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(lái)，它具有能量雙向流動(dòng)、可四象限運(yùn)行、輸入輸出波形正弦等優(yōu)點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的MC，IMC還具有換流安全可靠、調(diào)制策略簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，以其優(yōu)異性能獲得國(guó)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(dòng)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(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)而成為當(dāng)前市場(chǎng)變頻器的主流。電壓型BBC直流母線側(cè)帶有一個(gè)龐大儲(chǔ)能電容，儲(chǔ)能電容的存在一方面可以實(shí)現(xiàn)前后兩級(jí)之間的解耦控制，并提供能量回饋通道，但同時(shí)也增大了變換器的體積與重量。此外，儲(chǔ)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(lèi)似，但是前者直流母線側(cè)無(wú)儲(chǔ)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(chē)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等重要應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)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(cuò)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(xiàng)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(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)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(méi)有中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，當(dāng)某個(gè)功率器件發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，勢(shì)必會(huì)對(duì)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(kāi)路故障時(shí)，研究其故障檢測(cè)技術(shù)具有重要的意義。

目前，國(guó)外已有不少學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)MC的故障檢測(cè)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(cè)方面的研究。研究人員針對(duì)IMC整流級(jí)雙向開(kāi)關(guān)開(kāi)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(cè)策略，即將測(cè)量到的輸出線電壓與參考線電壓比較來(lái)定位IMC逆變級(jí)的開(kāi)路故障開(kāi)關(guān)。

本發(fā)明針對(duì)整流級(jí)雙向開(kāi)關(guān)開(kāi)路故障，提出一種簡(jiǎn)單易行的故障診斷方法。

技術(shù)實(shí)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(duì)IMC整流級(jí)雙向開(kāi)關(guān)開(kāi)路故障，提出一種故障診斷方法。該診斷方法在檢測(cè)三相輸出電壓的基礎(chǔ)上，結(jié)合整流級(jí)扇區(qū)與雙向開(kāi)關(guān)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，準(zhǔn)確判斷和定位故障開(kāi)關(guān)。

技術(shù)方案：為實(shí)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(jí)扇區(qū)，該扇區(qū)當(dāng)前計(jì)數(shù)值N清零；

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

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

步驟四：在當(dāng)前整流級(jí)扇區(qū)的每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，判斷計(jì)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(hào)，并結(jié)合整流級(jí)扇區(qū)與雙向開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系判斷具體發(fā)生開(kāi)路故障的開(kāi)關(guān)。

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

進(jìn)一步的，所述旋轉(zhuǎn)電流矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由所在扇區(qū)相鄰的兩個(gè)非零矢量與零矢量合成，在任意一個(gè)調(diào)制周期T_S內(nèi)，總有一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)一直開(kāi)通，有兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)根據(jù)計(jì)算所得占空比各開(kāi)通一段時(shí)間，其余雙向開(kāi)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(cè)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(shí)時(shí)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(duì)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(jì)算方法為：

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

其中，f_s是開(kāi)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(huì)在相鄰扇區(qū)引起誤檢測(cè)；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(shí)間，因此k₁取值也不能太大。故綜合來(lái)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(jí)采用輸入電流空間矢量調(diào)制，整流級(jí)扇區(qū)標(biāo)號(hào)記為Reci，其中i＝1,2..6，六個(gè)雙向開(kāi)關(guān)為S_AP、S_AN、S_BP、S_BN、S_CP、S_CN，所述雙向開(kāi)關(guān)與扇區(qū)之間的唯一對(duì)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(diǎn)：

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

2)所提故障檢測(cè)方法簡(jiǎn)單可行，易于理解和實(shí)現(xiàn)。

3)該故障診斷方法排除了三相電壓過(guò)零點(diǎn)對(duì)故障檢測(cè)的干擾，可靠性高。

4)整流級(jí)扇區(qū)與雙向開(kāi)關(guān)有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，能夠準(zhǔn)確定位故障開(kāi)關(guān)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明故障檢測(cè)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(kāi)關(guān)在整流級(jí)扇區(qū)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)；

圖5為S_AN損壞后P_in與整流級(jí)扇區(qū)之間的關(guān)系；

圖6為雙向開(kāi)關(guān)與整流級(jí)扇區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系；

