一种基于电流检测的单相级联H桥整流器的故障诊断方法

一种基于电流检测的单相级联h桥整流器的故障诊断方法
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于电流检测的单相级联h桥整流器的故障诊断方法。


背景技术：

2.传统的工频变压器因具有体积大、效率低等缺点，而严重影响了列车速度的提升与功率的提升。电力电子变压器(power electronic transformer,pet)因具有的高功率密度、智能化控制等优势而逐渐成为工程应用的热点和趋势。级联h桥整流器(cascaded h-bridge rectifier,chbr)在pet中常作为前端的整流模块，chbr的正常运行对于pet的后端部分至关重要，若是chbr的直流侧电压不平衡，易影响到系统的稳定工作。
3.以pet在牵引供电系统的运行为例，pet的运行环境较为复杂，故障率较高，而单相chbr中含有大量的功率开关器件，这些功率开关器件极容易发生短路故障及开路故障，其中，短路故障在工程应用中已经能通过硬件方式快速的实现诊断，使得系统在发生短路故障后能够迅速的进行短路保护。单相chbr中功率开关器件的开路故障不会使得系统立刻进行保护，但其会使得其它器件承受过电压从而使得系统进行二次损坏。目前对于单相chbr的开路故障诊断方法较少，且chbr中的开路故障情况复杂，难以定位到损坏的开关器件。因此，在少添加传感器的基础上，常通过分析开关器件的故障特征，来实现单相级联h桥整流器的故障诊。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种基于电流检测的单相级联h桥整流器的故障诊断方法，能够在整流器运行情况下实时监测开关管是否发生故障，在发生故障时能够定位到故障的开关管。该控制算法能够进行单相级联h桥整流器实时的故障诊断，故障诊断方法计算简单，具有高效性与可靠性，具体技术方案如下：
5.一种基于电流检测的单相级联h桥整流器的故障诊断方法，包括以下步骤：
6.步骤s1，对单相级联h桥整流器进行实时的故障监测，在固定的采样周期内对单相级联h桥整流器的网侧电流进行实时采样，得到单相级联h桥整流器网侧电流实测值；所述单相级联h桥整流器包括若干个h桥；所述单相级联h桥整流器中第i个h桥分为两个桥臂，左侧桥臂定义为a桥臂，右侧桥臂定义为b桥臂；其中vt
i1
为a桥臂上方的开关管，vd
i1
为其反向并联二极管；vt
i2
为a桥臂下方的开关管，vd
i2
为其反向并联二极管；vt
i3
为b桥臂上方的开关管，vd
i3
为其反向并联二极管；其中vt
i4
为b桥臂下方的开关管，vd
i4
为其反向并联二极管；
7.步骤s2，计算无故障情况下单相级联h桥整流器网侧电流，得到单相级联h桥整流器网侧电流计算值；
8.步骤s3，采用单相级联h桥整流器网侧电流实测值减去单相级联h桥整流器网侧电流计算值得到单相级联h桥整流器网侧电流误差；
9.步骤s4，根据单相级联h桥整流器网侧电流误差建立单相级联h桥整流器故障诊断
模型；
10.步骤s5，计算单相级联h桥整流器故障诊断模型的值，并将其绝对值与设置的阈值th进行比较，
11.若单相级联h桥整流器故障诊断模型的值的绝对值小于等于设置阈值，则表征单相级联h桥整流器没有发生故障，则返回步骤s1；反之，若单相级联h桥整流器故障诊断模型的值的绝对值大于设置阈值，则表征单相级联h桥整流器发生故障，则转入步骤s6；
12.步骤s6，根据单相级联h桥整流器故障诊断模型建立单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型，判断单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型的值的正负情况，若单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型的值为正，表征单相级联h桥整流器第i个h桥发生a类故障；若单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型的值为负，表征单相级联h桥整流器第i个h桥发生b类故障；其中，a类故障为第i个h桥的开关管vt
i1
或开关管vt
i4
故障，b类故障为第i个h桥的开关管vt
i2
或开关管vt
i3
发生故障；
