单相三电平整流器多故障诊断方法技术

本发明专利技术提供了一种单相三电平整流器多故障诊断方法，属于电力故障诊断领域。本方法包括以下步骤：建立混合逻辑动态模型、建立包含执行器故障和两个电压传感故障系统的状态空间表达式、进行状态增广变换构建新系统、进行一次坐标变换、进行矩阵变换、进行二次坐标变换、计算降阶系统状态量、设计自适应降阶滑模观测器、给定自适应诊断阈值进行多故障诊断。本发明专利技术提出的降阶滑模观测器不需要系统提供十分精确的动力学模型只需要利用轨迹的跟踪误差合理设计滑模面即可，且可以自适应切换趋近率，从而加快了趋近速度并且减小了滑模运动的抖振，提高了诊断的准确性，且本方法可以同时诊断3个不同的故障。时诊断3个不同的故障。时诊断3个不同的故障。

【技术实现步骤摘要】
单相三电平整流器多故障诊断方法


[0001]本专利技术涉及电力故障诊断领域，尤其涉及单相三电平整流器多故障诊断方法，所述多故障诊断包括单相三电平整流器的执行器故障诊断和多电压传感器微弱故障诊断。

技术介绍

[0002]在电力牵引传动系统中，单相三电平整流器发挥着越来越重要的作用，其中单相三电平整流器是高速列车牵引传动系统的核心组成部件之一。针对单相三电平整流器，一方面，其输出端有两个电压传感器，高速列车长时间运行及外部环境的干扰会导致电压传感器的老化及损坏，从而导致传感器测量反馈数据异常，造成严重的人员伤亡与财产损失；另一方面，单相三电平整流器还会同时发生执行器故障，在实际交通运输过程中产生的执行器故障会导致高速列车牵引传动系统功能异常，造成严重交通事故，同时也会大大增加故障诊断的难度。
[0003]针对单相三电平整流器的电压传感器故障及执行器故障的诊断方法主要有以下两种诊断方法：
[0004]1、基于数据驱动的方法，该方法通过采集故障数据信息，并对数据信息进行分析与处理，从而实现相应的故障诊断；相应的论文及专利如《A data本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单相三电平整流器多故障诊断方法，该方法所涉及的电路拓扑结构包括网侧电压源U
s
、网侧等效电感L
s
和网侧等效电阻R
s
、整流桥、两个相同的支撑电容C
d1
，C
d1
、直流侧负载和两个相同的电压传感器；支撑电容C
d1
和支撑电容C
d2
串联后并联在直流侧负载的直流正母线P和直流负母线Q1之间，支撑电容C
d1
和支撑电容C
d2
的接点记为直流母线中点O；将两个相同的电压传感器分别记为电压传感器1和电压传感器2，电压传感器1接在支撑电容C
d1
的两端，电压传感器2接在支撑电容C
d2
的两端；所述整流桥分为两相桥臂，两相桥臂均与直流侧负载并联；将两相桥臂记为桥臂k，k为桥序，k＝a，b；在两相桥臂中，每相桥臂包括4个带反连二极管的开关管、两个钳位二极管，即整流桥共包含8个带反连二极管的开关管和4个钳位二极管，该8个开关管构成单相三电平整流器的执行器；将8个开关管记为开关管V
kγ
，γ表示开关管的序号，γ＝1，2，3，4，将4个钳位二极管记为钳位二极管D
ckρ
，ρ为钳位二极管的序号，ρ＝1，2；在两相桥臂的每相桥臂中，开关管V
k1
、开关管V
k2
、开关管V
k3
、开关管V
k4
依次串联，其中，开关管V
k2
和开关管V
k3
的连接点记为整流桥输入点τ
k
，k＝a，b；在两相桥臂的每相桥臂中，钳位二极管D
ck1
的阴极接在开关管V
k1
和开关管V
k2
之间，钳位二极管D
ck1
的阳极接钳位二极管D
ck2
的阴极，钳位二极管D
ck2
的阳极接在开关管V
k3
和开关管V
k4
之间，且钳位二极管D
