[發明專利]一種NPC三電平逆變器復合開路故障診斷方法

有效

• 申請號: 202110364952.1
• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN113075585B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 許水清;黃文展;王巨興;程庭莉;何啟航;陶松兵
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01R31/54
• 分類號: G01R31/54
• 代理公司: 合肥和瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

1.一種NPC三電平逆變器復合開路故障診斷方法，該方法涉及的NPC三電平逆變器的拓撲結構包括直流電源、兩個相同的支撐電容、主逆變電路、三個相同的電感和三個相同的電阻；所述直流電源的直流電壓記為U_dc，所述兩個支撐電容分別記為支撐電容C1和支撐電容C2，支撐電容C1和支撐電容C2串聯后并聯在直流電源的直流正母線P和直流負母線Q之間；

所述主逆變電路分為三相橋臂，三相橋臂均與直流電源并聯，將三相橋臂記為k相橋臂，k表示相序，k＝a，b，c；在三相橋臂中，每相橋臂由四個開關管串聯組成，即主逆變電路共包含12個開關管，將12個開關管記為V_kб，б表示開關管的序號，б＝1，2，3，4；在三相橋臂的每相橋臂中，開關管V_k1、開關管V_k2、開關管V_k3、開關管V_k4依次串聯，開關管V_k2和開關管V_k3的連接點記為主逆變電路的輸出點ψ_k，k＝a，b，c；

將所述三個相同的電感記為電感L_k、所述三個相同的電阻記為R_k，k＝a，b，c，所述電感L_k的一端與主逆變電路的輸出點ψ_k相連，另一端與電阻R_k相連，電阻R_k的另一端接地；

其特征在于，所述NPC三電平逆變器復合開路故障診斷方法包括以下步驟：

步驟1，將NPC三電平逆變器記為逆變器，建立逆變器的混合邏輯動態模型，并計算k相相電壓U_k的估計值

NPC三電平逆變器的混合邏輯動態模型的表達式為：

其中，為k相端電壓的估計值，S_k為k相橋臂的開關函數，k＝a，b，c；

k相相電壓U_k的估計值的表達式為：

步驟2，采樣逆變器的三相輸出電流i_a，i_b，i_c，經過坐標變換得到兩相靜止坐標系下的兩相輸出電流αβ分量i_α，i_β，建立逆變器在兩相靜止坐標系下的電流狀態方程，其表達式為：

其中，為兩相輸出電流αβ分量i_α，i_β的導數，R為電阻R_a的電阻值，L為電感L_a的電感值，S_a為a相橋臂的開關函數，S_b為b相橋臂的開關函數，S_c為c相橋臂的開關函數，D為系數矩陣1，F為逆變器的微小擾動信號；

步驟3，搭建新型自適應滑模觀測器，表達式為：

其中，

為兩相輸出電流αβ分量i_α，i_β的估計值，為兩相輸出電流αβ分量i_α，i_β的估計值的導數；為新型自適應滑模觀測器的輸出；

A為系數矩陣2，B為系數矩陣3，C為系數矩陣4，K為可調參數1，且K＞0；ζ為可調參數2，且ζ∈(0，1)，arctan()為反正切函數，sign()為符號函數，s為滑模面，且

步驟4，先根據新型自適應滑模觀測器的輸出來計算三相輸出電流估計值其表達式為：

再將步驟2采樣得到的三相輸出電流i_a，i_b，i_c記為一次三相輸出電流i_k，并定義一次殘差r_k，

步驟5，給定一次故障診斷自適應閾值T_thk，k＝a，b，c；

步驟6，對逆變器開關管開路故障進行第一次診斷，具體步驟如下：

步驟6.1，分別計算a相一次殘差絕對值|r_a|、b相一次殘差絕對值|r_b|、c相一次殘差絕對值|r_c|，然后在|r_a|，|r_b|，|r_c|中取最大值，將該最大值對應的相記為g相，g相對應的橋臂記為g相橋臂，g相對應的一次故障診斷自適應閾值記為g相一次故障診斷自適應閾值T_thg，并將該最大值對應的一次殘差記為g相一次殘差r_g；

