本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種變換器故障診斷方法，具體涉及一種間接式矩陣變換器故障診斷方法。

背景技術(shù)：

間接式矩陣變換器(Indirect Matrix Converter,IMC)由傳統(tǒng)的矩陣變換器(Matrix Converter,MC)衍生而來，它具有能量雙向流動、可四象限運(yùn)行、輸入輸出波形正弦等優(yōu)點。相比傳統(tǒng)的MC，IMC還具有換流安全可靠、調(diào)制策略簡單等優(yōu)點。近年來，以其優(yōu)異性能獲得國內(nèi)學(xué)者廣泛的關(guān)注與研究。在風(fēng)力發(fā)電與變頻驅(qū)動系統(tǒng)等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，電壓型背靠背變換器(Back-to-Back Converter,BBC)以其應(yīng)用技術(shù)成熟、電路結(jié)構(gòu)與控制策略簡單等優(yōu)勢而成為當(dāng)前市場變頻器的主流。電壓型BBC直流母線側(cè)帶有一個龐大儲能電容，儲能電容的存在一方面可以實現(xiàn)前后兩級之間的解耦控制，并提供能量回饋通道，但同時也增大了變換器的體積與重量。此外，儲能電容使用使命短，易出現(xiàn)故障，這大大降低了電壓型BBC的穩(wěn)定性。IMC在結(jié)構(gòu)上與電壓型BBC類似，但是前者直流母線側(cè)無儲能電容，因此IMC結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度與系統(tǒng)可靠性高，具有良好的應(yīng)用前景。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在航空、汽車、電機(jī)驅(qū)動等重要應(yīng)用領(lǐng)域，對電力電子設(shè)備穩(wěn)定性與可靠性提出了很高的要求，即需要變換器具有容錯運(yùn)行能力，并且能夠?qū)ψ儞Q器發(fā)生的故障做準(zhǔn)確的判斷與定位。研究人員做了一項關(guān)于電力電子系統(tǒng)穩(wěn)定性的調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明半導(dǎo)體器件以31％的比例排在脆弱元件中的第一位，電容與門級驅(qū)動依次排在其后，而造成故障的原因主要是環(huán)境、系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和負(fù)載重載。IMC功率器件數(shù)量眾多，且沒有中間儲能環(huán)節(jié)，當(dāng)某個功率器件發(fā)生開路故障時，勢必會對IMC負(fù)載的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至失控。因此，當(dāng)IMC系統(tǒng)功率器件發(fā)生開路故障時，研究其故障檢測技術(shù)具有重要的意義。

目前，國外已有不少學(xué)者對傳統(tǒng)MC的故障檢測技術(shù)做了深入的研究，并提出了一些可行的故障診斷策略。但是，學(xué)術(shù)界鮮有關(guān)于IMC故障檢測方面的研究。研究人員針對IMC整流級雙向開關(guān)開路故障，提出了一種基于連續(xù)小波變換和小波全譜的故障診斷策略，但該方法復(fù)雜難以理解，且使用范圍有一定的局限性。研究人員運(yùn)用了普通三相逆變器故障檢測策略，即將測量到的輸出線電壓與參考線電壓比較來定位IMC逆變級的開路故障開關(guān)。

本發(fā)明針對整流級雙向開關(guān)開路故障，提出一種簡單易行的故障診斷方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種間接式矩陣變換器故障診斷方法，針對IMC整流級雙向開關(guān)開路故障，提出一種故障診斷方法。該診斷方法在檢測三相輸出電壓的基礎(chǔ)上，結(jié)合整流級扇區(qū)與雙向開關(guān)的對應(yīng)關(guān)系，準(zhǔn)確判斷和定位故障開關(guān)。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種間接式矩陣變換器故障診斷方法，具體流程包括以下步驟：

步驟一：旋轉(zhuǎn)電流矢量進(jìn)入新的整流級扇區(qū)，該扇區(qū)當(dāng)前計數(shù)值N清零；

步驟二：記錄當(dāng)前整流級扇區(qū)具體標(biāo)號，并在每個調(diào)制周期T_S內(nèi)檢測三相輸出電壓幅值；

步驟三：判斷檢測到的三相輸出電壓幅值的絕對值是否均小于給定的參考電壓幅值，若條件成立，則計數(shù)值N增加1，進(jìn)入步驟四；否則計數(shù)值N不變；

步驟四：在當(dāng)前整流級扇區(qū)的每個調(diào)制周期內(nèi)，判斷計數(shù)值N是否大于給定的參考值N₁，若條件成立，則在當(dāng)前扇區(qū)產(chǎn)生故障信號，并結(jié)合整流級扇區(qū)與雙向開關(guān)對應(yīng)關(guān)系判斷具體發(fā)生開路故障的開關(guān)。