ck1
和钳位二极管D
ck2
的连接点与直流母线中点O相接；所述网侧等效电感L
s
的一端接整流桥输入点τ
a
，另一端依次与网侧等效电阻R
s
、网侧电压源U
s
串联，网侧电压源的另一端接整流桥输入点τ
b
；其特征在于，所述多故障诊断方法包括单相三电平整流器的执行器故障诊断和多电压传感器微弱故障诊断，具体的，包含以下步骤：步骤1，建立单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，并计算整流桥输入端相电压U
ab
的估计值采样网侧电流，并将该网侧电流记为网侧电流i
s
，采样支撑电容C
d1
和支撑电容C
d2
的直流电压并记为直流电压u1，u2，采样直流侧电压U
dc
；建立单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，并计算整流桥输入端相电压U
ab
的估计值所述整流桥输入端相电压U
ab
为整流桥输入点τ
a
和整流桥输入点τ
b
之间的电压；所述单相三电平整流器的混合逻辑动态模型的表达式为：所述单相三电平整流器的混合逻辑动态模型的表达式为：其中，为a相极电压的估计值，为b相极电压的估计值，T
h
为直流电压u1的混合逻辑动态函数，T
l
为直流电压u2的混合逻辑动态函数；所述整流桥输入端相电压U
ab
的估计值的表达式为：步骤2，建立含有多故障的单相三电平整流器系统状态空间表达式，记为多故障系统1，其表达式为：
其中，x(t)为多故障系统1的状态变量，记为一次状态变量x(t)，x(t)为n1维状态变量，记为t为时间变量，为一次状态变量x(t)的一阶导数，其中为网侧电流i
s
的导数，分别为直流电压u1，u2的导数；u(t)为多故障系统1的输入量，记为一次系统输入u(t)，u(t)＝u
s
，u(t)为n2维状态变量，记为f
a
(t)为多故障系统1的执行器故障，记为执行器故障f
a
(t)，f
a
(t)为n3维状态变量，记为η(t)为多故障系统1的谐波扰动量，记为谐波扰动η(t)，η(t)为n4维状态变量，记为y(t)为多故障系统1的输出，记为系统输出y(t)，y(t)为n5维状态变量，记为f
s
(t)为多故障系统1的电压传感器故障，记为系统电压传感器故障f
s
(t)，f
s
(t)为n6维状态变量，记为其中为电压传感器1故障，记为电压传感器1故障f
u1
(t)，f
u1
(t)为n7维状态变量，记为f
u2
(t)为电压传感器2故障，记为电压传感器2故障f
u2
(t)，f
u2
(t)为n8维状态变量，记为A1为多故障系统1的状态矩阵，记为一次状态矩阵A1，其中L为网侧等效电感L
s
的电感值，R为网侧等效电阻R
s
的电阻值，C1，C2分别为支撑电容C
d1
、支撑电容C
d2
的电容值；B1为多故障系统1的输入矩阵，记为一次输入矩阵B1，G1为执行器故障f
a
(t)的系数矩阵，记为一次执行器故障系数矩阵，N1为谐波扰动η(t)的系数矩阵，记为一次扰动系数矩阵N1，C
y1
为多故障系统1的输出矩阵，记为
一次输出矩阵一次输出矩阵F1为系统电压传感器故障f
s
(t)的系数矩阵，记为一次电压传感器故障系数矩阵F1，系统电压传感器故障f
s
(t)、执行器故障f
a
(t)和谐波扰动η(t)都是满足关于时间变量t的连续且有界函数，记为||f
s
(t)||≤r
s
，||f
a
(t)||≤r
a
，||η(t)||≤r
η
，其中||f
s
(t)||为f
s
(t)的范数，||f
a
(t)||为f
a
(t)的范数，||η(t)||为η(t)的范数，r
s
为系统电压传感器故障f
