基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断方法及系统

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子设备故障诊断技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，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：

(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

(2)根据变流器模型，通过交流侧三相电压采样信号e

(3)根据每个开关周期T

(4)根据每个开关周期内三相电流残差δi

(5)根据每个基本周期T

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。

在一些可选的实施方案中，所述步骤(2)中，开关周期T

在一些可选的实施方案中，所述步骤(2)中，每个开关周期T

在一些可选的实施方案中，所述步骤(3)中，每个开关周期T

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

在一些可选的实施方案中，所述步骤(4)中，基本周期T

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T

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T

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T

在一些可选的实施方案中，所述步骤(5)中，在三相电流残差基本周期T

基于上述步骤，本发明基本上可以在功率管开路故障发生后十个开关周期内(如1ms，当开关频率f

按照本发明的另一方面，提供了一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断系统，包括：

诊断信号获取模块，用于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

第一计算模块，用于根据变流器模型，通过交流侧三相电压采样信号e

第二计算模块，用于根据每个开关周期T

第三计算模块，用于根据每个开关周期内三相电流残差δi

故障诊断模块，用于根据每个基本周期T

按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。

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，能够取得下列有益效果：

根据变流器的模型，通过变流器控制系统中已经存在的电压采样信号以及驱动信号计算三相交流电流，通过三相电流残差、采样获得的交流电流值与通过计算获得的交流电流值的差值，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。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种三相两电平变流器(整流模式)系统的主电路、控制系统示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于模型的功率管开路故障诊断方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种发生功率管开路故障后采用本发明方法的实验结果示意图。

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。

在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1所示，典型的三相两电平变流器包含六个功率管S

本发明诊断方法的示意图如图2所示。实施例实验结果如图3所示，图3中(a)表示三相电流值。

(1)通过每个开关周期T

△i

以A相为例，展示计算结果，△i

(2)需要结合变流器模型，通过变流器交流侧三相电流采样信号i

在变流器中，由于同一相的功率管不能同时导通，因此常用三相状态S

其中，p

此外，还可以使用基本矢量V

表1

在本发明实施例中，控制系统采用双闭环控制以及七段式SVPWM调制方式，每种不同的基本矢量V

本发明实施例中使用混合逻辑动态模型计算每个开关周期T

根据基尔霍夫电压和电流定律，可知i

根据上述公式，可得到斜率

因此，可以使用基本矢量V

以A相为例，展示计算结果，△i

(3)通过上述△i

δi

以A相为例，展示计算结果，δi

(4)将当前时刻前一个基本周期T

δi

三相电流残差基本周期T

(5)根据一个基本周期T

当六个功率管均正常时，每个开关周期T

当三相电流残差基本周期T

表2

如图3中(e)，(f)，(g)所示，S

本申请还提供了一种基于模型的三相变流器功率管开路故障诊断系统，包括：

诊断信号获取模块，用于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

第一计算模块，用于根据变流器模型，通过交流侧三相电压采样信号e

第二计算模块，用于根据每个开关周期T

第三计算模块，用于根据每个开关周期内三相电流残差δi

故障诊断模块，用于根据每个基本周期T

其中，各模块的具体实施方式可以参考上述方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。