CN114879087A - 一种用于vienna整流器开路故障综合辨识的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种VIENNA整流器开路故障综合诊断方法，涉及VIENNA整流器故障检测技术领域，该方法的步骤是：利用VIENNA整流器自带的电流传感器实时获取三相输入电流的瞬时值并进行反余切函数变换。利用变换后的三相电流进行零值平台和0～1/2幅值持续时间检测，并与设定的阈值进行比较，从而判断开路故障类型与故障相。同时刻，通过滑动窗口计算一个周期内三相电流均值，通过判断电流均值正负极性实现故障管的定位。本方法无需额外添加硬件，并且提高了整流器单管开路故障辨识速度。

Description

一种用于VIENNA整流器开路故障综合辨识的方法

技术领域

本发明涉及电力电子变流器开关管的开路故障诊断，特别是指一种用于VIENNA整流器开路故障综合辨识的方法。

背景技术

作为三相PWM整流器，VIENNA整流器具有功率因数高、功率密度高、开关管数量少、无桥臂直通问题等优点，广泛应用于对整流器性能要求较高的领域。这些领域的工作环境往往是高频率和高应力状态，整流器中的器件极易发生故障，据统计在功率变换器中二极管和功率开关管故障占比高达47％。整流器带故障运行时输出电压不稳定、无法实现功率因数矫正、影响电路工作、产生谐波污染电网。及早辨识与定位故障对提高系统可靠性有着重要意义。

目前，整流开路故障诊断方法大致分为基于电流特性、基于电压特性和基于人工智能方法。基于电流特性的诊断方法容易受负载和输入电流的影响，具有诊断时间过长的弊端；基于电压特性的诊断方法往往需要额外的设备，增加了系统的复杂性；基于人工智能的方法往往需要大量的历史数据，诊断方法复杂。因此，有必要针对广泛应用的VIENNA整流器，提出一种无须增加额外传感器、算法简单、只需少量采样信号、实现便捷的开路故障在线辨识方法，以及时在故障后采取必要的保护措施，提高充电装置的运行稳定性和安全性。

发明内容

本申请旨在提供一种相较于现有技术的诊断方法而言，能够有效提高诊断的准确性、可靠性且无需额外增加器件，实施方式简单，无复杂控制的VIENNA整流器开路故障综合辨识的方法。

本发明采用的技术方案为利用VIENNA整流器自带的电流传感器检测三相输入电流的瞬时值并进行反余切函数变换，判断经过反余切函数变换后的三相输入电流是否存在零值平台，若任一相输入电流存在零值平台，则判定该相为功率开关管故障相；判断经过反余切函数变换后的三相输入电流0～1/2幅值持续时间，若任一相输入电流0～1/2幅值持续时间大于阈值，则判定该相为整流二极管故障相。在判定故障类型和故障相的同时，采用滑动窗口计算电流周期均值与绝对平均值,并构建故障特征量D_nk。通过判断D_nk的正负极性，用以判定故障相上哪一桥臂的器件发生故障，完成故障器件的定位。

根据本申请实施例提供的技术方案，判断故障类型和故障相的步骤，包括：利用VIENNA整流器自带的电流传感器检测三相输入电流的瞬时值并进行反余切函数变换。变换公式为：

i_nk＝actan(i_k)*2/π(k＝a,b,c) (1)

式中，i_nk为反余切函数变换后的三相电流。由式可知i_nk幅值处于[-1,1]，避免了负载对诊断结果的影响。

采用滞环比较的方法，设置检测零值平台的边界值i_th，若-i_th<i_nk<i_th，则可以认为此时电流为0。定义零值标志位以及幅值标志位分别为ε_k1、ε_k2，如式所示：

