CN113759289B - 三电平buck-boost变流器开路故障鲁棒检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三电平BUCK‑BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法，包括以下步骤：1)采集三电平Buck‑Boost变流器正常运行时，Boost输入侧电流I_in、支撑电容C₁与C₂的电压Uc₁和Uc₂以及IGBT的开关频率f_sw；2)采用PSO‑VMD瞬时频率法提取纹波电流分量的瞬时频率f_x；3)根据纹波电流分量的瞬时频率f_x与二倍开关频率之间的差值Δf_x判断变流器是否发生开路故障；4)若发生开路故障，根据支撑电容C₁的电压Uc₁与C₂的电压Uc₂的差值ΔU_C极性判断发生开路故障的位置。与现有技术相比，本发明具有检测速度快、鲁棒性强、非侵入性等优点。

Description

三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法及装置

技术领域

本发明涉及变流器电路故障诊断领域，尤其是涉及一种基于PSO-VMD瞬时频率的三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法及装置。

背景技术

三电平BUCK-BOOST变流器具有能量双向流动、电容耐受电压高以及整机效率高等优点，在轨道交通、电动汽车以及船舶供电等领域得到广泛应用。由于DC-DC变流器在电能转换过程中频繁承受高电压与电流瞬变，导致功率器件容易发生故障。工业调查表明，功率半导体器件在电力电子系统中故障率占比高达30％。功率器件故障分为短路和开路故障两类。短路故障引发的短路电流具有瞬变的特点，常采用硬件方式进行保护，将其转化为开路故障进行处理。开路故障则具有潜伏性，使得电流发生畸变，长时间开路运行，容易导致其他元件过载引发二次故障，严重危害系统安全稳定运行，因此，及时有效地对IGBT开路故障进行检测，对三电平BUCK-BOOST变流器安全稳定地运行有着重大的意义。

Poon J等人的题名为“Model-Based Fault Detection and Identification forSwitching Power Converter.”的文献通过建立状态观测模型对多种开关变换器中的功率器件故障进行检测和识别，具有诊断成本低的优势，但是其检测准确性严重依赖于系统模型和预设参数的准确度。

Bento F等人的题名为“Open-Circuit Fault Diagnosis and Fault TolerantOperation of Interleaved DC–DC Boost Converters for Homes and Offices.”的文献针对交错并联升压变换器，通过比较单位时间内PWM波转换次数和电感电流波动次数诊断开关故障，电流信号检测法具有成本低、安全、非侵入的优点。然而，变流器在宽运行范围下的电流纹波波动较大，现有电流信号检测法以电流幅值为故障特征参量，不同工况下(如低占空比、工况变化调整等)的鲁棒性还有待研究。

Nie S等人的题名为“Fault Diagnosis of PWM DC–DC Converters Based onMagnetic Component Voltages Equation.”的文献利用磁性元件电压结合门级驱动信号进行开关故障实时诊断，其检测时间可小于1个开关周期，但是引入的磁性元件存在高频磁饱和问题。

中国专利CN106405307A提出了一种浮地交错变换器单管开路故障检测方法，采集四相浮地交错Boost变换器中两个电容两端的电压，将两个电容的电压差值与设定的各个阈值进行比较；对开关管S₁和S₃分别施加低电平驱动，分别采集低电平驱动施加前后电容C₁和C₂两端的电压差，与设定的阈值进行比较。该方法可以实现对四相浮点交错Boost变换器实现单个开关管开路故障的故障检测，并精确定位到具体的故障开关管，但是该方法中的电容C₁和C₂本身会存在电容老化的影响，这将影响该方法的的稳定性和准确性。

通常，在变流器系统中，由于开路故障的潜伏性，会使畸变电流导致其他元件过载，引发二次故障。目前，针对DC-DC变流器的功率器件开路故障检测方法主要分为基于知识、基于模型和基于信号三类。电流信号检测法具有成本低、安全、非侵入的优点。然而，变流器在宽运行范围下的电流纹波波动较大，现有电流信号检测法以电流幅值为故障特征参量，不同工况下(如低占空比、工况变化调整等)的鲁棒性还有待研究。另一方面，如何在变流器宽运行工况下选择有效的故障检测阈值，也是电流信号检测法的难点。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术方法的不足，提出了一种基于PSO-VMD瞬时频率的三电平Buck-Boost变流器开路故障检测方法及装置，具有检测速度快，对变流器工况变化不敏感，且动态检测性能和鲁棒性良好的优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法，包括以下步骤：

