基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法及系统，属于电力电子设备故障诊断技术领域，能够在不增加额外硬件的情况下，实现对三相变流器功率管开路故障的快速、准确的诊断。本发明专利技术所述故障诊断方式只需要变流器控制系统中已经存在的采样电流电压信号以及驱动信号，具有实现简单的优点。本发明专利技术以变流器功率管开路故障后采样电流与估计电流的差值的周期累加值为诊断变量，可以快速准确的完成对故障功率管的诊断，具有较强的实用性。实用性。实用性。

【技术实现步骤摘要】
基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法及系统


[0001]本专利技术属于电力电子设备故障诊断
，更具体地，涉及一种基于模型的三相两电平变流器功率管开路故障诊断方法及系统。

技术介绍

[0002]三相变流器在微网，储能，不间断电源等应用场景中获得了广泛的研究和应用。在这些应用场景中，变流器的安全稳定运行非常重要。根据行业调查，功率管是最容易故障的元件之一。变流器功率管的开路故障将会导致电流畸变以及直流电压的波动，长时间得不到处理的情况下甚至会导致设备的停机。因此对发生了开路故障的功率管进行快速的故障诊断对于提高变流器的可靠性具有重要的意义。
[0003]目前国内外已有的针对三相变流器的故障诊断技术大致上可以分为基于电流信号的故障诊断方法，基于电压信号的故障诊断方法，基于模型的故障诊断方法以及基于人工智能的故障诊断方法。其中，基于电流信号的故障诊断根据故障后的交流侧电流波形与正常情况下电流波形(正弦波)的差异来实现故障诊断，因此此类算法通常较为简单，但是，不可避免的，受负载功率的影响较大，诊断时间通常较长；基于电压信号的故障诊断方法通过额外的硬件或电压传感器获得对功率管状态敏感的电压信号，因此诊断速度较快，但是额外的硬件增加了设计的复杂性和成本；基于人工智能的故障诊断算法基于对变流器的历史电压电流采样信号的分析，采用智能算法来实现对故障功率管的诊断，但其计算量较大，难以在变流器原有的控制系统中实现；基于模型的故障诊断方式根据模型计算电压或电流值，通过与采样获得的对应信号的比较实现对故障功率管的诊断，其计算量小于基于人工智能的故障诊断方式，且诊断速度较快，但通常需要较为准确的数学模型。
[0004]可见，在不增加额外的硬件的情况下，实现快速，准确，简单的功率管开路故障诊断仍然是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法及系统，能够在不增加额外硬件的情况下，实现对三相变流器功率管开路故障的快速、准确的诊断。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法，包括：
[0007](1)从变流器控制系统中获取用于诊断的相关信号，其中，该相关信号包括：变流器交流侧三相电流采样信号i
X
[k]，交流侧三相电压采样信号e
X
[k]，其中下标X(＝A,B或C)代表所在的相序，k代表采样时刻，直流侧电压采样信号U
dc
[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]‑
s6[k]；
[0008](2)根据变流器模型，通过交流侧三相电压采样信号e
X
[k]，直流侧电压采样信号U
dc
[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]‑
s6[k]计算每一个开关周期T
s
内三相电流的估
计变化值
△
i
EX
[k]；
[0009](3)根据每个开关周期T
s
内三相电流采样值的变化值
△
i
X
[k]与估算的三相电流值的变化值
△
i
EX
[k]，计算每个开关周期内三相电流残差δi
X
[k]；
[0010](4)根据每个开关周期内三相电流残差δi
X
[k]计算三相电流残差在一个基本周期T0内的累加值δi
TX
[k]；
[0011](5)根据每个基本周期T0内三相电流残差的累加值δi
TX
[k]与阈值Th的比较，判定发生开路故障的功率管。
[0012]在一些可选的实施方案中，所述步骤(2)中，变流器模型是指通过基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律结合变流器的拓扑所推导的数学模型。
[0013]在一些可选的实施方案中，所述步骤(2)中，开关周期T
s
是开关频率f
s
的倒数，开关频率f
s
则是指每秒内功率管的开关次数。
[0014]在一些可选的实施方案中，所述步骤(2)中，每个开关周期T
s
内三相电流的估计变化值
△
i
EX
[k]可以根据变流器模型通过多种形式实现，比如状态观测器和混合逻辑动态模型计算等。