進(jìn)一步的，所述步驟四中的整流級扇區(qū)與雙向開關(guān)對應(yīng)關(guān)系為：所述旋轉(zhuǎn)電流矢量逆時針旋轉(zhuǎn)，在任意一個調(diào)制周期T_S內(nèi)，在每個整流級扇區(qū)內(nèi)都存在唯一的雙向開關(guān)處于一直導(dǎo)通的狀態(tài)。IMC整流級雙向開關(guān)與扇區(qū)之間的對應(yīng)關(guān)系是本發(fā)明故障檢測與識別的重要依據(jù)。

進(jìn)一步的，所述旋轉(zhuǎn)電流矢量逆時針旋轉(zhuǎn)，由所在扇區(qū)相鄰的兩個非零矢量與零矢量合成，在任意一個調(diào)制周期T_S內(nèi)，總有一個雙向開關(guān)一直開通，有兩個雙向開關(guān)根據(jù)計算所得占空比各開通一段時間，其余雙向開關(guān)處于一直關(guān)斷的狀態(tài)。

進(jìn)一步的，所述步驟三中，故障檢測條件的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：

bool₁＝(|u_a|＜u_ref1)&(|u_b|＜u_ref1)&(|u_c|＜u_ref1)

其中，u_ref1是參考電壓幅值，低于正常工作狀態(tài)下的三相輸出電壓幅值；

u_a、u_b、u_c為實時狀態(tài)下的三相輸出電壓幅值。

故障狀態(tài)下，判斷標(biāo)準(zhǔn)為三相輸出電壓幅值的絕對值均低于所述參考電壓幅值u_ref1。

進(jìn)一步的，所述步驟四中的參考值N₁計算方法為：

$N_1=\frac{1}{6}{k}_1\frac{f_s}{f_{in}}$

其中，f_s是開關(guān)頻率，f_in是輸入電壓頻率，k₁是修正系數(shù)。k₁修正系數(shù)的選擇依據(jù)和限制如下：若k₁取值較小，可能會在相鄰扇區(qū)引起誤檢測；而考慮到輸出側(cè)若帶較大的感性負(fù)載，電壓跌落到u_ref1以下需要一定的時間，因此k₁取值也不能太大。故綜合來看，k₁的最佳取值范圍為0.6～0.8。

進(jìn)一步的，所述間接式矩陣變換器整流級采用輸入電流空間矢量調(diào)制，整流級扇區(qū)標(biāo)號記為Reci，其中i＝1,2..6，六個雙向開關(guān)為S_AP、S_AN、S_BP、S_BN、S_CP、S_CN，所述雙向開關(guān)與扇區(qū)之間的唯一對應(yīng)關(guān)系為：

有益效果：本發(fā)明提供的間接式矩陣變換器故障診斷方法，具有如下優(yōu)點：

1)該檢測方法能夠在現(xiàn)有IMC硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)故障檢測，不需要額外的硬件電路。

2)所提故障檢測方法簡單可行，易于理解和實現(xiàn)。

3)該故障診斷方法排除了三相電壓過零點對故障檢測的干擾，可靠性高。

4)整流級扇區(qū)與雙向開關(guān)有著一一對應(yīng)的關(guān)系，能夠準(zhǔn)確定位故障開關(guān)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明故障檢測算法流程圖；

圖2為IMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖3為電流矢量分布圖；

圖4為雙向開關(guān)在整流級扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)；

圖5為S_AN損壞后P_in與整流級扇區(qū)之間的關(guān)系；

圖6為雙向開關(guān)與整流級扇區(qū)對應(yīng)關(guān)系；

圖7為S_AP損壞時相關(guān)仿真波形圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

IMC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及雙向開關(guān)故障類型如圖2所示。針對整流級雙向開關(guān)開路故障，本發(fā)明提出一種簡單可行的故障診斷方法，即通過檢測間接式矩陣變換器三相輸出電壓，并結(jié)合整流級扇區(qū)與雙向開關(guān)一一對應(yīng)的關(guān)系，準(zhǔn)確判斷和定位故障開關(guān)。

圖1是本發(fā)明所提故障檢測算法流程圖，具體步驟如下：

步驟一：期望的旋轉(zhuǎn)電流矢量進(jìn)入一個新的整流級扇區(qū)，立即將該扇區(qū)當(dāng)前計數(shù)值N清零；

步驟二：記錄當(dāng)前整流級扇區(qū)具體標(biāo)號(扇區(qū)標(biāo)號記為Reci，其中i＝1,2..6)，并在每個調(diào)制周期內(nèi)檢測三相輸出電壓；

