CN117783929B

CN117783929B - 一种直流变换器的开关管故障诊断方法

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Publication number: CN117783929B
Application number: CN202410208104.5A
Authority: CN
Inventors: 卓生荣; 马瑜琦; 金淑丹; 刘新宇; 张睿鑫
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2024-02-26
Filing date: 2024-02-26
Publication date: 2024-05-03
Anticipated expiration: 2044-02-26
Also published as: CN117783929A

Abstract

本发明公开了一种直流变换器的开关管故障诊断方法，属于燃料电池中的直流变换器技术领域，包括：S1、建立状态空间方程形式的变换器数学模型；S2、利用标称电路参数重写变换器数学模型，得到标称变换器模型；S3、分析有效表征开关管开路故障的特征变量，构建观测器，利用双闭环控制系统得出开关管占空比；S4、赋予观测器与实际功率变换器相同的输入，得到特征变量的估计值；S5、用步骤S4得到的特征变量的估计值与功率变换器的实际测量值作差，得到残差；S6、将残差与设定的阈值进行比较，判断开关状态。本发明采用上述的一种直流变换器的开关管故障诊断方法，可以实现对三相直流升压变换器开关管开路故障的诊断。

Description

一种直流变换器的开关管故障诊断方法

技术领域

本发明涉及燃料电池中的直流变换器技术领域，尤其是涉及一种直流变换器的开关管故障诊断方法。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称为电化学发电器，由于其能量转换率高，具有很高的经济性，且反应清洁、完全，很少产生有害物质，正在成为理想的能源利用方式，被广泛应用到发电、运输及其他应用中。升压直流变换器通常被接入燃料电池中用来提高燃料电池的输出电压以此来匹配负载，发挥着重要作用。而交错升压变换器是燃料电池中应用很广泛的变换器，它具有低输入电流纹波和低电流应力的特点。

直流变换器的可靠性是燃料电池应用的关键问题之一，直流升压变换器中有多个开关器件，每条支路包含一个开关器件。开关器件的故障形式主要是开路故障和短路故障，开关故障会导致变换器控制性能下降甚至不稳定，组件过应力，电流纹波增大等问题。短路故障虽然很关键，但是通常会在它损坏整个变换器之前利用智能驱动等硬件保护电路将它转换成开路故障，因此，解决开路故障问题尤为重要。

现有的关于变换器开关故障诊断的方法主要可以分成两类。一类是基于信号的方法，测量能反映故障的信号如电感电压、电感电流后，提取特征信号如均数、均方根、斜率，通过分析健康状态和故障状态的症状对故障进行诊断，这些方法可以非常快地检测和识别开关故障，诊断时间从一个到几个开关周期，同时代价是高采样频率和额外的传感器/硬件，增加了成本。另外为了提高检测精度，需要当前的纹波相当大，这对于燃料电池长期运行来说是不理想的。另一类是基于模型的，其原理是实际功率变换器的比较输出和模型预测的输出之差，即残差，与阈值来判断是否发生故障，此方法的一个缺点是缺乏对模型残差的鲁棒性，会产生误报警。因此需要足够准确的观测器模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流变换器的开关管故障诊断方法，可以实现对三相直流升压变换器开关管开路故障的诊断，本方法简单，无需增加额外的传感器，降低了故障检测成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种直流变换器的开关管故障诊断方法，包括以下步骤：

S1、根据三相直流升压变换器工作原理建立状态空间方程形式的变换器数学模型；

S2、利用标称电路参数重写变换器数学模型，得到标称变换器模型；

S3、分析有效表征开关管开路故障的特征变量，即电感电流变量，并根据获得的标称变换器模型构建观测器，利用双闭环控制系统得出开关管占空比；

S4、赋予观测器与实际功率变换器相同的输入，即输入电压和开关管占空比/>，得到特征变量的估计值；

S5、用步骤S4得到的特征变量的估计值与实际功率变换器的实际测量值作差，得到残差；

S6、将残差与设定的阈值进行比较，若残差小于阈值，则认为开关管处于健康状态；若残差超过阈值，则认为开关管发生了开路故障。

优选的，步骤S1中，变换器数学模型如下：

（1）

其中，

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

分别是/>的直流分量；/>分别为电感电阻；为输出电压；/>是状态变量的导数；/>是状态变量；/>、/>、/>分别是开关管的开关管占空比；/>是测量变量；/>为输入电压；/>为时间变量；/>为电压变量；/> 、/> 、/>分别是开关管/>对应的状态变量。