13.步骤s7，建立开关管的故障诊断函数，根据故障的种类对相应开关管进行检测，当相应开关管的故障诊断函数值为0时，则表征该开关管未发生故障，当相应开关管的故障诊断函数值为1时，则表征该开关管发生故障，如此确定了发生故障的开关管。
14.优选地，所述步骤s2中单相级联h桥整流器网侧电流的计算方式如下：
15.根据单相级联h桥整流器模型将单相级联h桥整流器网侧电压表达为：
[0016][0017]uaibi
＝k
ivdci
；
[0018]
其中，us为单相级联h桥整流器网侧电压；l为单相级联h桥整流器网侧电感值；in为单相级联h桥整流器网侧电流；u
aibi
为单相级联h桥整流器第i个h桥的输出电压；
[0019]vdci
为单相级联h桥整流器第i个h桥的输出电压值；ki为单相级联h桥整流器第i个h桥理想的开关函数；
[0020]
经过积分可以求出单相级联h桥整流器网侧电流in表达式为：
[0021][0022]
其中，em为交流电源幅值；ω为交流电源角频率。
[0023]
优选地，所述单相级联h桥整流器第i个h桥理想的开关函数ki的计算方式如下：ki＝h
ai-h
bi
；
[0024]
其中，h
ai
为单相级联h桥整流器第i个h桥a桥臂的开关函数；h
bi
为单相级联h桥整流器第i个h桥b桥臂的开关函数。
[0025]
优选地，所述单相级联h桥整流器第i个h桥a桥臂的开关函数h
ai
是根据单相级联h桥整流器第i个h桥a桥臂的导通情况建立，具体如下：
[0026][0027]
所述单相级联h桥整流器第i个h桥b桥臂的开关函数h
bi
是根据单相级联h桥整流器第i个h桥b桥臂的导通情况建立，具体如下：
[0028][0029]
优选地，根据单相级联h桥整流器第i个h桥的导通情况，采用开关管的导通信号及电流流向表达开关函数逻辑表达式如下：
[0030][0031]
其中，s
i1
为开关管vt
i1
的控制信号，控制信号s
i1
为1时vt
i1
开关管导通，控制信号s
i1
为0时开关管vt
i1
关断；
[0032]si2
为开关管vt
i2
的控制信号，控制信号s
i2
为1时vt
i2
开关管导通，控制信号s
i2
为0时开关管vt
i2
关断；表示控制信号s
i2
取非；
[0033]si3
为开关管vt
i3
的控制信号，控制信号s
i3
为1时vt
i3
开关管导通，控制信号s
i3
为0时开关管vt
i3
关断；
[0034]si4
为开关管vt
i4
的控制信号，控制信号s
i4
为1时vt
i4
开关管导通，控制信号s
i4
为0时开关管vt
i4
关断；表示控制信号s
i4
取非；
[0035]
ξ表示单相级联h桥整流器网侧电流实测值is的电流方向，定义如下：
[0036][0037]
其中，表示ξ取非。
[0038]
优选地，所述步骤s3中计算值单相级联h桥整流器网侧电流误差具体为：
[0039]
根据步骤s2中单相级联h桥整流器网侧电流in的表达式将单相级联h桥整流器网侧电流实测值表达为：
[0040][0041]
其中，is为单相级联h桥整流器网侧电流实测值；ki'为单相级联h桥整流器第i个h桥实际的开关函数，由单相级联h桥整流器第i个h桥内各开关管实际导通情况决定；
[0042]
单相级联h桥整流器网侧电流误差的计算方式具体为：
[0043][0044]
其中，为单相级联h桥整流器网侧电流误差；
[0045]
优选地，所述根据单相级联h桥整流器网侧电流误差建立单相级联h桥整流器故障诊断模型具体为：
[0046]
对单相级联h桥整流器网侧电流误差进行微分，得到根据电流检测的单相级联h桥整流器故障诊断模型，具体如下：
[0047][0048]
优选地，所述步骤s6中根据单相级联h桥整流器故障诊断模型建立单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型具体为：
[0049]
在单相级联h桥整流器的开关管无故障的情况下，单相级联h桥整流器第i个h桥实际的开关函数ki与单相级联h桥整流器第i个h桥理想的开关函数ki'恒相等，单相级联h桥整流器故障诊断模型等于0；
[0050]
在单相级联h桥整流器的开关管发生故障的情况下，单相级联h桥整流器第i个h桥实际的开关函数ki与单相级联h桥整流器第i个h桥理想的开关函数ki'不相等，则单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型为：
[0051][0052]
根据单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型的值的正负情况依次判断每个h桥是否发生故障。
