CN115864804B - 一种T-type三相四线整流器外功率管开路故障诊断与容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力技术领域，公开了一种三相四线T‑type整流器外功率管开路故障诊断与容错控制方法，包括：实时计算相电流峰值I、相电压峰值U；计算系统异常区间大小根据电流采样频率f_s计算电流偏导，检测三相电流偏导绝对值均小于阈值T₁的电流采样的点数N，当时则判断发生了外功率管开路故障；计算q轴注入电流大小并实现外功率管开路故障后的容错控制。本发明适用于T‑type三相四线整流器中外功率管的开路故障诊断与容错控制，具有性能折损小、平滑切换、依赖性弱的优点。

Description

一种T-type三相四线整流器外功率管开路故障诊断与容错控 制方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，尤其是公开了一种三相四线T-type整流器外功率管开路故障诊断与容错控制方法，更具体地，是涉及一种T-type三相四线整流器外功率管开路故障诊断与容错技术。

背景技术

近年来，随着新能源技术的快速发展，越来越多的新能源汽车陆续出现。作为新能源汽车充电桩的重要充电模块，整流器的稳定性是是考量系统质量的重要指标。在整流器中，功率管由于高频开通、关断很容易造成开路故障，直接影响系统正常运行。T-type三相四线整流器由于优越的性能应用于充电桩的整流模块。针对T-type三相四线整流器的开路故障提出相应的容错控制方法，能保证外功率管故障后，系统持续安全运行，对提高其可靠性具有重要的工程应用价值。

由于三相三线T-type整流器拓扑存在冗余矢量，当其外、内功率管某个发生开路故障后，依然可以利用其他矢量产生目标矢量，当前文献都是针对此种拓扑设计容错方法。对于三相四线T-type整流器拓扑，针对内功率管故障能够实现荣誉矢量容错，但由于需控制中线电流，针对外功率管故障不存在冗余矢量，当其外功率管发生开路故障后容错控制具备挑战性。本发明设计了一种三相四线T-type整流器外功率管开路故障诊断与容错控制方法。

发明内容

本发明的目的是揭示一种三相四线整流器外功率管开路故障诊断与容错控制方法，在于使T-type三相四线整流器外功率管开路故障后，依旧能保证系统的正常运行，减少性能折损。包括以下步骤：

步骤1、根据三相电流i_x，三相电压u_x，计算相电流峰值I和相电压峰值U，其中：x等于a，b，c:

步骤2、外功率管开路故障下，根据电感大小L_as、电网频率f，计算系统异常区间大小

步骤3、令电流采样频率为t_s，和/>分别是第t+1时刻和t时刻的电流i_x采样点值，计算相电流偏导d_x为：

为了避免负载大小对电流的影响，对d_x进行标幺化处理为d_{x_}：

三相电流偏导绝对值之和为S_d:

S_d＝|d_{a_}|+|d_{b_}|+|d_{c_}|

检测S_d持续小于阈值T₁的电流采样的点数N，当时则判断发生了外管开路故障。阈值T₁可取为/>

步骤4、计算q轴注入电流大小

令则/>其中θ为a相电流相位，则可以得到：

化简得：

q轴注入电流大小就可以实现外功率管故障后的容错控制。

本发明具有以下主要有益效果：性能折损小、平滑切换、依赖性弱的优点。

附图说明

图1为本发明的整流器及拓扑结构示意图。

图2为本发明的整流器的控制框图。

图3为本发明诊断和容错结果示意图。

图1为三相四线T-type整流器的拓扑示意图。外功率管为S_a1，S_a4，S_b1，S_b4，S_c1，S_c4，附带二极管分别为D_a1，D_a4，D_b1，D_b4，D_c1，D_c4；内功率管为S_a2，S_a3，S_b2，S_b3，S_c2，S_c3，附带二极管分别为D_a2，D_a3，D_b2，D_b3，D_c2，D_c3；母线储能电容分别为C1、C2；U_c1、U_c2分别为两电容电压；U_d为直流母线电压；

i_a、i_b、i_c为三相电流；u_as、u_bs、u_cs为电网三相电压；L_as、L_bs、L_cs为三相滤波电感；R为直流侧负载。控制系统需采集三相电流、三相电压、直流母线电压信号。