优选的，步骤S2中，利用标称电路参数重写变换器数学模型，得到标称变换器模型，其中，标称变换器模型包括健康状态下的标称变换器模型和故障状态下的标称变换器模型；

针对健康状态下的实际功率变换器，用标称电路参数重写变换器数学模型，得到健康状态下的标称变换器模型为：

（7）

其中，

（8）

（9）

L和r分别是电路的标称电感和总电阻；为建模误差项；

根据开关管开路故障的情况，矩阵A和矩阵B会有和/>的偏离，在故障状态下用标称电路参数重写变换器数学模型，得到故障状态下的标称变换器模型为：

（10）

其中，，表示故障开关管的标号，/>为开路故障建模误差项。

优选的，步骤S3中，利用双闭环控制系统得出开关管占空比，具体操作如下：

双闭环控制系统的内环控制规律：

（11）

外环控制规律：

（12）

其中，、/>为内环的控制器参数；/>为电感电流参考值；/>为电感电流；/>、、/>为外环的控制器参数；/>为/>；/>为电压参考值36V；/>为负载电压；k为开关管标号；/>为外环控制器输出估计值；/>为外环控制器扰动估计值；/>为外环控制器增益；为电感电流参考值与电感电流之间的差值。

优选的，步骤S3中，观测器如下：

（13）

其中，是观测器状态变量，是对应/>的估计值；/>为观测器估计变量；为残差；G为增益矩阵如下：

（14）

其中，均表示增益系数。

优选的，变量n与之间的关系如下：

当n=0时，，表示变换器开关管状态无故障；

当n=1时，，表示S1故障；

当n=2时，，表示S2故障；

当n=3时，，表示S3故障；

其中，S1、S2、S3为变换器的开关管。

优选的，步骤S6中，通过分析功率变换器健康状态和故障状态下的残差，选择的阈值需要大于健康状态下的残差且小于故障状态下的残差。

因此，本发明采用上述一种直流变换器的开关管故障诊断方法，具有以下技术效果：

（1）选择主控制系统内的电感电流作为诊断变量，不增加额外的传感器；

（2）该方法对于误报警具有良好的鲁棒性，也可以更快更准确的检测出故障；

（3）故障诊断所需要的采样率和闭环控制系统的相同，可以将故障诊断直接嵌入到主控系统上。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种直流变换器的开关管故障诊断方法的流程图；

图2为三相交错升压直流变换器的拓扑结构图和控制系统结构图；其中图2中的（a）为拓扑结构图；图2中的（b）为控制系统结构图；

图3为故障诊断方法结构示意图；

图4为三相交错升压直流变换器在非理想状态下开关管S2发生故障的仿真结果图；图4中的（a）为0.5s开关管S2发生故障后输出电压的波形变化图；图4中的（b）为0.5s开关管S2发生故障后开关管S1的电感电流iL1与开关管S2的电感电流iL2的波形变化图；图4中的（c）为0.5s开关管S2发生故障后开关管S2的残差与阈值的波形对比图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例一

本实施例以用于燃料电池的三相交错升压变换器为例，参见图1，提供一种直流变换器的开关管故障诊断方法，包括以下步骤：

S5、用步骤S4得到的估计值与功率变换器的实际测量值作差，得到残差；

本实施例以三相交错升压直流变换器中的S2开关器件发生开路故障为例进行说明，在0.5s之前，三个开关管S1，S2，S3都正常运行，在0.5s之后，开关管S2发生开路故障。当三个开关管正常运行时，其变换器电路拓扑结构图如图2所示。

