CN116125169A - 一种npc三相四线整流器内功率管开路故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法，涉及故障预警技术领域，该方法能够实现在线故障预警，指导容错技术和运维策略，防止灾难性故障发生。包括：确定每一相电流的正采样均值和负采样均值，并确定内功率管是否发生故障；若检测出内功率管发生故障，则根据每一相电流的正采样均值和负采样均值定位故障相；比较故障相的正采样均值和负采样均值，定位出故障内功率管。本发明适用于对称电源NPC三相四线整流器中内功率管开路故障的检测，具备计算成本低、鲁棒性好、诊断速度快等优势。

Description

一种NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法

技术领域

本发明涉及故障预警技术领域，尤其是一种NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法。

背景技术

近年来，随着新能源技术的快速发展，越来越多的新能源汽车陆续出现。作为新能源汽车充电桩的重要充电模块，整流器的可靠性是考量***质量的重要指标。在整流器中，功率管由于高频开通、关断很容易造成开路故障，直接影响***正常运行。NPC(NeutralPoint Clamped，中点钳位)三相四线整流器由于优越的性能应用于充电桩的整流模块。针对NPC三相四线整流器的开路故障提出实时有效的诊断方法，提供实时有效的信息给后续的容错控制策略，对提高整流模块的可靠性具有重要的工程应用价值。

当前已出版的文献中，关于三相三电平整流器开路故障实时检测方法大部分是基于模型残差，所构建的模型过多依赖于模型参数、***信号，实现能力差，造成故障诊断技术无法得到良好的应用。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法，其目的在于能够实现在线故障预警，指导容错技术和运维策略，防止灾难性故障发生。本发明的技术方案如下：

一种NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法，包括如下步骤：

确定每一相电流的正采样均值和负采样均值，并确定内功率管是否发生故障；

若检测出内功率管发生故障，则根据每一相电流的正采样均值和负采样均值定位故障相；

比较故障相的正采样均值和负采样均值，定位出故障内功率管。

其进一步的技术方案为，确定每一相电流的正采样均值和负采样均值的方法包括：

采集三相电流并进行归一化操作；

确定滑动窗口中采样点个数L；

将滑动窗口内采集的每个归一化三相电流与零进行比较，划分每一相电流的正采样点和负采样点，再计算每一相归一化电流的正采样均值和负采样均值，表达式为：

其中，P_x表示x相归一化电流的正采样均值，N_x表示x相归一化电流的负采样均值，i_{x_m}表示滑动窗口内采集的x相归一化电流的第m个采样点，x＝a，b，c。

其进一步的技术方案为，确定内功率管是否发生故障的方法包括：

设M为所有相电流的正采样均值绝对值和负采样均值绝对值中的最小值；若M大于阈值Th，则确定内功率管发生故障，否则内功率管正常工作。

其进一步的技术方案为，根据每一相电流的正采样均值和负采样均值定位故障相的方法包括：

根据每一相电流的正采样均值P_x和负采样均值N_x，计算三相电流的均值偏移量D_x，D_x＝P_x－N_x，其中x＝a，b，c；

取三相电流的均值偏移量D_x最小值对应的一相为故障相。

其进一步的技术方案为，比较故障相的正采样均值P_x和负采样均值N_x，定位出故障内功率管的方法包括：

若|P_x|＞|N_x|，则定位故障相x的内功率上管发生故障；

若|P_x|＜|N_x|，则定位故障相x的内功率下管发生故障；

其中，x＝a，b，c。

其进一步的技术方案为，采集三相电流并进行归一化操作的方法包括：

依据采集的三相电流i_a、i_b、i_c计算电流峰值i_m，表达式为：

根据电流峰值i_m计算归一化三相电流值，表达式为：

其中，x＝a，b，c。

其进一步的技术方案为，确定滑动窗口中采样点个数L的计算表达式为：

其中，f表示三相电源的频率，f₁表示采样频率。

其进一步的技术方案为，阈值Th设为：

本发明的有益技术效果是：

(1)本方法只对实时采集的三相电流进行处理，从而实现检测出NPC三相四线整流器内功率管开路故障的情况，无需额外的硬件或构建模型，成本低。

(2)诊断的速度很快，只需要一个电流周期。

(3)抗扰能力强，可应对负载电流突变、电网电压突变、***参数变化等对故障的影响。

(4)实现算法简单，计算量小，显著降低了计算复杂度。

附图说明

图1是本申请提供的NPC三相四线整流器拓扑结构和故障诊断模块。

图2是本申请提供的NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1所示为本实施例中带故障诊断模块的NPC三相四线整流器的拓扑结构，包括：功率管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4、S_b1、S_b2、S_b3、S_b4、S_c1、S_c2、S_c3、S_c4，功率管对应的二极管D_a1、D_a2、D_a3、D_a4、D_b1、D_b2、D_b3、D_b4、D_c1、D_c2、D_c3、D_c4，直流侧电容C₁、C₂。图中，U_d为直流母线电压，

是整流器控制***的输出给定，u_as、u_bs、u_cs为三相电源，i_a、i_b、i_c为三相电流。在NPC三相四线整流器的拓扑结构中，U_d、i_a、i_b、i_c为整流器控制***提供反馈信息。在该拓扑结构的基础上，本实施例增设了一个内管故障诊断模块，以实时采集的三相电流i_a、i_b、i_c为输入变量，执行本实施例提供的一种NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法的步骤，其中S_a2、S_b2、S_c2为内功率上管、S_a3、S_b3、S_c3为内功率下管。