1)采集三电平Buck-Boost变流器正常运行时，Boost输入侧电流I_in、支撑电容C₁与C₂的电压Uc₁和Uc₂以及IGBT的开关频率f_sw；

2)采用PSO-VMD瞬时频率法提取纹波电流分量的瞬时频率f_x；

3)根据纹波电流分量的瞬时频率f_x与二倍开关频率之间的差值Δf_x判断变流器是否发生开路故障；

4)若发生开路故障，根据支撑电容C₁的电压Uc₁与C₂的电压Uc₂的差值ΔU_C极性判断发生开路故障的位置。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)采用PSO算法，以开关频率二倍频为目标函数优化得到VMD的参数[α，K]，其中，α为惩罚因子，K为模态数；

22)以优化后的VMD的参数[α，K]对Boost输入侧电流I_in进行VMD分解，得到纹波电流分量的瞬时频率f_x。

所述的步骤21)中，目标函数的表达式为：

Δf＝min(f_n-2f_sw)²n∈(1,2,3...,K)

其中，Δf为PSO算法的目标函数偏差值，f_n为第n个固有模态函数分量的瞬时频率。

所述的步骤21)具体步骤为：

211)设置PSO算法的初始参数，设定粒子[α，K]的取值范围，初始化粒子的速度与位置；

212)将粒子[α，K]代入变分模态分解VMD算法中，得出K个固有模态函数分量，并计算各固有模态函数分量的瞬时频率；

213)通过多次迭代寻优，直至目标函数偏差值Δf达到预设精度或达到迭代次数，输出最优的粒子。

所述的步骤22)中，对Boost输入侧电流I_in进行VMD分解分离出纹波电流分量，并通过希尔伯特变换，提取纹波电流分量的瞬时频率f_x。

所述的步骤3)具体为：

当Δf_x值小于设定值F时，即Boost输入侧电流I_in中的纹波电流分量的瞬时频率f_x为二倍频时，则判断变流器未发生开路故障，反之，则判断变流器发生开路故障。

所述的设定值F的取值为0.2f_sw。

所述的步骤4)具体为：

当ΔU_C值大于0时，则判定为IGBT开关管S_2A发生开路故障，若ΔU_C小于0时，则判定为IGBT开关管S_3A发生开路故障。

该检测方法的原理如下：

在三电平BUCK-BOOST变流器正常运行状态下，电流I_in的纹波电流分量的瞬时频率为开关频率的两倍，存在二倍频特性，当功率开关管发生开路故障时，电流I_in的纹波电流分量的瞬时频率变为一倍开关频率，二倍频特性消失，并且支撑电容C₁和C₂之间的电压差的极性发生恒定变化。

一种检测装置，该装置包括：

一个或多个处理器、存储器以及存储于存储器中的一个或多个程序，所述的一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-9任一项所述的三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法的指令。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、检测速度快：功率器件开路会导致变流器输入电流中的纹波电流分量特性发生改变，其瞬时频率在开路后从二倍频降低为开关频率，利用瞬时频率特征，可以在一个开关周期尺度内快速检测出IGBT功率器件的开路故障。

二、鲁棒性强：PSO-VMD瞬时频率法采用的I_in中包含的纹波电流是固有开关频率分量，故对变流器功率变化不敏感，可在不同工况下准确地检测出开路故障，具有良好的动态检测性能和鲁棒性。

三、非侵入性：本发明利用I_in中纹波电流的瞬时频率特征进行开路故障诊断，因此需要在变流器运行时输入电流I_in信号，能够实现非接触的监测，同时U_C1与U_C2是通过变流器上自带的电压传感器进行采集，没有增加额外的电压传感器，不会影响系统运行的稳定性。

