基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法及系统

1.本公开属于电力系统故障诊断技术领域，具体涉及一种基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.变流器作为实现能量变换的关键部件，广泛应用于高性能电机驱动、新能源并网等场合，其高可靠性是集成应用系统正常工作的基础。但工业电机驱动等应用场合中的变流器长期工作在高电压、大电流、强电磁干扰、时变负载、有限散热等恶劣工况下，常因半导体部件、驱动电路故障等导致的功率开关管故障而工作异常，甚至系统崩溃，造成严重经济损失。
4.功率开关管故障主要分为短路故障与开路故障，短路故障往往伴随着破坏性的过电流与过电压，对变流器系统危害巨大，通常由硬件电路进行诊断与保护。而开路故障虽不会立刻造成系统崩溃，但变流器已局部失控，这不仅影响系统性能，导致控制精度下降，还会增加变流器其它部件的负担。如不及时发现，极易导致变流器的二次故障，甚至系统崩溃。
5.据发明人了解，现有的开路故障诊断方法主要分为基于模型的分析诊断与数据驱动的识别诊断，前者基于系统模型，通过分析对比开路故障前后系统状态量的特征差异来诊断并定位故障开关，以系统状态量(电压与电流)的分析处理为主，以电压量为分析对象的方法诊断迅速，但会受调制方式影响，且需要额外的传感器或电路，增加了系统的成本与复杂度；以电流量为分析对象的方法无需增加额外传感器，但诊断定位过程复杂，且电流幅值易受变流器运行工况影响，抗干扰能力差；后者的数据驱动的识别诊断则由数据驱动，通过神经网络、支持向量机等人工智能算法对变流器系统的历史数据进行训练，实现基于系统实时状态量的故障识别定位，依赖于所采用的人工智能算法，拓展性强，但计算负担严重，难以在工业上进行大规模应用。
6.因此，如何快速准确地进行变流器系统的开路故障诊断，对变流器系统的可靠运行具有重要科学与工程意义。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术的不足，本公开提出了一种基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法及系统，基于模型预测，通过对变流器系统的精准建模，计算系统输出电流的预测值，并与传感器所采集的输出电流实测值作差，将所得误差经逐差法处理后与理论阈值比较，诊断并定位故障开关。
8.为了实现上述目的，本公开采用了如下的技术方案：
9.本公开的第一方面提供了一种基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法。
10.基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法，包括以下步骤：
11.获取变流器系统的状态量实测值；
12.对变流器系统进行精准建模，得到变流器系统的状态量预测值；
13.基于状态量实测值与状态量预测值，计算状态量偏差，对状态量偏差进行稳定化处理，得到偏差增长率；
14.比较偏差增长率与预设的理论偏差阈值的大小关系，若偏差增长率的绝对值小于预设的理论偏差阈值，则该变流器系统处于正常运行状态；若偏差增长率的绝对值大于预设的理论偏差阈值，则该变流器系统存在开路故障，通过状态量偏差的数值符号实现故障定位。
15.本公开的第二方面提供了一种基于预测控制的变流器系统开路故障诊断系统。
16.基于预测控制的变流器系统开路故障诊断系统，采用了第一方面所述的基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法，包括：
17.测量单元，用于获取变流器系统的状态量实测值；
18.建模单元，用于对变流器系统进行精准建模，得到变流器系统的状态量预测值；
19.处理单元，在测量单元和建模单元的基础上，通过状态量实测值与状态量预测值计算状态量偏差，对状态量偏差进行稳定化处理，得到偏差增长率；
20.诊断单元，用于比较偏差增长率与预设的理论偏差阈值的大小关系，若偏差增长率的绝对值小于预设的理论偏差阈值，则该变流器系统处于正常运行状态；若偏差增长率的绝对值大于预设的理论偏差阈值，则该变流器系统存在开路故障，通过状态量偏差的数值符号实现故障定位。
21.本公开第三方面提供了一种计算机可读存储介质。
22.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法中的步骤。
23.本公开第四方面提供了一种电子设备。
24.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法中的步骤。
25.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
