基于三电平功率发生器的开路故障在线风险估计方法与流程

本发明属于变流器故障诊断和故障容错领域，具体涉及一种基于三电平功率发生器的开路故障在线风险估计方法。

背景技术：

igbt如今被广泛用于变换器场合，igbt的开路故障检测和容错策略也一直作为热门的研究课题。但是已有的文献都是针对开路故障已经发生之后的研究，即在故障发生后利用开路故障定位方法，通过决策函数的分析计算，获得针对开路故障的定位结果。在开路故障未发生时，即系统正常工作时，如果某时刻某个igbt发生了开路故障，其到底会对系统造成多大的影响呢？如何在线评估其影响程度并量化每个igbt开路故障的风险曲线呢？这些问题尚有待解决。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够在开路故障发生前即对其进行较为准确评估的基于三电平功率发生器的开路故障在线风险估计方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于三电平功率发生器的开路故障在线风险估计方法，用于对三电平功率发生器的开路故障进行估计，所述三电平功率发生器包括对应三相的三个电路单元，每个所述电路单元包括四个串联且依次编号的开关器件，所述基于三电平功率发生器的开路故障在线风险估计方法为：分别对每个所述电路单元执行以下步骤：

步骤1：定义所述开关器件的开路风险故障函数riks(x,j)为：

其中，x∈a,b,c分别对应三相，j∈1,2,3,4为所述开关器件的编号，ix为x相的输出电流，sx为x相对应的所述电路单元的状态，sx＝1表示第一个所述开关器件和第二个所述开关器件导通，第三个所述开关器件和第四个所述开关器件关闭；sx＝0表示第二个所述开关器件和第三个所述开关器件导通，第一个所述开关器件和第四个所述开关器件关闭；sx＝-1表示第三个所述开关器件和第四个所述开关器件导通，第一个所述开关器件和第二个所述开关器件关闭；

步骤2：定义一个开关周期ts内x相的第j个所述开关器件的开路故障总风险为：

其中，为作用时间t1内x相的第j个所述开关器件的开路风险故障函数，为作用时间t2内x相的第j个所述开关器件的开路风险故障函数，为作用时间t3内x相的第j个所述开关器件的开路风险故障函数，为作用时间t4内x相的第j个所述开关器件的开路风险故障函数；

步骤3：设t1＝t2＝t3＝t4＝ts/4，将一个开关周期ts内x相的第j个所述开关器件的开路故障总风险对ts/4进行标幺，从而得到一个开关周期ts内x相的第j个所述开关器件的新的开路故障总风险为：

其中，为作用矢量ν1作用下的x相的第j个所述开关器件的开路风险故障函数，为作用矢量ν2作用下的x相的第j个所述开关器件的开路风险故障函数，为作用矢量ν3作用下的x相的第j个所述开关器件的开路风险故障函数，为作用矢量ν4作用下的x相的第j个所述开关器件的开路风险故障函数；

从而计算得到一个开关周期ts内x相的第j个所述开关器件的新的开路故障总风险

步骤4：基于一个开关周期ts内x相的第j个所述开关器件的新的开路故障总风险计算一段时间δt内x相的第j个所述开关器件的开路故障总风险risk(x,j)δt；

步骤5：根据一段时间δt内x相的第j个所述开关器件的开路故障总风险risk(x,j)δt，计算t时刻x相的第j个所述开关器件的开路故障风险系数γ(t)为：

步骤6：利用t时刻x相的第j个所述开关器件的开路故障风险系数γ(t)优化开路故障定位决策函数δ(t)，得到新的开路故障定位决策函数δ(t)^*，从而利用新的开路故障定位决策函数δ(t)^*对开路故障进行估计并得到评估结果。

所述步骤4中，通过积分方式计算一段时间δt内x相的第j个所述开关器件的开路故障总风险risk(x,j)δt。

一段时间δt内x相的第j个所述开关器件的开路故障总风险risk(x,j)δt的计算方法为：

其中，t为一段时间δt的起始时刻。

所述步骤5中，计算t时刻x相的第j个所述开关器件的开路故障风险系数γ(t)时，采用距离t时刻最近一次计算得到的一段时间δt内x相的第j个所述开关器件的开路故障总风险risk(x,j)δt的值。

所述步骤6中，新的开路故障定位决策函数δ(t)^*的计算方法为：

δ(t)^*＝k*δ(t)*γ(t)

其中，k为修正比例系数。k的取值范围为1～10。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明以三电平功率发生器为研究对象，提出了一种有效的在线开路故障风险评估机制，通过引入开路故障风险系数来量化每个开关器件的潜在开路故障对系统造成的影响，进而能够优化开路故障检测准确度和鲁棒性。

附图说明

附图1为三电平功率发生器的拓扑图。

附图2为本发明的方法中涉及的起始矢量示意图。

附图3为本发明的方法中计算开路故障风险系数γ(t)时对开路故障总风险risk(x,j)δt取值的示意图。

附图4为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如附图1所示，三电平功率发生器包括对应三相的三个电路单元，每个电路单元包括四个串联且依次编号的开关器件，sxj为x相的第j个开关器件，则每一相的四个开关器件分别为sx1、sx2、sx3、sx4，x∈a,b,c分别对应三相，j∈1,2,3,4为开关器件的编号。