步驟三：判斷檢測到的三相輸出電壓絕對值是否均小于一個參考的電壓值，若條件成立，計數(shù)值N增加1，否則計數(shù)值N不變；

步驟四：在當(dāng)前整流級扇區(qū)的每個調(diào)制周期內(nèi)，判斷計數(shù)值N是否大于給定的參考值N₁，若條件成立，則在當(dāng)前扇區(qū)產(chǎn)生故障信號，并結(jié)合整流級扇區(qū)與雙向開關(guān)對應(yīng)關(guān)系判斷具體發(fā)生開路故障的雙向開關(guān)；

IMC正常工作時，采用雙空間矢量調(diào)制策略。其中，整流級采用輸入電流空間矢量調(diào)制。六個非零電流矢量在平面中的分布如圖3所示。以電流矢量為例，表示雙向開關(guān)S_AP與S_CN開通，其余雙向開關(guān)全部關(guān)斷。期望的電流矢量逆時針旋轉(zhuǎn)，在任意一個調(diào)制周期T_S內(nèi)，根據(jù)矢量合成定理由所在扇區(qū)相鄰的兩個非零矢量與零矢量合成。由圖3知，對于IMC整流級，當(dāng)所在的扇區(qū)確定后，在任意一個T_S，總有一個雙向開關(guān)一直開通，有兩個雙向開關(guān)根據(jù)計算所得占空比各開通一段時間，其余雙向開關(guān)處于一直關(guān)斷的狀態(tài)。以扇區(qū)Rec2為例，S_CN一直開通，S_AP與S_BP各導(dǎo)通一段時間，其余雙向開關(guān)則全部關(guān)斷。六個雙向開關(guān)開通時在整流級各扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)如圖4所示。由圖4可知，在每個整流級扇區(qū)內(nèi)都存在唯一的雙向開關(guān)處于一直導(dǎo)通的狀態(tài)，而這個雙向開關(guān)在該扇區(qū)相鄰的兩個扇區(qū)處于斬波狀態(tài)，即在T_S內(nèi)只導(dǎo)通一段時間。IMC整流級雙向開關(guān)與扇區(qū)之間的對應(yīng)關(guān)系是本發(fā)明故障檢測與識別的重要依據(jù)。

假定整流級S_AN發(fā)生開路故障。由圖4可知，若S_AN發(fā)生開路故障，受到影響扇區(qū)的是Rec3、Rec4和Rec5。IMC正常工作時，S_AN在扇區(qū)Rec4處于一直開通狀態(tài)。根據(jù)調(diào)制策略，S_AN損壞的開路故障導(dǎo)致整流級在整個扇區(qū)Rec4內(nèi)不存在電流流通路徑，即處于斷路狀態(tài)。這意味著輸入電源無法向負(fù)載供電，中斷了正常的能量傳遞過程。在Rec3，由非零矢量I₂與I₃合成。在Rec5，則由非零矢量I₄與I₅合成。S_AN在這兩個扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)都是斬波控制，需要使用S_AN的兩個矢量是I₃和I₄。當(dāng)Rec3中的矢量I₂或者Rec5中的矢量I₅作用時，IMC正常工作，電源向負(fù)載傳遞能量。當(dāng)矢量I₃或者I₄工作時，因整流級無電流流通路徑而中斷了IMC能量的正常傳遞。

記IMC工作時負(fù)載從輸入電源獲得的有功功率為P_in。將整流級六個扇區(qū)看成一個整體進(jìn)行分析，那么P_in與扇區(qū)的關(guān)系如圖5所示。S_AN的開路故障不影響Rec1、Rec2與Rec6中的非零矢量，能量正常傳輸，因此P_in是一個恒定的正常值。進(jìn)入Rec3后，當(dāng)矢量I₃作用時，整流級無能量傳輸路徑，能量傳輸受到影響，P_in開始減少。根據(jù)矢量合成定理，在Rec3內(nèi)的前半段時間，矢量I₂作用時間比I₃長。而在Rec3內(nèi)的后半段時間則相反，即矢量I₃工作時間比I₂長。因此P_in開始時下降慢，后一段時間下降快。進(jìn)入扇區(qū)Rec4后，S_AN的損壞完全中斷了IMC能量傳遞，P_in降至零。在Rec5，能量傳遞特點則與Rec3相反，P_in逐漸增加并恢復(fù)到正常值?？紤]到IMC無中間儲能環(huán)節(jié)，因此輸入功率中斷時就不能為負(fù)載提供能量。在Rec3和Rec4，因輸入功率的下降，負(fù)載無法維持正常工作，直接導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)迅速而又明顯的跌落。由以上分析可以預(yù)見，三相輸出電壓在Rec3內(nèi)開始下降，在Rec4電壓跌落現(xiàn)象更為明顯，甚至跌落到零。IMC不需要額外的充電時間，因此當(dāng)能量正常傳遞后，三相負(fù)載電壓能快速恢復(fù)到正常值。最后，需要指出的是圖5僅僅描述了一種變化趨勢，而不是精準(zhǔn)的變化關(guān)系。