图2是所采取的矢量控制方案图。整流器控制系统接受系统反馈信号(包含三相电流、电网电压)、系统输出电压U_d和电压给定输出驱动信号控制12个功率管的开通关断，本领域的技术人员在图1、2的启示下相当容易理解与实施。具体为：矢量控制中将三相电流经过park坐标变换后得到i_d，i_q，i₀坐标电流分量；/>分别为控制系统在d轴、q轴和o轴的控制给定，通过PI控制器输出控制目标电压量/>再经过坐标变换到a，b，c坐标空间得到相应电压矢量/>然后通过空间矢量调制得到三相的驱动信号s_a，s_b，s_c作用于三相的功率管。容错控制中通过改变/>来实现容错控制。

图3为本发明诊断和容错结果示意图。其中，第一条竖虚线表示实际设置的S_b1故障点，b相电流发生了畸变，第二条虚线表示经本发明判定出故障点，为了便于展示，从第三条虚线开始执行故障容错。具体而言，其中的(a)表示原始采样的三相电流i_x；(b)表示q轴和d轴的电流；(c)表示三相电流偏导绝对值之和为S_d；(d)表示电流采样的点数W。根据(c)中S_d小于阈值T₁的采样数量对(d)中N进行累积，由于则判断发生了外管故障；在第三条虚线开始执行故障容错在q轴注入电流/>相应地q轴电流i_q变化而d轴电流i_d不变，b相电流畸变消失，容错有效且前后平滑。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请见图1至图3，本发明一种T-type三相四线整流器外功率管开路故障诊断与容错技术，包含如下步骤：

步骤1、根据三相电流i_x，三相电压u_x，计算相电流峰值I和相电压峰值U，其中：x等于a，b，c:

步骤2、外功率管开路故障下，根据电感大小L_as、电网频率f，计算系统异常区间大小

步骤3、令电流采样频率为f_s，和/>分别是第t+1时刻和t时刻的电流i_x采样点值，计算相电流偏导d_x为：

为了避免负载大小对电流的影响，对d_x进行标幺化处理为d_{x_}：

三相电流偏导绝对值之和为S_d:

S_d＝|d_{a_}|+|d_{b_}|+|d_{c_}|

检测S_d持续小于阈值T₁的电流采样的点数N，当时则判断发生了外管开路故障。阈值T₁可取为/>

步骤4、计算q轴注入电流大小

令则/>其中θ为a相电流相位，则可以得到：

化简得：

q轴注入电流大小就可以实现外功率管故障后的容错控制。

图1为三相四线T-type整流器的拓扑示意图。外功率管为S_a1，S_a4，S_b1，S_b4，S_c1，S_c4，附带二极管分别为D_a1，D_a4，D_b1，D_b4，D_c1，D_c4；内功率管为S_a2，S_a3，S_b2，S_b3，S_c2，S_c3对应二极管分别为D_a2，D_a3，D_b2，D_b3，D_c2，D_c3；母线储能电容分别为C1、C2；U_c1、U_c2分别为两电容电压；U_d为直流母线电压；i_a、i_b、i_c为三相电流；u_as、u_bs、u_cs为电网三相电压；L_as、L_bs、L_cs为三相滤波电感；R为直流侧负载。控制系统需采集三相电流、三相电压、直流母线电压信号。