圖7為S_AP損壞時(shí)相關(guān)仿真波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

IMC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及雙向開(kāi)關(guān)故障類(lèi)型如圖2所示。針對(duì)整流級(jí)雙向開(kāi)關(guān)開(kāi)路故障，本發(fā)明提出一種簡(jiǎn)單可行的故障診斷方法，即通過(guò)檢測(cè)間接式矩陣變換器三相輸出電壓，并結(jié)合整流級(jí)扇區(qū)與雙向開(kāi)關(guān)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，準(zhǔn)確判斷和定位故障開(kāi)關(guān)。

圖1是本發(fā)明所提故障檢測(cè)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(gè)新的整流級(jí)扇區(qū)，立即將該扇區(qū)當(dāng)前計(jì)數(shù)值N清零；

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

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

步驟四：在當(dāng)前整流級(jí)扇區(qū)的每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，判斷計(jì)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(hào)，并結(jié)合整流級(jí)扇區(qū)與雙向開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系判斷具體發(fā)生開(kāi)路故障的雙向開(kāi)關(guān)；

IMC正常工作時(shí)，采用雙空間矢量調(diào)制策略。其中，整流級(jí)采用輸入電流空間矢量調(diào)制。六個(gè)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(kāi)關(guān)S_AP與S_CN開(kāi)通，其余雙向開(kāi)關(guān)全部關(guān)斷。期望的電流矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在任意一個(gè)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(gè)非零矢量與零矢量合成。由圖3知，對(duì)于IMC整流級(jí)，當(dāng)所在的扇區(qū)確定后，在任意一個(gè)T_S，總有一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)一直開(kāi)通，有兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)根據(jù)計(jì)算所得占空比各開(kāi)通一段時(shí)間，其余雙向開(kāi)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(kāi)通，S_AP與S_BP各導(dǎo)通一段時(shí)間，其余雙向開(kāi)關(guān)則全部關(guān)斷。六個(gè)雙向開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)在整流級(jí)各扇區(qū)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)如圖4所示。由圖4可知，在每個(gè)整流級(jí)扇區(qū)內(nèi)都存在唯一的雙向開(kāi)關(guān)處于一直導(dǎo)通的狀態(tài)，而這個(gè)雙向開(kāi)關(guān)在該扇區(qū)相鄰的兩個(gè)扇區(qū)處于斬波狀態(tài)，即在T_S內(nèi)只導(dǎo)通一段時(shí)間。IMC整流級(jí)雙向開(kāi)關(guān)與扇區(qū)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是本發(fā)明故障檢測(cè)與識(shí)別的重要依據(jù)。

假定整流級(jí)S_AN發(fā)生開(kāi)路故障。由圖4可知，若S_AN發(fā)生開(kāi)路故障，受到影響扇區(qū)的是Rec3、Rec4和Rec5。IMC正常工作時(shí)，S_AN在扇區(qū)Rec4處于一直開(kāi)通狀態(tài)。根據(jù)調(diào)制策略，S_AN損壞的開(kāi)路故障導(dǎo)致整流級(jí)在整個(gè)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(wú)法向負(fù)載供電，中斷了正常的能量傳遞過(guò)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(gè)扇區(qū)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)都是斬波控制，需要使用S_AN的兩個(gè)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(shí)，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(shí)，因整流級(jí)無(wú)電流流通路徑而中斷了IMC能量的正常傳遞。

記IMC工作時(shí)負(fù)載從輸入電源獲得的有功功率為P_in。將整流級(jí)六個(gè)扇區(qū)看成一個(gè)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(kāi)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(gè)恒定的正常值。進(jìn)入Rec3后，當(dāng)矢量I₃作用時(shí)，整流級(jí)無(wú)能量傳輸路徑，能量傳輸受到影響，P_in開(kāi)始減少。根據(jù)矢量合成定理，在Rec3內(nèi)的前半段時(shí)間，矢量I₂作用時(shí)間比I₃長(zhǎng)。而在Rec3內(nèi)的后半段時(shí)間則相反，即矢量I₃工作時(shí)間比I₂長(zhǎng)。因此P_in開(kāi)始時(shí)下降慢，后一段時(shí)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(diǎn)則與Rec3相反，P_in逐漸增加并恢復(fù)到正常值?？紤]到IMC無(wú)中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，因此輸入功率中斷時(shí)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(wú)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(jiàn)，三相輸出電壓在Rec3內(nèi)開(kāi)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(shí)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(shì)，而不是精準(zhǔn)的變化關(guān)系。