26.1.本公开无需测量变流器系统的输出电压量，对运行工况具有很强的适应性，有效地克服了基于模型的分析诊断法中存在的诊断成本增加(电压型)与抗干扰能力差(电流型)的问题。
27.2.本公开通过修改所构建的变流器系统负载模型就能实现不同应用场景下变流器系统故障的快速诊断定位，扩展性强，计算负担低，有效解决了传统的数据驱动的识别诊断法难以实时应用的难题。
28.3.本公开能够快速诊断并定位变流器中的开路故障，为之后的故障处理(容错控制、停机检修等)提供指导，极大地提高了变流器系统的可靠性与稳定性，避免了新能源并网、高性能电机驱动等应用场合因变流器故障而造成的巨额经济损失。
附图说明
29.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
30.图1是本公开实施例一中的基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法的流程图；
31.图2是本公开实施例一中的两电平变流器的拓扑结构图；
32.图3(a)是本公开实施例一中的两电平变流器桥臂的一种电流通路电路图；
33.图3(b)是本公开实施例一中的两电平变流器桥臂的一种电流通路电路图
34.图3(c)是本公开实施例一中的两电平变流器桥臂的一种电流通路电路图；
35.图3(d)是本公开实施例一中的两电平变流器桥臂的一种电流通路电路图；
36.图4是本公开实施例二中的基于预测控制的变流器系统开路故障诊断系统的结构框图。
具体实施方式：
37.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
38.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
39.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
40.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.实施例一
42.本公开实施例一针对变流器系统提供了一种基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法，实现了对故障开关的快速准确定位。
43.如图1所示的一种基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法，包括以下步骤：
44.步骤s01：获取变流器系统的状态量实测值；
45.步骤s02：对变流器系统进行精准建模，得到变流器系统的状态量预测值；
46.步骤s03：基于状态量实测值与状态量预测值，计算状态量偏差，对状态量偏差进行稳定化处理，得到偏差增长率；
47.步骤s04：比较偏差增长率与预设的理论偏差阈值的大小关系，若偏差增长率的绝对值小于预设的理论偏差阈值，则该变流器系统处于正常运行状态；若偏差增长率的绝对值大于预设的理论偏差阈值，则该变流器系统存在开路故障，通过状态量偏差的数值符号实现故障定位。
48.在本实施例中，以两电平逆变器永磁同步电机驱动系统为例，分别介绍了变流器模型、电机模型、变流器桥臂电流通路及变流器系统的开路故障诊断方法。
49.如图2所示的一种两电平变流器模型，由三相桥臂与直流电容组成，每相桥臂由两个功率开关管串联而成，三相桥臂相互并联连接至直流电容。通过给予不同门极信号，两电
平变流器存在两种开关状态，即p(上侧开关管导通，下侧开关管关断)或n(下侧开关管导通，上侧开关管关断)。两电平变流器输出端经线缆与永磁同步电机相连，控制变流器的三相电压，实现电机的稳定运转。
50.为便于设计控制算法，在同步旋转坐标系下进行永磁同步电机的建模，即
[0051][0052][0053]
其中，表示永磁同步电机的端电压，r
s
表示定子电阻，l
s
为定子电感，表示定子电流，为合成磁链，ω
e
表示转子电角速度，ψ
pm
为永磁磁链。
[0054]
应用前向欧拉法对公式(1)、(2)进行离散化处理，得到定子电流的预测方程：
[0055][0056]
其中，t
s
为采样周期，下标k表示第k个采样时刻的变量值，下标k+1表示第k+1个采样时刻的变量值。
[0057]
图2中的两电平变流器中的桥臂有且仅有4种电流流通路径，具体的电流流通电路图分别如图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)所示。具体的，当桥臂开关状态为p时，相电流经上侧开关管流出(如图3(a)所示)，或经上侧续流二极管流入(如图3(c)所示)；当桥臂开关状态为n时，相电流经下侧开关管流入(如图3(d)所示)，或经下侧续流二极管流出(如图3(b)所示)。
[0058]
本实施例中的故障诊断方法针对变流器的单个开关管开路故障。当变流器开关管发生开路故障时，故障桥臂的预测电流通路与实际电流通路将不完全相同，这将使对该相电压的预测值出现偏差，桥臂上下侧开关管故障对电压偏差的影响如下表1所示。