當(dāng)整流級其它雙向開關(guān)出現(xiàn)開路故障時，其電路運(yùn)行特點與S_AN出現(xiàn)開路故障時類似。由圖4知，整流級每個雙向開關(guān)都在一個特定的扇區(qū)是一直開通的狀態(tài)，且開關(guān)與扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系是唯一的?；诠收蠣顟B(tài)下IMC的電路特點，本發(fā)明所提的故障檢測基本思路是在每個整流級扇區(qū)檢測三相輸出電壓，結(jié)合雙向開關(guān)與扇區(qū)之間的對應(yīng)關(guān)系準(zhǔn)確判斷和定位故障開關(guān)。其中，雙向開關(guān)與扇區(qū)之間的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

故障檢測條件如式(1)所示，u_ref1是參考電壓，該值遠(yuǎn)低于正常的輸出電壓幅值。式(1)成立的條件是檢測到的三相輸出電壓的絕對值均低于u_ref1。由三相正弦電壓性質(zhì)知，IMC正常工作時，即使某相電壓出現(xiàn)過零點，另外兩相電壓幅值也會高于u_ref1。因此不用考慮三相電壓過零點給故障檢測帶來的干擾。

bool₁＝(|u_a|＜u_ref1)&(|u_b|＜u_ref1)&(|u_c|＜u_ref1) (1)

由圖5知，當(dāng)某個雙向開關(guān)發(fā)生開路故障后，在這兩個開關(guān)狀態(tài)是斬波控制的扇區(qū)，三相輸出電壓在一段時間內(nèi)也會低于u_ref1。但是在一直開通扇區(qū)滿足式(1)的時間跨度是最長的，因為該扇區(qū)P_in一直是0。為了準(zhǔn)確定位故障開關(guān)和排除這些扇區(qū)給故障檢測帶來的干擾，在每個扇區(qū)對三相輸出電壓低于u_ref1的情況計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值N大于參考值N₁時，就在該扇區(qū)產(chǎn)生一個故障信號，結(jié)合圖6就可判斷具體是哪個雙向開關(guān)發(fā)生開路故障。參考值N₁由式(2)計算得到，如下式所示：

$N_1=\frac{1}{6}{k}_1\frac{f_s}{f_{in}}---\left(2\right)$

式(2)中，f_s是開關(guān)頻率，f_in是輸入電壓頻率，k₁是修正系數(shù)。

實施例

圖7是當(dāng)S_AP發(fā)生開路故障時相關(guān)的仿真波形。由圖4可知，S_AP發(fā)生故障只會影響扇區(qū)Rec6，Rec1和Rec2。圖7.(a)是三相輸出電壓，圖7.(c)是整流級扇區(qū)信息。圖7.(b)是IMC運(yùn)行狀態(tài)示意圖。雖然在t₁時刻，S_AP發(fā)生開路故障，但是此時從Rec2進(jìn)入Rec3，因此IMC調(diào)制不受影響，輸出電壓正弦，跟正常工作時一樣。當(dāng)進(jìn)入Rec6后，由圖7.(a)可知，在該扇區(qū)前半段時間三相電壓下降慢，后半段則電壓跌落現(xiàn)象則明顯加快。在Rec1，由于P_in降至零，當(dāng)電感中存儲的感性能量被電阻消耗掉后，三相輸出電壓跌落至零。在Rec2，因為IMC中間環(huán)節(jié)無儲能電容，因此三相輸出電壓隨著P_in的增加快速升高并最終恢復(fù)到正常值。

圖7.(d)整流級故障檢測信號，圖7.(e)是三相輸出電壓在u_ref1以下時在受影響扇區(qū)的計數(shù)值。其中，參考電壓幅值u_ref1取值跟正常工作狀態(tài)下的三相輸出電壓幅值相關(guān)，在本發(fā)明例中，參考電壓幅值u_ref1取值為20V。由圖7.(e)可知在Rec6的后面一段時間，三相輸出電壓低落到u_ref1以下，但是該值遠(yuǎn)低于N₁(20)，因此故障檢測信號一直為零。在Rec1，三相電壓在u_ref1以下，計數(shù)值一直增加。當(dāng)大于N₁(20)時，在該扇區(qū)產(chǎn)生一個故障檢測信號，如圖7.(d)所示。而在Rec2的前半段時間，盡管開始時計數(shù)值一直增加，但是隨著三相輸出電壓升高，計數(shù)值保持不變，停留在N₁(20)以下。對比圖6可知，本發(fā)明所提出的故障檢測方法準(zhǔn)確檢測到S_AP發(fā)生開路故障。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。