当ε_k1、ε_k2由0变为1时，触发零值平台以及幅值检测程序，计数器C_k1和C_k2开始计数。在每个采样周期内，若电流满足上述动作条件，则C_k1和C_k2累加1。当不满足上述条件，则计数器停止计数并清零。电流的零值和幅值持续时间分别为t_k1、t_k2：

t_k1＝C_k1T_s, k＝a,b,c (4)

t_k2＝C_k2T_s, k＝a,b,c (5)

式中T_s为电流采样周期。

定义故障标识值为

式中t_th1和t_th2为时间阈值。R_k1＝1，表示k相功率开关管发生故障；R_k1＝0，表示k相功率开关管正常；R_k2＝1表示k相二极管发生故障；R_k2＝0表示k相二极管正常。

根据本申请实施例提供的技术方案，包括零值平台判断阈值t_th1的确定。根据GB14549-93电能质量标准，交流电流的总谐波畸变率应小于5％。电流阈值i_th可由式(6)获得。

i_th＝i_H＝5％*i₁ (8)

式中，i_H是谐波电流，i₁是基波电流幅值。

式(9)为自然换零点经过-i_th<i_nk<i_th所需要的时间。为了避免时间阈值过大或过小影响辨识速度与准确性。通过式(9)计算可得t_th1取2t。

-5％i₁≤i₁ sin(2πf*t)≤5％i₁ (9)

式中，f是电流频率。

根据本申请实施例提供的技术方案，实现故障器件定位的步骤，包括：采用滑动窗口计算电流周期均值与绝对平均值。为了提高定位方法的精确度与定位速度，利用滑动采样窗口进行数据采样，即每采样一个数据，窗口向右滑动一位，更新一次采样窗口。采样数据更新的表达式为：

由式(1)和式(10)进一步得到i_nk的归一化平均值与绝对平均值为：

式中，k、j为采样时刻；N为一个周期内的采样点数。

根据归一化平均值与绝对平均值构建故障定位特征量D_nk为：

在已判断出某一相的整流二极管或功率开关管发生开路故障的情况下，只需对D_nk的极性进行判断即可。因整流二极管或功率开关管发生开路故障后，输入电流无论是正半周还是负半周都会造成缺失。若VIENNA整流器正常运行，则D_nk为0；若上桥臂故障，造成电流正半周缺失，则D_nk<0；若下桥臂故障，造成电流负半周缺失，则D_nk>0。进而，定义故障位标识值为

式中，d_nk为误差阈值；R_up＝1表示上桥臂器件故障，R_down＝1表示下桥臂器件故障。

根据本申请实施例提供的技术方案，包括电流变换模块，用于实时获取整流器三相输入电流的瞬时幅值，并将VIENNA整流器三相输入电流进行反余切函数变换；故障类型和故障相辨识模块，判断经过反余切函数变换后的三相输入电流是否存在零值平台，若任一相输入电流存在零值平台，则判定该相为功率开关管故障相；判断经过反余切函数变换后的三相输入电流0～1/2幅值持续时间，若任一相输入电流0～1/2幅值持续时间大于阈值，则判定该相为整流二极管故障相；完成故障类型和故障相辨识辨识；故障定位模块，在判定故障类型和故障相的同时，采用滑动窗口计算电流周期均值与绝对平均值,并构建故障特征量D_nk。通过判断D_nk的正负极性，用以判定故障相上哪一桥臂的器件发生故障，完成故障器件的定位。

综上所述，本申请公开有一种VIENNA整流器开路故障综合辨识的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下突出的实质性特点和显著进步：

(1)本发明所提出的故障辨识方法可以准确定位出整流二极管和功率开关管开路故障，且诊断速度快、可靠性高，可为系统后续进行故障容错提供依据。

(2)无需额外的检测设备，成本低。通过内置电流传感器检测三相电流i_a、i_b和i_c，进行故障诊断，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他附图。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是三相六开关VIENNA整流器拓扑；

图2是开路故障诊断流程图；

图3是S_a1和D_a1发生开路故障时的三相输入电流；

图4是S_a1开路故障时,计数变量及故障定位变量仿真波形图；

图5是D_a1开路故障时,计数变量及故障定位变量仿真波形图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