如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤1：确定每一相电流的正采样均值和负采样均值，包括：

步骤1.1：采集三相电流i_a、i_b、i_c并进行归一化操作。

依据采集的三相电流i_a、i_b、i_c计算电流峰值i_m，表达式为：

根据电流峰值i_m计算归一化三相电流值i_{x_}，表达式为：

其中，x＝a，b，c。

步骤1.2：根据三相电源的频率f、采样频率f₁，确定滑动窗口中采样点个数L，表达式为：

步骤1.3：将滑动窗口内采集的每个归一化三相电流与零进行比较，划分每一相电流的正采样点和负采样点，再计算每一相归一化电流的正采样均值和负采样均值，表达式为：

其中，P_x表示x相归一化电流的正采样均值，N_x表示x相归一化电流的负采样均值，i_{x_m}表示滑动窗口内采集的x相归一化电流的第m个采样点。

步骤2：确定内功率管是否发生故障，包括：

步骤2.1：设M为所有相电流的正采样均值绝对值和负采样均值绝对值中的最小值，即M＝min(|P_a|，|N_a|，|P_b|，|N_b|，|P_c|，|N_c|)。

步骤2.2：若M大于阈值Th，则确定内功率管发生故障；若M小于等于阈值Th，则内功率管正常工作。

其中，阈值Th设为：

步骤3：若检测出内功率管发生故障，则根据每一相电流的正采样均值和负采样均值定位故障相，包括：

步骤3.1：根据步骤1得到的每一相归一化电流的正采样均值P_x和负采样均值N_x，计算三相电流的均值偏移量D_x，D_x＝P_x－N_x。

步骤3.2：取三相电流的均值偏移量D_x最小值对应的一相为故障相，即：

D’_x＝min(D_a,D_b,D_c)，则x相发生故障。

步骤4：比较故障相的正采样均值和负采样均值，定位出故障内功率管，包括：

若|P_x|＞|N_x|，则定位故障相x的内功率上管S_x2发生故障；

若|P_x|＜|N_x|，则定位故障相x的内功率下管S_x3发生故障。

上述方法的设计原理在于：在***健康状态下三相电流呈接近正弦变化，三相相位差为120度，归一化操作使得三相电流幅值为1。当发生内功率上管S_x2开路故障后，该相电流负半周期完全塌缩接近于零，而其正半周期不受影响且其他两相电流也不受影响；当发生内功率下管S_x3开路故障后，该相电流正半周期完全塌缩接近于零，而其负半周期不受影响且其他两相电流也不受影响。因此本方案所提出的正负采样均值可以执行故障的检测、故障相的定位以及故障内功率管的定位。需要说明的是，在步骤4中，当开路故障发生后正负采样均值中的一个值会显著减小，因此不会出现正负采样均值相等的情况。

本发明能够实时检测出NPC三相四线整流器开路故障的情况，所设计的诊断方法只需要实时检测三相电流，检测成本低、限制少；由于采用了归一化操作，对负载R、给定功率突变鲁棒性好、不会出现误报情况；所提出方法不依赖于***模型，不需要建立精确的电路模型、准确的***信号，实现能力强，可移植至其他***；算法简单，计算量小，显著降低了计算复杂度。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法，其特征在于，包括：

确定每一相电流的正采样均值和负采样均值，并确定内功率管是否发生故障；

若检测出内功率管发生故障，则根据每一相电流的正采样均值和负采样均值定位故障相；

比较故障相的正采样均值和负采样均值，定位出故障内功率管。

2.根据权利要求1所述的NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法，其特征在于，所述确定每一相电流的正采样均值和负采样均值的方法包括：

采集三相电流并进行归一化操作；

确定滑动窗口中采样点个数L；

将滑动窗口内采集的每个归一化三相电流与零进行比较，划分每一相电流的正采样点和负采样点，再计算每一相归一化电流的正采样均值和负采样均值，表达式为：

其中，P_x表示x相归一化电流的正采样均值，N_x表示x相归一化电流的负采样均值，i_{x_m}表示滑动窗口内采集的x相归一化电流的第m个采样点，x＝a，b，c。

3.根据权利要求1所述的NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法，其特征在于，确定内功率管是否发生故障的方法包括：

设M为所有相电流的正采样均值绝对值和负采样均值绝对值中的最小值；若M大于阈值Th，则确定内功率管发生故障，否则内功率管正常工作。

4.根据权利要求1所述的NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法，其特征在于，所述根据每一相电流的正采样均值和负采样均值定位故障相的方法包括：

根据每一相电流的正采样均值P_x和负采样均值N_x，计算三相电流的均值偏移量D_x，D_x＝P_x－N_x，其中x＝a，b，c；

取三相电流的均值偏移量D_x最小值对应的一相为故障相。

5.根据权利要求1所述的NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法，其特征在于，比较故障相的正采样均值P_x和负采样均值N_x，定位出故障内功率管的方法包括：

若|P_x|＞|N_x|，则定位故障相x的内功率上管发生故障；

若|P_x|＞|N_x|，则定位故障相x的内功率下管发生故障；

其中，x＝a，b，c。

6.根据权利要求2所述的NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法，其特征在于，所述采集三相电流并进行归一化操作的方法包括：

依据采集的三相电流i_a、i_b、i_c计算电流峰值i_m，表达式为：

根据电流峰值i_m计算归一化三相电流值，表达式为：

其中，x＝a，b，c。

7.根据权利要求2所述的NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法，其特征在于，确定滑动窗口中采样点个数L的计算表达式为：

其中，f表示三相电源的频率，f₁表示采样频率。

8.根据权利要求3所述的NPC三相四线整流器内功率管开路故障检测方法，其特征在于，所述阈值Th设为：

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