附图说明

图1为三电平BUCK-BOOST变流器拓扑结构图。

图2为不同工况下I_in电流纹波对比，其中，图(2a)为正常运行状态下输入电流I_in电流纹波，图(2b)为S_3A开路运行状态下输入电流I_in电流纹波。

图3为PSO-VMD瞬时频率的开路故障检测方法流程图。

图4为正常工作时输入电流电压实验波形图。

图5变流器正常工作时输入电流I_in的本征模态分量。

图6为开路故障时输入电流电压实验波形图。

图7为开路故障实验检验结果。

图8为功率变化工况下输入电流电压实验波形图。

图9为功率变化工况下实验检验结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

针对变流器在宽运行范围下的电流纹波波动较大时，现有电流信号检测法鲁棒性较低与在变流器宽运行工况下故障检测阈值难以选择的问题，本发明提出了一种基于PSO-VMD瞬时频率的三电平Buck-Boost变流器开路故障检测方法，该方法的基本原理如下：

在变流器正常运行状态下，输入电流I_in纹波频率为开关频率的两倍，存在二倍频特性，但在功率开关管发生开路故障时，电流I_in纹波频率变为开关频率，二倍频特性消失，并且电容C₁和C₂的电压差的极性发生恒定变化，因此通过二倍频特性可以对开路故障进行诊断，利用电容压差极性可进一步判断故障位置，开路前后纹波电流频率变化如图2所示。

本发明的开路故障检测方法应用于三电平Buck-Boost变流器系统中，三电平Buck-Boost变流器拓扑图如图1所示，图中，S x为变流器中的IGBT开关管，D_x为IGBT开关管的反并联二极管，x＝1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A、4B；I in与V_in为输入端的电流与电压；L_in为等效电感；C₁与C₂为支撑电容，C₀为变流器中的储能电容。三电平Buck-Boost变流器包含Buck与Boost两种工作模式，本发明以Boost工作模式(C₀对外电路放电)为例。

本发明采用粒子群算法(PSO)对VMD瞬时频率方法的参数进行优化(PSO-VMD瞬时频率法)，在PSO中以开关频率二倍频为目标函数，进而优化VMD的惩罚因子α以及模态数K，从而确保包含开关模态信息的纹波电流分量可以成功分离，方法流程图如图3所示，包含以下步骤：

1)正常运行时，采集电流信号I_in以及开关频率f_sw；

2)利用PSO算法，以开关频率二倍频为目标函数优化VMD的参数[α，K]；

3)采集电流信号I_in，电压信号Uc₁与Uc₂；

4)对电流信号I_in进行VMD分解，并提取纹波电流分量的瞬时频率f_x；

5)以二倍频偏差值为判据，判断变流器是否发生开路故障；

6)以Uc₁与Uc₂的电压差值极性为判据，判断开路故障位置。

步骤2)的具体步骤如下：

首先设置粒子群算法的初始参数：设定粒子[α，K]的取值范围，初始化粒子的速度与位置；

然后将[α，K]代入变分模态分解(VMD)算法中，得出K个固有模态函数分量(IMF)，并计算各个IMF分量的瞬时频率。

由于电流信号I_in的纹波频率为IGBT的开关频率f_sw的二倍，以此设定目标函数，如式(1)所示：

Δf＝min(f_n-2f_sw)² n∈(1,2,3...,K) (1)

其中，Δf为PSO目标函数偏差值，f_n为第n个IMF分量的瞬时频率。

最后通过粒子群算法多次迭代寻优，找寻Δf达到预设精度(最小值时)或达到迭代次数，输出最优的[α，K]。

步骤4)中，VMD是一种非递归信号处理算法，可以将原始信号分解为K个本征模态函数(Intrinsic Model Function，IMF)分量，VMD分解算法中的参数[α，K]是经步骤2)中的PSO算法进行自适应求解的，从而将电流信号I_in中的纹波电流分量进行分离，进而通过希尔伯特变换，提取纹波电流分量的瞬时频率f_x，希尔伯特变换着重强调了时域信号的局部特征。