下面结合附图及实施例对本发明进行具体描述。图1为三相六开关VIENNA整流器拓扑结构示意图。其中：S_k1为上桥臂功率开关管，S_k2为下桥臂功率开关管；D_k1为上桥臂整流二极管，D_k2为下桥臂整流二极管(k取a、b、c)。

利用VIENNA整流器自带的电流传感器检测三相输入电流的瞬时值并进行反余切函数变换，判断经过反余切函数变换后的三相输入电流是否存在零值平台，若任一相输入电流存在零值平台，则判定该相为功率开关管故障相；判断经过反余切函数变换后的三相输入电流0～1/2幅值持续时间，若任一相输入电流0～1/2幅值持续时间大于阈值，则判定该相为整流二极管故障相。在判定故障类型和故障相的同时，采用滑动窗口计算电流周期均值与绝对平均值,并构建故障特征量D_nk。通过判断D_nk的正负极性，用以判定故障相上哪一桥臂的器件发生故障，完成故障器件的定位。

第一步：判定故障类型和故障相

利用VIENNA整流器自带的电流传感器检测三相输入电流的瞬时值并进行反余切函数变换。变换公式为：

i_nk＝actan(i_k)*2/π(k＝a,b,c) (1)

式中，i_nk为反余切函数变换后的三相电流。由式可知i_nk幅值处于[-1,1]，避免了负载对诊断结果的影响。

采用滞环比较的方法，设置检测零值平台的边界值i_th，若-i_th<i_nk<i_th，则可以认为此时电流为0。定义零值标志位以及幅值标志位分别为ε_k1、ε_k2，如式所示：

当ε_k1、ε_k2由0变为1时，触发零值平台以及幅值检测程序，计数器C_k1和C_k2开始计数。在每个采样周期内，若电流满足上述动作条件，则C_k1和C_k2累加1。当不满足上述条件，则计数器停止计数并清零。电流的零值和幅值持续时间分别为t_k1、t_k2：

t_k1＝C_k1T_s, k＝a,b,c (4)

t_k2＝C_k2T_s, k＝a,b,c (5)

式中T_s为电流采样周期，可选定为0.0001s。。

定义故障标识值为

式中t_th1和t_th2为时间阈值。R_k1＝1，表示k相功率开关管发生故障；R_k1＝0，表示k相功率开关管正常；R_k2＝1表示k相二极管发生故障；R_k2＝0表示k相二极管正常。

零值平台判断阈值t_th1的确定。根据GB14549-93电能质量标准，交流电流的总谐波畸变率应小于5％。电流阈值i_th可由式(6)获得。

i_th＝i_H＝5％*i₁ (8)

式中，i_H是谐波电流，i₁是基波电流幅值。

式(9)为自然换零点经过-i_th<i_nk<i_th所需要的时间。为了避免时间阈值过大或过小影响辨识速度与准确性。通过式(9)计算可得t_th1取2t。

-5％i₁≤i₁ sin(2πf*t)≤5％i₁ (9)

式中，f是电流频率。

第二步实现故障器件定位。

采用滑动窗口计算电流周期均值与绝对平均值。为了提高定位方法的精确度与定位速度，利用滑动采样窗口进行数据采样，即每采样一个数据，窗口向右滑动一位，更新一次采样窗口。采样数据更新的表达式为：

由式(1)和式(10)进一步得到i_nk的归一化平均值与绝对平均值为：

式中，k、j为采样时刻；N为一个周期内的采样点数。

根据归一化平均值与绝对平均值构建故障定位特征量D_nk为：

在已判断出某一相的整流二极管或功率开关管发生开路故障的情况下，只需对D_nk的极性进行判断即可。因整流二极管或功率开关管发生开路故障后，输入电流无论是正半周还是负半周都会造成缺失。若VIENNA整流器正常运行，则D_nk为0；若上桥臂故障，造成电流正半周缺失，则D_nk<0；若下桥臂故障，造成电流负半周缺失，则D_nk>0。进而，定义故障位标识值为