[0053]
优选地，所述步骤s7中开关管的故障诊断函数具体为：
[0054][0055][0056][0057][0058]
本发明的有益效果为：本发明能够在整流器运行情况下实时监测开关管是否发生故障；在发生故障时能够定位到故障的开关管；本发明的计算方法简单，具有高效性与可靠性；实现难度低，无需增加额外硬件。
附图说明
[0059]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0060]
图1为本发明的流程示意图；
[0061]
图2为本发明中单相级联h桥整流器的基本电路拓扑图；
[0062]
图3为单相级联h桥整流器在正常运行下的电流电压关系图；
[0063]
图4为在a类故障下故障诊断关键波形图；
[0064]
图5为在b类故障下故障诊断关键波形图。
具体实施方式
[0065]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0066]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0067]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0068]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0069]
如图1所示，本发明的具体实施方式提供了一种基于电流检测的单相级联h桥整流器的故障诊断方法，包括以下步骤：
[0070]
步骤s1，对单相级联h桥整流器进行实时的故障监测，在固定的采样周期内对单相级联h桥整流器的网侧电流进行实时采样，得到单相级联h桥整流器网侧电流实测值；如图2所示，单相级联h桥整流器包括若干个h桥；所述单相级联h桥整流器中第i个h桥分为两个桥臂，左侧桥臂定义为a桥臂，右侧桥臂定义为b桥臂；其中vt
i1
为a桥臂上方的开关管，vd
i1
为其反向并联二极管；vt
i2
为a桥臂下方的开关管，vd
i2
为其反向并联二极管；vt
i3
为b桥臂上方的开关管，vd
i3
为其反向并联二极管；其中vt
i4
为b桥臂下方的开关管，vd
i4
为其反向并联二极管；其中，s
i1
为开关管vt
i1
的控制信号，控制信号s
i1
为1时vt
i1
开关管导通，控制信号s
i1
为0时开关管vt
i1
关断；s
i2
为开关管vt
i2
的控制信号，控制信号s
i2
为1时vt
i2
开关管导通，控制信号s
i2
为0时开关管vt
i2
关断；s
i3
为开关管vt
i3
的控制信号，控制信号s
i3
为1时vt
i3
开关管导通，控制信号s
i3
为0时开关管vt
i3
关断；s
i4
为开关管vt
i4
的控制信号，控制信号s
i4
为1时vt
i4
开关管导通，控制信号s
i4
为0时开关管vt
i4
关断。
[0071]
步骤s2，计算无故障情况下单相级联h桥整流器网侧电流，得到单相级联h桥整流器网侧电流计算值。根据图1的拓扑模型可以建立单相级联h桥整流器网侧电压的表达式，为了方便高效的诊断故障，在进行电压表达时对单相级联h桥整流器的网侧电阻进行了忽略，此步骤避免了大量的迭代计算过程，提高了故障诊断的速度。根据单相级联h桥整流器模型及所推导出的端口电平表达式，单相级联h桥整流器网侧电流的计算方式如下：
[0072]
根据单相级联h桥整流器模型将单相级联h桥整流器网侧电压表达为：
[0073][0074]uaibi
＝k
ivdci
；
[0075]
其中，us为单相级联h桥整流器网侧电压；l为单相级联h桥整流器网侧电感值；in为单相级联h桥整流器网侧电流；u
aibi
为单相级联h桥整流器第i个h桥的输出电压；
[0076]vdci
为单相级联h桥整流器第i个h桥的输出电压值；ki为单相级联h桥整流器第i个h桥理想的开关函数；
[0077]
经过积分可以求出单相级联h桥整流器网侧电流in表达式为：
[0078][0079]
其中，em为交流电源幅值；ω为交流电源角频率。
[0080]
单个h桥在运行中的输出电平及电流流向跟开关管的导通情况如图3所示。
[0081]
根据单个h桥的输出的不同电平情况下进行分析，可以发现输出同一电平情况下，由于h桥内电流流向不同，开关管的导通情况也不一样。于是在建立开关函数的时候加入网侧电流方向这一变量。ξ表示单相级联h桥整流器网侧电流实测值is的电流方向，定义如下：
[0082][0083]