步骤5)中，纹波电流频率为开关频率f_sw二倍(二倍频)，故差值Δf_x计算公示如(2)：

Δf_x＝|f_x-2f_sw| (2)

当Δf_x值接近为零，即I_in中纹波电流频率为二倍频时，则判断变流器未发生开路故障；反之，则纹波电流频率的二倍频特性消失，变流器发生开路故障。

步骤6)中，由于变流器在正常运行时电容C₁和C₂之间的电压差值较小，即ΔU_C＝(U_C1-U_C2)约等于0；而发生开路故障后，在IGBT开路状态下，电容C₁和C₂的电压差的极性会发生恒定变化，若ΔU_C>0，则判定为S_2A发生开路故障；若ΔU_C<0，则判定为S_3A发生开路故障。

实施例

本实施例根据变流器输入电流I_in的纹波的本征二倍频瞬时频率作为开路故障特征变量，提出一种采用粒子群(PSO)算法结合变分模态分解(VMD)自适应地提取开关模态分量并计算其瞬时频率特征，监测变流器开路故障的方法。

在实施例中，搭建半实物仿真实验台。实验台采用硬件在环测试系统(HardwareIn the Loop,HIL)进行实验验证，并通过DSP控制器对其进行闭环控制。StarSim实时仿真器的特点是可以利用现场可编程门阵列(FPGA)实现任意拓扑仿真，仿真步长最小可设置为的1μs，实验参数见表1。

表1实验系统基本参数

参数	数值
		输入电压Vin/V	500
额定输入电流Iin/A	33
		输出电压VO/V	650
负载电阻R/Ω	300
		直流电容电压C1＝C2/μF	500
直流电抗器Lin＝LO/mH	10
		采样周期Tsp/μs	10
IGBT开关频率fsw/kHz	5

本实施例的具体实施步骤如下：

1)采集三电平Buck-Boost变流器正常运行时，Boost输入侧电流I_in，电压Uc₁和电压Uc₂，IGBT的开关频率f_sw；

采集的电流电压信号如图4所示，f_sw＝5kHz；

2)设置粒子群算法的初始参数：设定粒子[α，K]的取值范围，初始化粒子的速度与位置；

α和K粒子的初始范围分别为α∈[1,10000]，K∈[1,5]，迭代次数为50；

3)将[α，K]代入变分模态分解(VMD)算法中，得出K个固有模态函数分量，计算各个分量的瞬时频率；

4)设置目标函数，将步骤3计算得到的瞬时频率代入目标函数中，更新局部最小值和种群最小值；

预期频率为开关频率f_sw二倍(二倍频)，偏差值Δf计算公式如(1)所示；

5)更新粒子速度与新的位置；

6)迭代步骤3～5直到达到预设精度或迭代次数，输出迭代得到的[α，K]；

在实施例中，在Boost输入侧电流I_in为33A，输入电压V_in为500V，开关频率f_sw为5kHz时，VMD经PSO优化，求解得最优解α取值150，模态数K为3。

7)设定参数F＝1000；

8)采集Boost输入侧电流I_in，电容C₁电压Uc₁和电容C₂电压Uc₂；

如图6所示，在故障工况下，采集了故障前后的输入侧电流I_in，电容C₁电压Uc₁和电容C₂电压Uc₂。

如图8所示，在功率变化工况故障，采集了工况变化前后的输入侧电流I_in，电容C₁电压Uc₁和电容C₂电压Uc₂。

9)对输入电流I_in进行变分模态分解；

按照步骤6所求得的α取值150，模态数K为3进行参数设置，变分模态分解结果如图5所示，IMF₁为直流分量，IMF₂为纹波电流分量，IMF₃为高频谐波电流分量。

10)提取纹波电流分量的瞬时频率f_x，并计算f_x与预期频率的差值；

11)判断I_in中纹波电流的瞬时频率f_x的二倍频特性是否消失，进行故障诊断；

如图7所示，为故障工况下的检测结果。在开路故障发生前，纹波电流分量的瞬时频率f_x为10kHz，为开关频率的二倍；开路故障发生后一个开关周期(0.2ms)后，所示纹波电流分量的瞬时频率特征由10kHz突变为5kHz。