比較g相一次殘差r_g的絕對值|r_g|和g相一次故障診斷自適應閾值T_thg，并進行以下判斷：

若|r_g|≤T_thg，則NPC三電平逆變器正常工作，故障診斷結束；

若|r_g|＞T_thg，則進入步驟6.2；

步驟6.2，定義一次故障檢測特征量f_g和一次故障定位特征量w_g，f_g＝sign(r_g)，w_g＝sign(|i_g|-T_thg)，其中，i_g為g相輸出電流；

按以下條件進行單管故障定位：

當f_g＝1，w_g＝1，則開關管V_g1發生開路故障；

當f_g＝1，w_g＝-1，則開關管V_g2發生開路故障；

當f_g＝-1，w_g＝-1，則開關管V_g3發生開路故障；

當f_g＝-1，w_g＝1，則開關管V_g4發生開路故障；

將發生故障的開關管記為故障開關管V_gj，j為故障開關管在g相橋臂中的序號，即j或為1、或為2，或為3，或為4；

步驟7，建立第一次故障診斷后的逆變器混合邏輯動態模型，計算第一次故障診斷后的k相相電壓U_kx的估計值并通過計算得到第一次故障診斷后的三相輸出電流估計值

步驟7.1，建立第一次故障診斷后的逆變器混合邏輯動態模型，其表達式為：

其中，為第一次故障診斷后的k相端電壓的估計值，S_kx為第一次故障診斷后的k相橋臂開關函數，k＝a，b，c；

第一次故障診斷后的k相相電壓U_kx的估計值的表達式為：

步驟7.2，先進行第二次采樣得到第一次診斷后的逆變器的三相輸出電流i_ax，i_bx，i_cx，再經過坐標變換得到第一次診斷后的兩相靜止坐標系下的兩相輸出電流αβ分量i_αx，i_βx；

步驟7.3，將第一次故障診斷后的k相橋臂開關函數S_kx代入步驟3所述新型自適應滑模觀測器，該新型自適應滑模觀測器的輸出記為第一次故障診斷后的輸出再根據第一次故障診斷后的輸出計算出第一次故障診斷后的三相輸出電流估計值其表達式為：

將步驟7.2采樣得到的第一次診斷后的逆變器的三相輸出電流i_ax，i_bx，i_cx記為二次三相輸出電流i_kx，并定義二次殘差r_kx，

步驟8，給定二次故障診斷自適應閾值T_thkx，k＝a，b，c；

步驟9，對逆變器開關管開路故障進行第二次診斷，具體步驟如下：

步驟9.1，分別計算a相二次殘差絕對值|r_ax|、b相二次殘差絕對值|r_bx|、c相二次殘差絕對值|r_cx|，然后在|r_ax|，|r_bx|，|r_cx|中取最大值，將該最大值對應的相記為gx相，gx相對應的橋臂記為gx相橋臂，gx相對應的二次故障診斷自適應閾值記為gx相二次故障診斷自適應閾值T_thgx，并將該最大值對應的二次殘差記為gx相二次殘差r_gx；

比較二次殘差r_gx的絕對值|r_gx|和gx相二次故障診斷自適應閾值T_thgx，進行如下判斷：

若|r_gx|≤T_thgx，開關管V_gj發生故障，第二次故障診斷結束；

若|r_gx|＞T_thgx，發生多管故障，進入步驟9.2；

步驟9.2，定義二次故障檢測特征量f_gx和二次故障定位特征量w_gx，f_gx＝sign(r_gx)，w_gx＝sign(|i_gx|-T_thgx)，其中，i_gx為gx相輸出電流；

按以下條件進行多管故障定位：

當f_gx＝1，w_gx＝1，則V_gj、V_gx1發生開路故障，其中，j＝1時，gx≠g；

當f_gx＝1，w_gx＝-1，則V_gj、V_gx2發生開路故障，其中，j＝2時，gx≠g；

當f_gx＝-1，w_gx＝-1，則V_gj、V_gx3發生開路故障，其中，j＝3時，gx≠g；

當f_gx＝-1，w_gx＝1，則V_gj、V_gx4發生開路故障，其中，j＝4時，gx≠g。