式中，d_nk为误差阈值；R_up＝1表示上桥臂器件故障，R_down＝1表示下桥臂器件故障。

在一具体应用场景中，设定故障设置在0.02s处对S_a1和D_a1开路。

请参考图4所示的依据上述方法所得到的故障类型和故障相定位的仿真结果。在0.02s时故障发生出现零值平台，计数器C_a1快速增加，在达到所设阈值后，也即图中所示的诊断时间后，R_a1为1，判定a相功率开关管开路故障。

请参考图4所示的依据上述方法所得到的故障器件定位的仿真结果。在0.02s时故障发生，故障定位特征量D_na迅速减小，在达到所设阈值后，也即图中所示的诊断时间后，R_up＝1，上桥臂功率开关管开路故障。

综上所示，在一级辨识结果中，S_a1发生开路故障。

请参考图5所示的依据上述方法所得到的故障类型和故障相定位的仿真结果。在0.02s时故障发生，检测0～1/2幅值持续时间的计数器C_a2快速增加，在达到所设阈值后，也即图中所示的诊断时间后，R_a2为1，判定a相整流二极管开路故障。

请参考图5所示的依据上述方法所得到的故障器件定位的仿真结果。在0.02s时故障发生，故障定位特征量D_na迅速减小，在达到所设阈值后，也即图中所示的诊断时间后，R_up＝1，上桥臂整流二极管开路故障。

综上所示，在一级辨识结果中，D_a1发生开路故障。

结合上述具体的应用场景可知，利用本实施方式所提供的在线辨识方法，能够实现可靠，及时地识别VIENNA整流器所发生的单管开路故障，非常适于推广使用。

以上所述仅为本发明具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于VIENNA整流器开路故障综合在线辨识的方法，其特征在于：利用VIENNA整流器自带的电流传感器检测三相输入电流的瞬时值并进行反余切函数变换；通过利用变换后的三相电流检测幅值信息辨识开路故障类型与故障相，并与滑动窗口所计算的电流均值正负极性相结合进行故障侧定位；

判断经过反余切函数变换后的三相输入电流是否存在零值平台，若任一相输入电流存在零值平台，则判定该相为功率开关管故障相；判断经过反余切函数变换后的三相输入电流0～1/2幅值持续时间，若任一相输入电流0～1/2幅值持续时间大于阈值，则判定该相为整流二极管故障相；至此，完成故障类型和故障相的辨识；

在判定故障类型和故障相的同时，采用滑动窗口计算电流周期均值与绝对平均值,并构建故障特征量D_nk；通过判断D_nk的正负极性，用以判定故障相上哪一桥臂的器件发生故障，完成故障器件的定位。

2.根据权利要求1所述的VIENNA整流器开路故障综合在线辨识方法，其特征在于：对三相输入电流的瞬时值进行反余切函数变换；

利用VIENNA整流器自带的电流传感器检测三相输入电流的瞬时值并进行反余切函数变换；变换公式为：

i_nk＝actan(i_k)*2/π(k＝a,b,c) (1)

式中，i_nk为反余切函数变换后的三相电流；由式可知i_nk幅值处于[-1,1]，避免了负载对诊断结果的影响。

3.根据权利要求1所述的VIENNA整流器开路故障综合在线辨识方法，其特征在于：通过检测幅值信息辨识开路故障类型与故障相；

采用滞环比较的方法，设置检测零值平台的边界值i_th，若-i_th<i_nk<i_th，则可以认为此时电流为0；定义零值标志位以及幅值标志位分别为ε_k1、ε_k2，如式所示：