[0059]
表1开关管故障对电压偏差的影响(规定电流流出为“+”，流入为
“‑”
，直流电容电压为v
dc
)
[0060]
[0061][0062]
以序号1为例，当上侧开关管发生开路故障，桥臂开关状态为p，相电流正向流出桥臂时，控制器预测电流通路为图3(a)，输出电压预测值为v
dc
，但开关管故障使该流通路径开路，实际电流通路为图3(b)，输出电压实际值为0，此时对该相电压的预测偏差为
‑
v
dc
。
[0063]
通过定子电流预测方程公式(3)，可得下一时刻的电流预测值：
[0064][0065]
式中，为当前时刻的电压预测值。
[0066]
由公式(3)和公式(4)，可得因电压偏差导致的电流偏差值：
[0067][0068]
式中，为当前时刻的电压偏差。
[0069]
通过坐标变换将式(5)转化至三相坐标系下，即得因相电压偏差导致的相电流偏差值为
[0070][0071]
其中，为当前时刻的各相电压偏差。
[0072]
结合表1中的电压偏差与公式(6)中的相电流偏差，能够清楚地得到该相上侧与下侧开关管故障时相电流理论误差分别为理论阈值的负值与正值，而正常工作时，电压偏差为零，相电流偏差也接近零。故此处，误差增长率介于两个阈值中间判定正常，低
于负阈值判定上侧开关管故障，高于正阈值判定下侧开关管故障；即实现了理论偏差阈值的预设。
[0073]
为减弱参数误差、调制延时等对相电流偏差计算的影响，采用逐差法对相电流瞬时偏差进行稳定化处理，得到偏差增长率如下：
[0074][0075][0076]
其中，为当前时刻的相电流偏差累计值，n为控制周期延时数，为稳定化处理后的偏差增长率。
[0077]
将误差增长率同预设的理论偏差阈值(在本实施例中，预设的理论偏差阈值取)进行比较，即可定位故障开关。对于两电平变流器拓扑结构，开路故障诊断表如下2所示。
[0078]
表2两电平变流器开路诊断表
[0079][0080]
对于不同的控制方式，系统状态变量的种类与个数有所不同；对于不同的负载应用，系统状态量的计算方程也不同，这些要求均可通过系统建模来调整。对于图1所示的变流器拓扑，可以推广至任意电平数，应用于四象限电机驱动(包括永磁同步电机、感应电机等)，亦可应用于并网变流器、背靠背拓扑结构等场合。对于前述的开路故障诊断，也可推广至通过配置熔断器转化至开路故障的短路故障等故障类型。
[0081]
本公开所提出的基于预测控制的开路故障诊断方法，通过对变流器系统进行精准建模，得到系统的状态量预测值，并与所采集的状态量实测值作差，经逐差法处理后与理论阈值比较，以此建立了一套有效的变流器系统开路故障诊断理论，能够快速诊断并定位变流器系统中的开路故障，为随后的故障处理(容错控制、停机检修等)提供了指导，极大地提高了并网变流器与高性能电机驱动等功率电力电子系统的可靠性。
[0082]
实施例二
[0083]
本公开实施例二提供了一种基于预测控制的变流器系统开路故障诊断系统，采用了实施例一中所提供的基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法。
[0084]
如图4所示的基于预测控制的变流器系统开路故障诊断系统，包括：
[0085]
测量单元，用于获取变流器系统的状态量实测值；
[0086]
建模单元，用于对变流器系统进行精准建模，得到变流器系统的状态量预测值；
[0087]
处理单元，在测量单元和建模单元的基础上，通过状态量实测值与状态量预测值计算状态量偏差，对状态量偏差进行稳定化处理，得到偏差增长率；
[0088]
诊断单元，比较偏差增长率与预设的理论偏差阈值的大小关系，若偏差增长率的绝对值小于预设的理论偏差阈值，则该变流器系统处于正常运行状态；若偏差增长率的绝对值大于预设的理论偏差阈值，则该变流器系统存在开路故障，通过状态量偏差的数值符号实现故障定位。
[0089]
实施例三
[0090]
本公开实施例三提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法中的步骤。
[0091]
详细步骤与实施例一提供的基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法相同，在此不再赘述。
[0092]
实施例四
[0093]
本公开实施例四提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法中的步骤。
[0094]
详细步骤与实施例一提供的基于预测控制的变流器系统开路故障诊断方法相同，在此不再赘述。
[0095]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
[0096]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。