图2是所采取的矢量控制方案图。矢量控制中将三相电流经过park坐标变换后得到i_d，i_q，i₀坐标电流分量；分别为控制系统在d轴、q轴和o轴的控制给定，通过PI控制器输出控制目标电压量/>再经过坐标变换到a，b，c坐标空间得到相应电压矢量然后通过空间矢量调制得到三相的驱动信号s_a，s_b，s_c作用于三相的功率管。正常系统中/>是0以保证单位功率因数运行；在故障被检测到后执行容错，容错过程是仅使/>等于/>以实现容错控制。

图3所示为根据本发明进行故障诊断和容错的实验图。其中，第一条竖虚线表示实际设置的S_b1故障点，b相电流发生了畸变，第二条虚线表示经本发明判定出故障点，为了便于展示，从第三条虚线开始执行故障容错。具体而言，其中的(a)表示原始采样的三相电流i_x；(b)表示q轴和d轴的电流；(c)表示三相电流偏导绝对值之和为S_d；(d)表示电流采样的点数N。根据(c)中S_d小于阈值T₁的采样数量对(d)中N进行累积，由于则判断发生了外管故障；在第三条虚线开始执行故障容错在q轴注入电流/>相应地q轴电流i_q变化而d轴电流i_d不变，b相电流畸变消失，容错有效且前后平滑。实验和理论完全吻合，表明本发明能进行有效的故障诊断与容错控制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有以下特点：本发明能够实现T-type三相四线整流器外功率管开路故障诊断以及故障后的容错控制，并对其他三电平整流器拓扑的功率管开路故障诊断容错控制具有指导意义。

(1)性能折损小；本发明所提出诊断方法只需要采集三相电流信号；所提出的容错控制方法相比于正常控制，只损失较小的功率因数，即可达到容错效果。正常控制系统一般采用矢量控制；矢量控制中将电流环三相控制量变换到dq坐标内实现控制；d轴控制电流输出幅值；q轴控制电流和电网电压之间的相位，相位差为零时实现了单位功率因数运行，相位差越大功率因数就越小；本发明中，在q轴注入电流是为了从控制上消除外管的工作区间，使得故障功率管不再工作以实现容错。容错的目的是避免故障器件异常工作对系统造成不良影响。

(2)多管故障下的容错；对于多个外功率管的开路故障情况，诊断与容错依然有效。

(3)依赖性小；本方案对系统内部参数不敏感，可移植能力强。

(4)平滑切换，正常的控制算法和本发明所提的容错控制算法之间的切换的过程，是控制系统正常的调节过程，切换不会造成系统突变。

(5)算法简单，不需要过多的计算，大大降低了系统的计算复杂度。

本申请中，故障诊断：接受三相电流信号执行诊断，当诊断到故障时则执行容错控制、未诊断到故障时执行正常的整流器控制方案。容错决策：根据故障诊断结果决定是否执行该过程，该过程是在正常控制系统的q轴注入本申请所提出的电流量；该操作过程本领域人员在本申请的启示下容易理解。

本发明具有以下主要有益效果：性能折损小、平滑切换、依赖性弱的优点。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种三相四线T-type整流器外功率管开路故障诊断方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：根据三相电流i_x，三相电压u_x,计算相电流峰值I和相电压峰值U，其中：x等于a，b，c；相电流峰值I和相电压峰值U的计算公式如下：

第二步：根据电流采样频率f_s，和第t+1时刻和t时刻的电流i_x采样点值和/>计算相电流偏导为/>并进行标幺化处理为/>计算三相电流偏导绝对值之和为S_d＝|d_a|+|d_b|+|d_c|；

第三步：基于电感大小L_as、电网频率f,计算 取值为/>基于/>根据检测S_d持续小于阈值T₁的电流采样的点数N，当/>时判断发生了外管开路故障，阈值T₁为/>其中，L_as是连接在三相电源中的a相电源的输出端的滤波电感；

第四步：故障发生后计算q轴注入电流大小

化简得：

其中则/>θ为a相电流相位,q轴注入电流大小/>就可以实现外功率管故障后的容错控制。