當(dāng)整流級(jí)其它雙向開(kāi)關(guān)出現(xiàn)開(kāi)路故障時(shí)，其電路運(yùn)行特點(diǎn)與S_AN出現(xiàn)開(kāi)路故障時(shí)類(lèi)似。由圖4知，整流級(jí)每個(gè)雙向開(kāi)關(guān)都在一個(gè)特定的扇區(qū)是一直開(kāi)通的狀態(tài)，且開(kāi)關(guān)與扇區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是唯一的。基于故障狀態(tài)下IMC的電路特點(diǎn)，本發(fā)明所提的故障檢測(cè)基本思路是在每個(gè)整流級(jí)扇區(qū)檢測(cè)三相輸出電壓，結(jié)合雙向開(kāi)關(guān)與扇區(qū)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系準(zhǔn)確判斷和定位故障開(kāi)關(guān)。其中，雙向開(kāi)關(guān)與扇區(qū)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

故障檢測(cè)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(cè)到的三相輸出電壓的絕對(duì)值均低于u_ref1。由三相正弦電壓性質(zhì)知，IMC正常工作時(shí)，即使某相電壓出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，另外兩相電壓幅值也會(huì)高于u_ref1。因此不用考慮三相電壓過(guò)零點(diǎn)給故障檢測(cè)帶來(lái)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(gè)雙向開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障后，在這兩個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)是斬波控制的扇區(qū)，三相輸出電壓在一段時(shí)間內(nèi)也會(huì)低于u_ref1。但是在一直開(kāi)通扇區(qū)滿(mǎn)足式(1)的時(shí)間跨度是最長(zhǎng)的，因?yàn)樵撋葏^(qū)P_in一直是0。為了準(zhǔn)確定位故障開(kāi)關(guān)和排除這些扇區(qū)給故障檢測(cè)帶來(lái)的干擾，在每個(gè)扇區(qū)對(duì)三相輸出電壓低于u_ref1的情況計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值N大于參考值N₁時(shí)，就在該扇區(qū)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)，結(jié)合圖6就可判斷具體是哪個(gè)雙向開(kāi)關(guān)發(fā)生開(kāi)路故障。參考值N₁由式(2)計(jì)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(kāi)關(guān)頻率，f_in是輸入電壓頻率，k₁是修正系數(shù)。

實(shí)施例

圖7是當(dāng)S_AP發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)相關(guān)的仿真波形。由圖4可知，S_AP發(fā)生故障只會(huì)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(jí)扇區(qū)信息。圖7.(b)是IMC運(yùn)行狀態(tài)示意圖。雖然在t₁時(shí)刻，S_AP發(fā)生開(kāi)路故障，但是此時(shí)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(shí)一樣。當(dāng)進(jìn)入Rec6后，由圖7.(a)可知，在該扇區(qū)前半段時(shí)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(chǔ)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?yàn)镮MC中間環(huán)節(jié)無(wú)儲(chǔ)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(jí)故障檢測(cè)信號(hào)，圖7.(e)是三相輸出電壓在u_ref1以下時(shí)在受影響扇區(qū)的計(jì)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(shí)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(cè)信號(hào)一直為零。在Rec1，三相電壓在u_ref1以下，計(jì)數(shù)值一直增加。當(dāng)大于N₁(20)時(shí)，在該扇區(qū)產(chǎn)生一個(gè)故障檢測(cè)信號(hào)，如圖7.(d)所示。而在Rec2的前半段時(shí)間，盡管開(kāi)始時(shí)計(jì)數(shù)值一直增加，但是隨著三相輸出電壓升高，計(jì)數(shù)值保持不變，停留在N₁(20)以下。對(duì)比圖6可知，本發(fā)明所提出的故障檢測(cè)方法準(zhǔn)確檢測(cè)到S_AP發(fā)生開(kāi)路故障。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，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(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。