【技术实现步骤摘要】
一种三相三电平整流器功率开关器件开路故障诊断方法
[0001]本专利技术涉及电力电子设备故障诊断
，尤其涉及一种三相三电平整流器功率开关器件开路故障诊断方法。
技术介绍
[0002]近年来，人们对通过容错控制来提高功率转换器系统的可靠性的需求和兴趣越来越大。大量半导体开关的存在增加了三电平变换器发生开关故障的概率，但同时也使其能够在故障条件下以容错模式运行。在这方面，故障诊断是采取容错控制之前不可缺少的步骤。事实上，可靠的诊断方法有利于系统的快速维护并缩短停机时间。因此，故障诊断对于提高多电平转换器的可靠性是非常必要的。一般来说，理想的故障诊断策略应该是准确、鲁棒和低成本的。
[0003]以往对故障诊断的大量研究主要集中在故障后畸变电流的分析上，对电流矢量、归一化平均电流、过零电流、参考电流误差等特性进行了深入的研究，并将其用于两电平的开关开路故障诊断中。这些方法实现简单，硬件需求低。但当这些方法应用于三电平变换器时，存在某些故障无法区分等问题，且诊断速度普遍较慢。另一种常用的故障诊断方法通过附加额外的传感器或简单的硬件等测量电路来实现故障诊断。这些方法适用于两电平变换器和三电平变换器，并在检测速度上具有优势，但是诊断成本比较高。近年来，基于模型的故障诊断方法受到了研究人员的广泛关注。这类方法诊断速度快、诊断成本低，具有较好的诊断表现，但对于三电平变换器多功率器件开路故障诊断的准确性和速度还有待提高。
[0004]因此，对三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断方法进行研究，提高诊断方法的速度...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种三相三电平整流器功率开关器件开路故障诊断方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、选择当前采样时刻k，改进归一化的相间极电压残差计算方法，得到采用量化计算法和加入直流侧电容电压不平衡因子的电压残差ΔV
xy
(k)，xy∈{ab,bc,ca}，a、b、c表示三相；S2、采用基于残差阈值V和时间阈值T的当前电压残差极性判断法，得到当前电压残差ΔV
xy
(k)的极性d
xy
(k)；S3、根据电网电压相位θ(k)划分诊断区域R(k)，并得到当前可诊断的功率开关集合P1；S4、设计开关信号集合，在后续故障注入策略中作为“故障”进行注入，即选择开关信号集合中的一组标号为G的开关信号[G
a
,G
b
,G
c
]代替原有调制模块发出的开关信号[S
a
,S
b
,S
c
]来控制整流器，实现故障特征最大化；S5、若当前无已知故障，根据当前可诊断的功率开关集合P1和电压残差极性d
xy
(k)判断当前最可能存在开路故障的桥臂F1，桥臂F1包括两个功率开关，根据使F1中的功率开关导通、使P1中除F1以外的功率开关关断的故障注入原则，设计一种故障注入策略，以减小其他未知故障对当前故障诊断的影响；S6、若当前存在已知故障，则根据已知故障所在的桥臂P2、电压残差极性d
xy
(k)和诊断区域R(k)，判断当前可能存在开路故障的桥臂F1或桥臂集合F2，桥臂集合F2包括四个功率开关，根据使F2中的功率开关导通、使P2中的功率开关关断的故障注入原则，设计一种故障注入策略，以减小已知故障对当前故障诊断的影响；S7、在故障注入期间，根据电压残差ΔV
xy
(k)计算故障指示变量D
xy
(k)，据此对故障功率开关/故障桥臂F
xj
/F进行识别和定位，x＝a,b,c，j＝1,2,3,4；S8、若步骤S7无法定位故障功率开关而只能确定故障功率开关所在的桥臂，即无法区分该桥臂中的内功率开关故障和外功率开关故障，根据使内外功率开关在相同开关信号下故障特征不同且故障特征最大化的故障注入原则，设计一种故障注入策略及基于该故障注入策略的内外功率开关故障区分方法。2.根据权利要求1所述的三相三电平整流器功率开关器件开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S1中：根据以下算式计算x相与y相之间的相间极电压残差ΔV
xy
(k)：其中，I
x
(k)和I
y
(k)分别是是整流器x相和y相交流侧电流；I为电流阈值，设计为交流侧相电流幅值最大值的2.5％；是归一化后x相与y相之间相间极电压的期望值；是归一化后x相与y相之间的相间极电压的实际值；是量化并加入直流侧电容电压不平衡因子后的相间极电压；按下式进行计算：
其中，V
dc1
(k)和V
dc2
(k)分别是整流器的直流侧上下电容电压；是x相根据开关信号计算的期望极电压。当x相四个功率开关的开关信号为[S
x1
,S
x2
,S
x3
,S
x3
]＝[1,1,0,0]时，当x相四个功率开关的开关信号为[S
x1
,S
x2
,S
x3
,S
x3
]＝[0,1,1,0]时，当x相四个功率开关的开关信号为[S
x1
,S
x2
,S
x3
,S
x3
]＝[0,0,1,1]时，同理可得y相根据开关信号计算的期望极电压同理可得y相根据开关信号计算的期望极电压按下式进行计算：其中，T
sp
是采样周期；L是整流器交流侧等效电感；E
x
(k)和E
y
(k)分别是整流器x相和y相交流侧电压；I