其中，表示ξ取非。
[0084]
从图3中可以看出，当第i个h桥输出正电平时，若ξ＝1，导通的器件为vd
i1
和vd
i4
，此时四个开关管的控制信号均为0；若ξ＝0时，导通的器件为vt
i2
和vt
i3
，此时控制信号s
i1
＝s
i4
＝1。同理当ξ＝1时，若输出为负电平，控制信号为s
i2
＝s
i3
＝1，输出为0电平时，控制信号为s
i3
＝1或s
i2
＝1。当ξ＝0时，若输出为负电平，控制信号都为0，输出为0电平时，控制信号为s
i1
＝1或s
i4
＝1。因此得到单相级联h桥整流器第i个h桥理想的开关函数ki的计算方式如下：
[0085]ki
＝h
ai-h
bi
；
[0086]
其中，h
ai
为单相级联h桥整流器第i个h桥a桥臂的开关函数；h
bi
为单相级联h桥整流器第i个h桥b桥臂的开关函数。
[0087]
单相级联h桥整流器第i个h桥a桥臂的开关函数h
ai
是根据单相级联h桥整流器第i个h桥a桥臂的导通情况建立，具体如下：
[0088][0089]
所述单相级联h桥整流器第i个h桥b桥臂的开关函数h
bi
是根据单相级联h桥整流器第i个h桥b桥臂的导通情况建立，具体如下：
[0090][0091]
根据单相级联h桥整流器第i个h桥的导通情况，采用开关管的导通信号及电流流向表达开关函数逻辑表达式如下：
[0092][0093]
其中，表示控制信号s
i2
取非；表示控制信号s
i4
取非。
[0094]
步骤s3，采用单相级联h桥整流器网侧电流实测值减去单相级联h桥整流器网侧电流计算值得到单相级联h桥整流器网侧电流误差；具体为：
[0095]
根据步骤s2中单相级联h桥整流器网侧电流in的表达式将单相级联h桥整流器网侧电流实测值表达为：
[0096][0097]
其中，is为单相级联h桥整流器网侧电流实测值，该值在故障诊断中由电流传感器得到；ki'为单相级联h桥整流器第i个h桥实际的开关函数，由单相级联h桥整流器第i个h桥内各开关管实际导通情况决定；
[0098]
单相级联h桥整流器网侧电流误差的计算方式具体为：
[0099][0100]
其中，为单相级联h桥整流器网侧电流误差。
[0101]
步骤s4，根据单相级联h桥整流器网侧电流误差建立单相级联h桥整流器故障诊断模型；具体为：
[0102]
对单相级联h桥整流器网侧电流误差进行微分，得到根据电流检测的单相级联h桥整流器故障诊断模型，具体如下：
[0103][0104]
步骤s5，计算单相级联h桥整流器故障诊断模型的值，并将其绝对值与设置的阈值th进行比较，
[0105]
若单相级联h桥整流器故障诊断模型的值的绝对值小于等于设置阈值，则表征单相级联h桥整流器没有发生故障，则返回步骤s1；反之，若单相级联h桥整流器故障诊断模型的值的绝对值大于设置阈值，则表征单相级联h桥整流器发生故障，则转入步骤s6。
[0106]
步骤s6，根据单相级联h桥整流器故障诊断模型建立单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型，判断单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型的值的正负情况，若单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型的值为正，表征单相级联h桥整流器第i个h桥发生a类故障；若单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型的值为负，表征单相级联h桥整流器第i个h桥发生b类故障；其中，a类故障为第i个h桥的开关管vt
i1
或开关管vt
i4
故障，b类故障为第i个h桥的开关管vt
i2
或开关管vt
i3
发生故障。
[0107]
根据单相级联h桥整流器故障诊断模型建立单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型具体为：
[0108]
在单相级联h桥整流器的开关管无故障的情况下，单相级联h桥整流器第i个h桥实际的开关函数ki与单相级联h桥整流器第i个h桥理想的开关函数ki'恒相等，单相级联h桥整流器故障诊断模型等于0；
[0109]
在单相级联h桥整流器的开关管发生故障的情况下，单相级联h桥整流器第i个h桥实际的开关函数ki与单相级联h桥整流器第i个h桥理想的开关函数ki'不相等，则单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型为：