[0015]在一些可选的实施方案中，所述步骤(3)中，每个开关周期T
s
内三相电流采样值的变化值
△
i
X
[k]是指每一个开关周期开始与结束时对应的三相电流采样值i
X
[k]的差值，即：
△
i
X
[k]＝i
X
[k]‑
i
X
[k
‑
1]。
[0016]在一些可选的实施方案中，所述步骤(3)中，计算每个开关周期内三相电流残差δi
X
[k]是指每个开关周期T
s
内三相电流采样值的变化值
△
i
X
[k]与每个开关周期T
s
内三相电流的估计变化值
△
i
EX
[k]的差值，即：δi
X
[k]＝
△
i
X
[k]‑△
i
EX
[k]。
[0017]在一些可选的实施方案中，所述步骤(4)中，基本周期T0是指三相电压频率f0的倒数，国内三相电压频率f0为50Hz。
[0018]在一些可选的实施方案中，所述步骤(4)中，三相电流残差基本周期T0内累加值δi
TX
[k]是当前时刻前一个基本周期T0内所有的开关周期内三相电流残差δi
X
[k]的和，即：δi
TX
[k]＝δi
X
[k
‑
T0/T
s
+1]+δi
X
[k
‑
T0/T
s
+2]+
…
+δi
X
[k
‑
1]+δi
X
[k]。
[0019]在一些可选的实施方案中，所述步骤(5)中，阈值Th是指为了防止误诊断而设置的门槛值，即当三相电流残差基本周期T0内累加值δi
TX
[k]超过该门槛值后，判定发生功率管开路故障，该阈值需要结合对诊断速度和可靠性的需求进行选择。
[0020]在一些可选的实施方案中，所述步骤(5)中，对于不同的功率管故障，三相电流残差基本周期T0内累加值δi
TX
[k]是不同的，进而能够通过δi
TX
[k]定位故障的功率管。
[0021]在一些可选的实施方案中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法，其特征在于，包括：(1)从变流器控制系统中获取用于诊断的相关信号，其中，所述相关信号包括：变流器交流侧三相电流采样信号i
X
[k]，交流侧三相电压采样信号e
X
[k]，直流侧电压采样信号U
dc
[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]
‑
s6[k]，下标X＝A,B或C，代表所在的相序，k代表采样时刻；(2)根据变流器模型，通过交流侧三相电压采样信号e
X
[k]，直流侧电压采样信号U
dc
[k]，以及控制系统输出的驱动信号s1[k]
‑
s6[k]计算每一个开关周期T
s
内三相电流的估计变化值
△
i
EX
[k]；(3)根据每个开关周期T
s
内三相电流采样值的变化值
△
i
X
[k]与计算的三相电流估计变化值
△
i
EX
[k]，计算每个开关周期内三相电流残差δi
X
[k]；(4)根据每个开关周期内三相电流残差δi
X
[k]计算三相电流残差在该开关周期前一个基本周期T0内的累加值δi
TX
[k]；(5)根据一个基本周期T0内三相电流残差的累加值δi
TX
[k]与阈值Th的比较，判定发生开路故障的功率管。2.根据权利要求1所述的功率管开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(2)中的变流器模型是指通过基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律结合变流器的拓扑所推导的数学模型。3.根据权利要求2所述的功率管开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(2)中开关周期T
s
是开关频率f
s
的倒数，每个开关周期T
s
内三相电流的估计变化值
△
i
EX
[k]根据变流器模型通过包括状态观测器和混合逻辑动态模型实现。4.根据权利要求1至3任意一项所述的功率管开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(3)中，由
△
i
X
[k]＝i
X
[k]
‑
i
X
[k
‑
1]计算每个开关周期T
s
内三相电流采样值的变化值
△
i
X
[k]，其表示每一个开关周期开始与结束时对应的三相电流采样值i
X
[k]的差值。5.根据权利要求4所述的功率管开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(4)中基本周期T0是指三相电压频率f0的倒数，由δi
TX
[k]＝δi
X
[k
‑
T0/T
s
+1]+δi

【专利技术属性】
技术研发人员：何怡刚，隋春松，张慧，杜博伦，曾昭瑢，陈铭芸，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：