x
(k)和I
y
(k)分别是整流器x相和y相交流侧电流；按下式进行量化得到按下式进行量化得到其中，ε(k)为直流侧上下电容电压不平衡因子，定义为：其中，f(t)＝sgnt为符号函数；t>0时，f(t)＝1；t＝0时，f(t)＝0；t＜0时，f(t)＝
‑
1。3.根据权利要求1所述的三相三电平整流器功率开关器件开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S2中：根据以下算式判断电压残差ΔV
xy
(k)的极性d
xy
(k)：(k)：其中，V为残差阈值，取值范围(0,1)；T为时间阈值，取值为正整数。4.根据权利要求1所述的三相三电平整流器功率开关器件开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S3中：根据电网电压相位θ(k)划分诊断区域R(k)并得到当前可诊断的功率开关集合P1的方法如下所示：
当θ∈[0,π/3)时，R＝1，P1∈{A2,B1,C2}；当θ∈[π/3,2π/3)时，R＝2，P1∈{A2,B1,C1}；当θ∈[2π/3,π)时，R＝3，P1∈{A2,B2,C1}；当θ∈[π,4π/3)时，R＝4，P1∈{A1,B2,C1}；当θ∈[4π/3,5π/3)时，R＝5，P1∈{A1,B2,C2}；当θ∈[5π/3,2π)时，R＝6，P1∈{A1,B1,C2}。5.根据权利要求1所述的三相三电平整流器功率开关器件开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S4中：开关信号集合包括的开关信号[G
a
,G
b
,G
c
]与其标号G的对应关系如下所示：若G＝1，则代表无开关信号，即不进行故障注入；若G＝2，则[G
a
,G
b
,G
c
]＝[P,P,P]；若G＝3，则[G
a
,G
b
,G
c
]＝[N,N,N]；若G＝4，则[G
a
,G
b
,G
c
]＝[P,P,N]；若G＝5，则[G
a
,G
b
,G
c
]＝[N,P,P]；若G＝6，则[G
a
,G
b
,G
c
]＝[P,N,N]；若G＝7，则[G
a
,G
b
,G
c
]＝[N,N,P]；若G＝8，则[G
a
,G
b
,G
c
]＝[P,N,P]；若G＝9，则[G
a
,G
b
,G
c
]＝[N,P,N]；其中，G
x
＝P代表给定x相四个功率开关的开关信号为[G
x1
,G
x2
,G
x3
,G
x3
]＝[1,1,0,0]，G
x
＝O代表给定x相四个功率开关的开关信号为[G
x1
,G
x2
,G
x3
,G
x3
]＝[0,1,1,0]，G
x
＝N代表给定x相四个功率开关的开关信号为[G
x1
,G
x2
,G
x3
,G
x3
]＝[0,0,1,1]，x＝a,b,c。6.根据权利要求1所述的三相三电平整流器功率开关器件开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S5中设计的故障注入策略如下所示：首先，根据当前可诊断的功率开关集合P1和电压残差极性d
xy
(k)判断当前最可能存在开路故障的桥臂F1，包括两个功率开关，并选择注入的故障G的方法如下所示：当P1∈{A2,B1,C2}时：若d
ab
＝
‑
1,d
bc
＝0,d
ca
＝1，则F1＝A2和G＝7；若d
ab
＝
‑
1,d
bc
＝1,d
ca
＝0，则F1＝B1和G＝2；若d
ab
＝0,d
bc
＝1,d
ca
＝
‑
1，则F1＝C2和G＝6；当P1∈{A2,B1,C1}时：若d
ab
＝
‑
1,d
bc
＝0,d
ca
＝1，则F1＝A2和G＝3；若d
ab
＝
‑
1,d
bc
＝1,d
ca
＝0，则F1＝B1和G＝4；若d
ab
＝0,d
bc
＝
‑
1,d
ca
＝1，则F1＝C1和G＝8；当P1∈{A2,B2,C1}时：若d
ab
＝
‑
1,d
bc
＝0,d
ca
＝1，则F1＝A2和G＝9；若d
ab
＝1,d
bc
＝
‑
1,d
ca
＝0，则F1＝B2和G＝6；若d
ab
＝0,d
bc
＝
‑
1,d
ca
＝1，则F1＝C1和G＝2；当P1∈{A1,B2,C1}时：若d
ab
＝1,d
bc
＝0,d
ca
＝
‑
1，则F1＝A1和G＝4；若d
ab
＝1,d
bc
＝
‑
1,d
ca
＝0，则F1＝B2和G＝3；若d
ab
＝0,d
bc
＝
‑
1,d
ca
＝1，则F1＝C1和G＝5；当P1∈{A1,B2,C2}时：若d
ab
＝1,d
bc
＝0,d
ca
＝
‑
1，则F1＝A1和G＝2；若d
ab
＝1,d
bc
＝
‑
1,d
ca
＝0，则F1＝B2和G＝7；若d
ab
＝0,d
bc
＝1,d
ca
＝
‑
1，则F1＝C2和G＝9；当P1∈{A1,B1,C2}时：若d
ab
＝1,d
bc
＝0,d
ca
＝
‑
1，则F1＝A1和G＝8；若d
ab
＝<...
【专利技术属性】
技术研发人员：何怡刚，陈铭芸，李紫豪，刘晓宇，王枭，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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