针对上述三电平功率发生器，用于对其开路故障进行估计所采用的一种基于三电平功率发生器的开路故障在线风险估计方法，为：

如附图4所示，分别对每个电路单元执行以下步骤：

步骤1：定义开关器件sxj的开路风险故障函数riks(x,j)为：

上式中，ix为x相的输出电流，sx为x相对应的电路单元的状态，sx＝1表示第一个开关器件和第二个开关器件导通，第三个开关器件和第四个开关器件关闭；sx＝0表示第二个开关器件和第三个开关器件导通，第一个开关器件和第四个开关器件关闭；sx＝-1表示第三个开关器件和第四个开关器件导通，第一个开关器件和第二个开关器件关闭。

步骤2：定义一个开关周期ts内x相的第j个开关器件的开路故障总风险为：

上式中，为作用时间t1内x相的第j个开关器件的开路风险故障函数，为作用时间t2内x相的第j个开关器件的开路风险故障函数，为作用时间t3内x相的第j个开关器件的开路风险故障函数，为作用时间t4内x相的第j个开关器件的开路风险故障函数。

上述作业时间t1、t2、t3、t4由具体四个参考矢量按伏秒平衡原理求得，对于每个开关周期ts都是不同的。

步骤3：设t1＝t2＝t3＝t4＝ts/4，将一个开关周期ts内x相的第j个开关器件的开路故障总风险对ts/4进行标幺，从而得到一个开关周期ts内x相的第j个开关器件的新的开路故障总风险为：

上式中，为作用矢量ν1作用下的x相的第j个开关器件的开路风险故障函数，为作用矢量ν2作用下的x相的第j个开关器件的开路风险故障函数，为作用矢量ν3作用下的x相的第j个开关器件的开路风险故障函数，为作用矢量ν4作用下的x相的第j个开关器件的开路风险故障函数。ν1-ν4分别代表两电平矢量空间中的四个作用矢量。

以a相第一个开关器件开路故障为例子，表1给出了其故障对应的的故障总风险真值表，其他情况可以根据上述公式求得。

表1单位开关周期开路风险值真值表

表1中起始矢量可以参考附图2。

表1中脉冲次序可以参见以下表2。

表2开关次序表

通过该步骤可以简化步骤2中一个开关周期ts内x相的第j个开关器件的开路故障总风险的计算量。

从而可以计算得到一个开关周期ts内x相的第j个开关器件的新的开路故障总风险

步骤4：基于一个开关周期ts内x相的第j个开关器件的新的开路故障总风险通过积分方式计算一段时间δt内x相的第j个开关器件的开路故障总风险risk(x,j)δt。则一段时间δt内x相的第j个开关器件的开路故障总风险risk(x,j)δt的计算方法为：

上式中，t为一段时间δt的起始时刻。

从而，通过步骤4，可以计算出连续多个δt内x相的第j个开关器件的开路故障总风险risk(x,j)δt。

所得总风险risk(x,j)δt可视为sxj的开路故障对变流器影响的量化估计值，其值大小与影响大小成正比，可以用来在线评价潜在故障的影响力和破坏力。

步骤5：根据一段时间δt内x相的第j个开关器件的开路故障总风险risk(x,j)δt，计算t时刻x相的第j个开关器件的开路故障风险系数γ(t)为：

该步骤中，由于γ(t)是对一段时间δt的风险积分，因此γ(t)的取值需要查找离t时刻最近的一次risk(x,j)δt的计算值来近似，即采用距离t时刻最近一次计算得到的一段时间δt内x相的第j个开关器件的开路故障总风险risk(x,j)δt的值，具体示意如图3所示。

步骤6：利用t时刻x相的第j个开关器件的开路故障风险系数γ(t)优化开路故障定位决策函数δ(t)，得到新的开路故障定位决策函数δ(t)^*，从而利用新的开路故障定位决策函数δ(t)^*对开路故障进行估计并得到评估结果。

风险系数γ(t)是对瞬时开路故障风险大小的近似量化结果，同时也可以作为功率器件开路故障定位特征函数的放大器。假设某开路故障定位方法的决策函数是δ(t)，通过风险系数γ(t)对决策函数δ(t)进一步放大优化，即得到开路故障定位的新决策函数δ(t)^*。该步骤中，新的开路故障定位决策函数δ(t)^*的计算方法为：

δ(t)^*＝k*δ(t)*γ(t)

其中，k为修正比例系数，k的取值范围为1～10。

传统的开路故障定位策略，主要是基于电压和电流测量的，其精准度受到负载突变、空载运行以及给定扰动等条件的制约。优化后的新决策函数δ(t)^*可以在相关功率器件的开路风险区域人为的放大其决策函数的权重，从而达到提高精准度和抗扰动能力。当然引入开路风险系数放大器也会将一部分干扰信号进行同时放大，但是由于有效的故障特征信号也被等倍放大，因此可以保证不会降低原来决策函数的准确度。

上述方案以三相四线制npc三电平功率发生器为研究对象，提出了一种有效的在线开路故障风险评估机制，并通过引入开路故障风险系数来量化每个igbt的潜在开路故障对系统造成的影响，进而提出了一种利用所得的风险评估系数来优化开路故障检测准确度和鲁棒性的方法。

该方案的意义在于可以在线量化评估具体潜在的开路故障对变流器装置影响的大小程度，此外其量化结果可以用来优化三电平功率发生器开路故障诊断方法，提高诊断精度。在线量化评估具体是通过引入开路故障风险系数实现的。开路故障风险系数是通过对实时的脉冲检测、处理、计算并最终形成风险系数表格；优化开路故障诊断方法，是将已求得的开路故障风险系数乘以开路故障诊断方法的故障特征目标函数，实现对故障特征的放大，从而提高检测精度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。