属的牵引电机的电流预测模型，公式如下：

其中，i_sd(k+1)是k+1时刻d轴的电流分量，i_sq(k+1)是k+1时刻q轴的电流分量，ψ_sd(k)是k时刻d轴的等效磁链，ψ_sq(k)是k时刻q轴的等效磁链，i_sd(k)是k时刻d轴的电流分量，i_sq(k)是k时刻q轴的电流分量，ω_r(k)是k时刻电机转子角速度，ω_sl(k)是k时刻转差率，t_s是采样时间，u_sd(k+1)是k+1时刻d轴的电压分量，u_sq(k+1)是k+1时刻q轴的电压分量，R_s是定子电阻，R_r是转子电阻，L_s是dq坐标系下定子等效两绕组的自感，L_r是dq坐标系下转子等效两绕组的自感，σ是电机漏磁系数，T_r是转子电磁时间常数；

S12：确定待测三电平逆变器的N组输出电压矢量，其中，逆变器输出电压矢量编号为δ，δ∈{1,2,…,N}。

3.根据权利要求2所述的三电平逆变器开路故障诊断方法，其特征在于，所述S2包括：

S21：根据所述电流预测模型构建所述待测三电平逆变器的有限集模型预测控制评价函数，公式如下：

其中，

是k时刻d轴电流参考值，

是k时刻q轴电流参考值；

S22：设定三电平逆变器在k时刻每组控制信号对应一组输出电压矢量，每组输出电压矢量对应一个评价函数值，记为g^δ(k)，确定评价函数在每个时刻k中的N种不同的值为g¹(k)，...，g^N(k)；

S23：选择最小评价函数值对应的控制信号控制待测三电平逆变器，以对待测三电平逆变器进行有限集模型预测控制，公式如下：

g^δm(k)＝min[g^δ(k)]；

其中，g^δm(k)是k时刻评价函数的最小值，δm是使得评价函数值最小时对应的输出电压矢量编号。

4.根据权利要求3所述的三电平逆变器开路故障诊断方法，其特征在于，所述S3包括：

S31：根据牵引电机在k时刻的定子三相电流，得到i_sd(k+1)、i_sq(k+1)的估计值为

计算k时刻评价函数最小值g^δm(k)的估计值

公式如下：

S32：计算残差

公式如下：

其中，正常运行时，

当发生开路故障时，

大于g^δm(k)，

S33：计算每个周期内采样点数L，公式如下：

L＝T/t_s；

其中，T是牵引电机定子三相电流周期；

S34：计算每个周期T内残差

的第一残差平均值，公式如下：

5.根据权利要求4所述的三电平逆变器开路故障诊断方法，其特征在于，所述S4包括：

构建故障检测函数D₀，公式如下：

其中，k₀是故障检测阈值，D₀(k)是D₀在k时刻的值，当D₀(k)＝0时，视为待测三电平逆变器正常运行；当D₀(k)＝1时，视为待测三电平逆变器发生开路故障。

6.根据权利要求5所述的三电平逆变器开路故障诊断方法，其特征在于，所述S5包括：

S51：当x相变流桥臂的上侧钳位二极管、下侧钳位二极管、第一功率器件、第二功率器件、第三功率器件、第四功率器件分别发生开路故障时，确定k时刻评价函数等效值分别为

公式如下：

其中x＝a,b,c分别对应逆变器三个变流桥臂，S_x表示制x相变流桥臂的控制信号对应的开关函数，i_x表示x相变流桥臂对应的牵引电极定子电流，Δx是评价函数值与其故障下等效值之间的差值因数，通过Δx由评价函数值得到其故障下的等效值；

S52：将评价函数的等效值与估计值做差，得到残差序列，公式如下：

式中，n表示x相变流桥臂的第n个器件；

S53：计算每个周期内残差序列中各残差的第二残差平均值，公式如下：

其中，t_d是检测到系统发生开路故障的时间。

7.根据权利要求6所述的三电平逆变器开路故障诊断方法，其特征在于，所述S6包括：

S61：定义函数D_xn，公式如下：

其中，k₁是故障诊断阈值，D_xn(k)是D_xn在k时刻的值；

S62：构建故障诊断函数F_x，公式如下：

式中，F_x(k)是F_x在k时刻的值；

其中，三电平变流器正常运行时，D₀＝0，F_x＝0，当发生开路故障时，D₀＝1，开路故障的位置不同，F_x的值也不同，其中x＝a,b,c，分别对应逆变器的三个变流桥臂，根据D₀、F_a、F_b、F_c的值，对三电平逆变器功率器件和钳位二极管发生的开路故障进行检测与诊断。

8.一种三电平逆变器开路故障诊断系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。

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