s
(t)的上确界，r
a
为执行器故障f
a
(t)的上确界，r
η
为谐波扰动η(t)的上确界，且r
s
、r
a
与r
η
均为正常数，记为r
s
＞0，r
a
＞0，r
η
＞0；步骤3，对多故障系统1引入系统状态变量增广变换，并定义以下增广矩阵和向量，其表达式为：达式为：达式为：则可得多故障系统1经系统状态变量增广变换之后的新系统，将该新系统记为多故障系统2，其状态空间表达式为：其中，z1(t)为多故障系统2的状态变量，记为二次状态变量z1(t)，z1(t)为n1+n3+n6维空间向量，记为间向量，记为为二次状态变量z1(t)的导数，其中是电压传感器1故障f
u1
(t)的导数，为电压传感器2故障的导数；f1(t)为多故障系统2的故障变量，记为系统故障量f1(t)；E1为二次状态变量导数的系数矩阵，记为一次导数系数矩阵E1，在
的表达式中，表示n1维单位矩阵，表示n3维单位矩阵；A2为多故障系统2的状态矩阵，记为二次状态矩阵A2；B2为多故障系统2的输入矩阵，记为二次输入矩阵B2；F2为系统故障量f1(t)的系数矩阵，记为二次故障系数矩阵F2，在的表达式中，表示n7维单位矩阵，表示n8维单位矩阵；N2为谐波扰动η(t)在多故障系统2中的系数矩阵，记为二次扰动系数矩阵N2；为多故障系统2的输出矩阵记为二次输出矩阵步骤4，对多故障系统2进行一次坐标变换步骤4.1，将二次输出矩阵进行转置，记经转置后的输出矩阵为把进行矩阵分解成一个正交阵与一个上三角阵乘积的形式，则记为U是正交矩阵，Q是上三角矩阵；再令P＝U
T
，J＝Q
T
，U
T
是正交矩阵U的转置矩阵，Q
T
是上三角矩阵Q的转置矩阵，则可得其中P满足P
T
＝P
‑1，P
T
是矩阵P的转置矩阵，P
‑1是矩阵P的逆矩阵，记P为一次坐标变换矩阵；步骤4.2，引入坐标变换z2(t)＝Pz1(t)，则经过坐标变换可将多故障系统2转变为新系统，记该新系统为多故障系统3，其状态空间表达式为：其中，z2(t)为多故障系统3的状态变量，记为三次状态变量z2(t)；为三次状态变量z2(t)的导数；E2为三次状态变量导数的系数矩阵，记为二次导数系数矩阵E2，E2＝E1P
T
；A3为多故障系统3的状态矩阵，记为三次状态矩阵A3，A3＝A2P
T
；B3为多故障系统3的输入矩阵，记为三次输入矩阵B3；F3为多故障系统3的故障f1(t)的系数矩阵，记为三次故障系数矩阵F3；N3为多故障系统3的谐波扰动η(t)的系数矩阵，记为三次扰动系数矩阵N3；J为多故障系统3的输出矩阵，记为三次输出矩阵J，将J表示为分块矩阵，即J＝(J1，0)，其中J1为J的左分块子矩阵，J1属于n5维空间，记为且J1为非奇异矩阵；步骤5，对多故障系统3进行矩阵变换步骤5.1，将二次导数系数矩阵E2转变为分块矩阵，即E2＝(E
21 E
22
)，其中E
21
为二次导数系数矩阵E2的左分块子矩阵，E
21
为(n1+n3+n6)
×
n5维空间，记为E
22
为二次导数系数矩阵E2的右分块子矩阵，E
22
为(n1+n3+n6)
×
(n1+n3+n6‑
n5)维空间，记为
再设计变换矩阵Ξ，记为矩阵变换阵Ξ，其中Ξ
11
为变换矩阵Ξ的上分块子矩阵，Ξ
11
为n5×
(n1+n3+n6)维空间，记为Ξ
21
为变换矩阵Ξ的下分块子矩阵，Ξ
21
属于(n1+n3+n6‑
n5)
×
(n1+n3+n6)维空间，记为且Ξ

【专利技术属性】
技术研发人员：许水清，王健，黄文展，戴浩松，陶松兵，何怡刚，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：