当ε_k1、ε_k2由0变为1时，触发零值平台以及幅值检测程序，计数器C_k1和C_k2开始计数；在每个采样周期内，若电流满足上述动作条件，则C_k1和C_k2累加1；当不满足上述条件，则计数器停止计数并清零；电流的零值和幅值持续时间分别为t_k1、t_k2：

t_k1＝C_k1T_s,k＝a,b,c (4)

t_k2＝C_k2T_s,k＝a,b,c (5)

式中T_s为电流采样周期；

定义故障标识值为

式中t_th1和t_th2为时间阈值；R_k1＝1，表示k相功率开关管发生故障；R_k1＝0，表示k相功率开关管正常；R_k2＝1表示k相二极管发生故障；R_k2＝0表示k相二极管正常。

4.根据权利要求1或3所述的VIENNA整流器开路故障综合在线辨识方法，其特征在于：采用滞环比较的方法判断零值平台；

采用滞环比较的方法，设置检测零值平台的边界值i_th，若-i_th<i_nk<i_th，则可以认为此时电流为0。

5.根据权利要求1所述的VIENNA整流器开路故障综合在线辨识方法，其特征在于零值平台判断阈值t_th1的确定：

根据GB14549-93电能质量标准，交流电流的总谐波畸变率应小于5％；电流阈值i_th可由式(6)获得；

i_th＝i_H＝5％*i₁ (8)

式中，i_H是谐波电流，i₁是基波电流幅值；

式(9)为自然换零点经过|i_th1|所需要的时间；为了避免时间阈值过大或过小影响辨识速度与准确性；通过式(9)计算可得t_th1取2t；

-5％i₁≤i₁ sin(2πf*t)≤5％i₁ (9)

式中，f是电流频率。

6.根据权利要求1所述的VIENNA整流器开路故障综合在线辨识方法，其特征在于：采用滑动窗口计算电流周期均值与绝对平均值；

为了提高定位方法的精确度与定位速度，利用滑动采样窗口进行数据采样，即每采样一个数据，窗口向右滑动一位，更新一次采样窗口；采样数据更新的表达式为：

由式(1)和式(10)进一步得到i_nk的归一化平均值与绝对平均值为：

式中，k、j为采样时刻；N为一个周期内的采样点数。

7.根据权利要求1或5所述的VIENNA整流器开路故障综合在线辨识方法，其特征在于：故障特征量D_nk的构建：

根据归一化平均值与绝对平均值构建故障定位特征量D_nk为：

在已判断出某一相的整流二极管或功率开关管发生开路故障的情况下，只需对D_nk的极性进行判断即可；因整流二极管或功率开关管发生开路故障后，输入电流无论是正半周还是负半周都会造成缺失；若VIENNA整流器正常运行，则D_nk为0；若上桥臂故障，造成电流正半周缺失，则D_nk<0；若下桥臂故障，造成电流负半周缺失，则D_nk>0；进而，定义故障定位标识值为

式中，d_nk为误差阈值；R_up＝1表示上桥臂器件故障，R_down＝1表示下桥臂器件故障。

8.根据权利要求1或5所述的VIENNA整流器开路故障综合在线辨识方法，其特征在于：

电流变换模块，用于实时获取整流器三相输入电流的瞬时幅值，并将VIENNA整流器三相输入电流进行反余切函数变换；

故障类型和故障相辨识模块，判断经过反余切函数变换后的三相输入电流是否存在零值平台，若任一相输入电流存在零值平台，则判定该相为功率开关管故障相；判断经过反余切函数变换后的三相输入电流0～1/2幅值持续时间，若任一相输入电流0～1/2幅值持续时间大于阈值，则判定该相为整流二极管故障相；完成故障类型和故障相辨识辨识；

故障定位模块，在判定故障类型和故障相的同时，采用滑动窗口计算电流周期均值与绝对平均值,并构建故障特征量D_nk；通过判断D_nk的正负极性，用以判定故障相上哪一桥臂的器件发生故障，完成故障器件的定位。

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