步骤S1中，参照图2三相交错升压直流变换器拓扑图，根据基尔霍夫电压、电流定律列出电压电流方程，并将它们整理成状态方程：

（1）

其中，

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

步骤S2中，针对健康状态下的实际功率变换器，利用变换器标称电路参数，重写三相交错升压直流变换器数学模型：

（7）

其中

（8）

（9）

其中，L和r分别是电路的标称电感和总电阻。

根据开关管开路故障的情况，矩阵A和矩阵B会有和/>的偏离，因此在故障状态下用标称电路参数重写变换器数学模型，得到故障状态下的标称变换器模型为：

（10）

利用转换器标称电路参数重写的三相交错升压直流变换器数学模型主要仿真参数如表1所示。

表1 三相直流升压变换器开关管正常工作时的仿真参数表

；

本发明采用的双闭环控制系统与本发明所提出的故障诊断的有效性无关，本发明采用了基于比例积分算法的内外环控制。

步骤S3中，根据双闭环控制系统得到功率变换器的开关管占空比，双闭环控制系统的内环控制规律如下：

（11）

外环控制规律如下：

（12）

本实施例中，；

步骤S3中，采用以下观测器数学模型来估计变换器系统的状态：

（13）

其中，是观测器状态变量，是对应/>的估计值，/>为观测器估计变量；为残差，G为增益矩阵如下：

（14）

增益矩阵G参数整定要在观测器动态响应能力和故障残差之间权衡，大的增益矩阵会导致观测器快速响应，产生小的残差，这不利于对故障的诊断，根据分析观测器动态响应和残差幅值，最终选择。

步骤S6中，阈值的选择是故障检测和诊断的关键问题。变换器在健康状态下运行时，残差要小于阈值，一旦某一个开关管发生故障，它的残差会立即增加并超过阈值，这样就可以检测出故障。阈值越小，故障检测时间越短，但是太小的阈值容易引起误报警，这就会降低诊断精度。因此，本实施例通过分析健康状态下和故障状态下变换器残差得出了合适的阈值为0.5。

考虑非理想变换器的情况。当变换器的输入电压换成100W的燃料电池，电感L=400电感电阻r _L=0.4/>，电容C=1000/>，电容电阻r _C=0.04/>，同时使用非理想开关（r _on=1/>，V _f=1V）和非理想二极管（r _on=1/>，V _f=0.8V）后，要考虑变换器的不确定性。负载电阻R=36/>时，见图4，时间在0.5s之前，变换器工作在健康状态，输出电压调节至期望电压值36V，电感电流都相等，残差低于阈值，不产生误报警。

当在0.5s时，开关管S2发生开路故障，电感电流iL2立刻减小为零，此时iL1增加，来匹配负载功率；故障相位的占空比d2增加，直至达到饱和值，健康相位占空比d1变化很小，输出电压依然保持在参考值36V。如图4中的（C），当开关故障发生后，残差e2开始增加，并且迅速超过阈值，诊断出开关故障。最终e2达到稳态值12。

因此，本发明采用上述一种直流变换器的开关管故障诊断方法，选择主控制系统内的电感电流作为诊断变量，不增加额外的传感器。仿真结果表明，该方法对于误报警具有良好的鲁棒性，也可以更快更准确的检测出故障。此外，故障诊断所需要的采样率和闭环控制系统的相同。因此，可以将故障诊断直接嵌入到主控系统上。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种直流变换器的开关管故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S6、将残差与设定的阈值进行比较，若残差小于阈值，则认为开关管处于健康状态；若残差超过阈值，则认为开关管发生了开路故障；

步骤S1中，变换器数学模型如下：

（1）

其中，

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

分别是/>的直流分量；/>分别为电感电阻；/>为输出电压；/>是状态变量的导数；/>；/>、/>、/>分别是开关管的开关管占空比；/>；/>为时间变量；/>为电压变量；/>、/>、/>分别是开关管/>对应的状态变量；

步骤S2中，利用标称电路参数重写变换器数学模型，得到标称变换器模型，其中，标称变换器模型包括健康状态下的标称变换器模型和故障状态下的标称变换器模型；

（7）

其中，

（8）

（9）

L和r分别是电路的标称电感和总电阻；为建模误差项；

（10）

其中，，表示故障开关管的标号，/>为开路故障建模误差项；

步骤S3中，利用双闭环控制系统得出开关管占空比，具体操作如下：

双闭环控制系统的内环控制规律：

（11）

外环控制规律：

（12）

其中，、/>为内环的控制器参数；/>为电感电流参考值；/>为电感电流；/>、/>、为外环的控制器参数；/>为/>；/>为电压参考值36V；/>为负载电压；k为开关管标号；/>；/>为外环控制器扰动估计值；/>为外环控制器增益；/>为电感电流参考值与电感电流之间的差值；

步骤S3中，观测器如下：

（13）

（14）

其中，均表示增益系数；

变量n与之间的关系如下：

当n=0时，=/>，表示变换器开关管状态无故障；

当n=1时，=/>，表示S1故障；

当n=2时，=/>，表示S2故障；

当n=3时，=/>，表示S3故障；

其中，S1、S2、S3为变换器的开关管。