[0110][0111]
根据单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型的值的正负情况依次判断每个h桥是否发生故障，发生什么种类的故障。
[0112]
步骤s7，建立开关管的故障诊断函数，根据故障的种类对相应开关管进行检测，当相应开关管的故障诊断函数值为0时，则表征该开关管未发生故障，当相应开关管的故障诊断函数值为1时，则表征该开关管发生故障，如此确定了发生故障的开关管。开关管的故障诊断函数具体为：
[0113][0114][0115][0116][0117]
当值为1时说明第i个h桥的开关管vt
i1
发生了故障，其值为0时表示开关管vt
i1
未发生故障。同理，也可以判断出其它开关管是否发生故障。当判断为a类故障时，只需进行和的计算；当判断为b类故障时，只需进行和的计算。
[0118]
根据图3的输出电平，可以发现在ξ＝0时，若第i个h桥的vt
i1
管发生故障时，在输出正电平时，由于实际的s
i1
＝0,从而实际输出为0电平；若第i个h桥的vt
i4
管发生故障时，在输出正电平时，由于实际的s
i4
＝0,从而实际输出为0电平。a类故障会导致单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型的输出值大于正阈值。同理当ξ＝1时，若第i个h桥的vt
i2
管发生故障时，在输出负电平时，由于实际的s
i2
＝0,从而实际输出为0电平；若第i个h桥的vt
i3
管发生故障时，在输出负电平时，由于实际的s
i3
＝0,从而实际输出为0电平。b类故障会导致单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型小于负阈值。
[0119]
从图1的故障诊断流程图中可以看出，通过单相级联h桥整流器故障诊断模型判断单相级联h桥整流器是否存在故障，若是没发生故障，则无需进行以下的步骤，若是发生故障，才需进行以下的步骤。在单相级联h桥整流器故障时通过判断单相级联h桥整流器第i个h桥的故障诊断模型的符号，即可判断出故障的种类，从而减少了计算量提高了故障诊断的效率。
[0120]
为了验证本发明的有效性和实用性，在仿真平台进行了仿真验证。具体实施的流程为：
[0121]
第一步：完成级联h桥整流器的搭建后，控制器使得整流器正常运行，在正常运行器件对级联h桥整流器进行实时的故障监测，在固定的采样周期内对级联h桥整流器的网侧电流进行采样。
[0122]
第二步：计算无故障情况下单相级联h桥整流器网侧电流，得到单相级联h桥整流器网侧电流计算值，在实时监测中用采样到的单相级联h桥整流器网侧电流实测值减去单相级联h桥整流器网侧电流计算值，若无故障则差值约等于0。
[0123]
第三步：在某一时刻投入故障，即使得某一开关管的控制信号常为0。
[0124]
第四步：当单相级联h桥整流器出现故障后，单相级联h桥整流器网侧电流实测值和单相级联h桥整流器网侧电流计算值的差值会在0值附近产生偏差，当偏差超过阈值时确定单相级联h桥整流器出现了故障。
[0125]
第五步：当单相级联h桥整流器发生故障时，一一检测单相级联h桥整流器的每个h桥，判断是哪个h桥发生了故障，再判断偏差值的正负，若是出现正偏差，则对应h桥发生了a类故障。若偏差为负，则对应h桥发生了b类故障。
[0126]
第六步：根据故障的种类，对相应开关管进行检测，当相应开关管的故障诊断函数值为1时，即确定了故障的开关管。
[0127]
图4为投入a类故障(即vt
11
或vt
14
管故障)的故障诊断波形图。可以看出在正常运行过程中实际电流与计算电流的值相等。在投入故障后，其间的差值发生了正向的偏差，对相应的开关管进行故障诊断，最后确定vt
11
出现故障。图5为投入b类故障(即vt
12
或vt
13
管故障)的故障诊断波形图。可以看出在正常运行过程中实际电流与计算电流的值相等。在投入故障后，其间的差值发生了负向的偏差，对相应的开关管进行故障诊断，最后确定vt
12
出现故障。
[0128]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0129]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0130]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。