如图9所示，为功率变化工况下的检测结果。在12.7ms～14.0ms对变流器功率进行调整，电流I_in从33A变为20A。在功率变化过程中，f_x始终保持在10kHz，为发生误检测。结果证明，PSO-VMD瞬时频率法时基于纹波电流分量本征频率特征进行检测，与电流幅值及波动无关，具有良好的工况鲁棒性。

12)如图7所示，为故障工况下的检测结果。判断Uc₁与Uc₂的电压差值ΔU_C的极性，进行故障定位，开路后进行故障定位，ΔU_C极性恒定为负，由此可以判定S_3A开路。

Claims (10)

1.一种三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集三电平Buck-Boost变流器正常运行时，Boost输入侧电流I_in、支撑电容C₁与C₂的电压Uc₁和Uc₂以及IGBT的开关频率f_sw；

2)采用PSO-VMD瞬时频率法提取纹波电流分量的瞬时频率f_x；

3)根据纹波电流分量的瞬时频率f_x与二倍开关频率之间的差值Δf_x判断变流器是否发生开路故障；

4)若发生开路故障，根据支撑电容C₁的电压Uc₁与C₂的电压Uc₂的差值ΔU_C极性判断发生开路故障的位置。

2.根据权利要求1所述的一种三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)采用PSO算法，以开关频率二倍频为目标函数优化得到VMD的参数[α，K]，其中，α为惩罚因子，K为模态数；

22)以优化后的VMD的参数[α，K]对Boost输入侧电流I_in进行VMD分解，得到纹波电流分量的瞬时频率f_x。

3.根据权利要求2所述的一种三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法，其特征在于，所述的步骤21)中，目标函数的表达式为：

Δf＝min(f_n-2f_sw)²n∈(1,2,3...,K)

其中，Δf为PSO算法的目标函数偏差值，f_n为第n个固有模态函数分量的瞬时频率。

4.根据权利要求3所述的一种三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法，其特征在于，所述的步骤21)具体步骤为：

211)设置PSO算法的初始参数，设定粒子的取值范围，初始化粒子的速度与位置；

212)将粒子代入变分模态分解VMD算法中，得出K个固有模态函数分量，并计算各固有模态函数分量的瞬时频率；

213)通过多次迭代寻优，直至目标函数偏差值Δf达到预设精度或达到迭代次数，输出最优的粒子。

5.根据权利要求2所述的一种三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法，其特征在于，所述的步骤22)中，对Boost输入侧电流I_in进行VMD分解分离出纹波电流分量，并通过希尔伯特变换，提取纹波电流分量的瞬时频率f_x。

6.根据权利要求1所述的一种三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：

当Δf_x值小于设定值F时，即Boost输入侧电流I_in中的纹波电流分量的瞬时频率f_x为开关频率的二倍频时，则判断变流器未发生开路故障，反之，则判断变流器发生开路故障。

7.根据权利要求6所述的一种三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法，其特征在于，所述的设定值F的取值为0.2f_sw。

8.根据权利要求1所述的一种三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法，其特征在于，所述的步骤4)具体为：

当ΔU_C值大于0时，则判定为IGBT开关管S_2A发生开路故障，若ΔU_C小于0时，则判定为IGBT开关管S_3A发生开路故障。

9.根据权利要求1所述的一种三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法，其特征在于，该检测方法的原理如下：

在三电平BUCK-BOOST变流器正常运行状态下，电流I_in的纹波电流分量的瞬时频率为开关频率的两倍，存在二倍频特性，当功率开关管发生开路故障时，电流I_in的纹波电流分量的瞬时频率变为一倍开关频率，二倍频特性消失，并且支撑电容C₁和C₂之间的电压差的极性发生恒定变化。

10.一种检测装置，其特征在于，该装置包括：

一个或多个处理器、存储器以及存储于存储器中的一个或多个程序，所述的一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-9任一项所述的三电平BUCK-BOOST变流器开路故障鲁棒检测方法的指令。