[发明专利]一种三电平牵引变流器开路故障诊断方法及系统

权利要求书

1.一种三电平牵引变流器开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在牵引变流器系统正常工作的情况下，建立直流环节电压的数学计算模型；

S2：通过相关器件采集所述直流环节电压的实际值，然后根据所述数学计算模型计算所述直流环节电压的值作为估计值，根据所述实际值与所述估计值生成残差，并构建残差评价函数；

S3：设定残差的检测阈值h₀，计算第k个控制周期内残差评价函数的绝对值，若该绝对值大于所述检测阈值h₀，且持续一定控制周期，则视为系统发生了故障，进入步骤S4；否则视为系统没有发生故障，返回步骤S2；

S4：分析所述残差评价函数的数值与牵引变流器的各交流侧电流之间的关联度，根据所述关联度建立相似度判断函数，设定相似度阈值h₁，并将相似度判段函数的最大取值与所述相似度阈值h₁进行比较，判断故障桥臂的位置；

S5：设定诊断阈值h₂，向步骤S4中的故障桥臂中输入特定的控制信号序列，重新计算输入特定的控制信号后残差评价函数的绝对值，将该绝对值与所述诊断阈值h₂进行比较，得到故障桥臂上的具体故障器件所在位置；

所述步骤S1具体包括：

S11：在牵引变流器系统正常工作情况下，建立直流环节电压的常微分方程，公式为：

式中，u_cd1表示三电平牵引变流器直流环节上侧支撑电容器的两端电压，u_cd2表示三电平牵引变流器直流环节下侧支撑电容器的两端电压，C表示支撑电容器的电容值，R表示均压电阻器的电阻值，i_{p_FC1}表示流经变流器直流环节上侧支撑电容器的电流，i_{n_FC2}表示流经变流器直流环节下侧支撑电容器的电流，i_{p_rec}表示整流器直流侧上侧端口向直流环节方向的电流，i_{n_rec}表示整流器直流侧下侧端口向直流环节方向的电流，i_{p_inv}表示逆变器上侧端口向直流环节方向的电流，i_{n_inv}表示逆变器下侧端口向直流环节方向的电流，i_{p_DR1}表示流经变流器直流环节上侧均压电阻器的电流，i_{n_DR1}表示流经变流器直流环节下侧均压电阻器的电流；

S12：将三电平牵引变流器划分为五个结构对称的桥臂，分别为整流器A相桥臂、整流器B相桥臂、逆变器U相桥臂、逆变器V相桥臂和逆变器W相桥臂，建立各桥臂电流开关函数的通式，其公式为：

式中，S_{p_x}表示桥臂直流侧上端口电流的开关函数，S_{n_x}表示桥臂直流侧下端口电流的开关函数，δ_x表示桥臂交流侧电流极性的标志位，其中i_x表示x相桥臂交流侧电流，x＝A,B,U,V,W，其中，s_x1、s_x2、s_x3和s_x4依次表示桥臂由上往下的四个开关管T_x1、T_x2、T_x3和T_x4的开关状态；

S13：建立整流器A相和整流器B相桥臂直流侧电流与整流器直流侧电流之间的数学关系，其公式为：

i_{p_rec}＝i_{p_A}+i_{p_B} (3)

i_{n_rec}＝i_{n_A}+i_{n_B} (4)

式中，i_{p_A}表示整流器A相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，i_{p_B}表示整流器B相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，i_{n_A}表示整流器A相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流，i_{n_B}表示整流器B相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流；

建立整流器A相和整流器B相桥臂直流侧电流与整流器交流侧电流之间的数学关系，其公式为：

i_{p_rec}＝S_{p_A}·i_N+S_{p_B}·(-i_N)＝S_{p_A}·i_N-S_{p_B}·i_N (5)

i_{n_rec}＝S_{n_A}·i_N+S_{n_B}·(-i_N)＝S_{n_A}·i_N-S_{n_B}·i_N (6)

式中，S_{p_A}表示A相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，S_{n_A}表示A相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，S_{p_B}表示B相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，S_{n_B}表示B相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，i_N表示整流器交流侧电流，其中，对于A相桥臂有i_N＝i_x＝i_A，对于B相桥臂有-i_N＝i_x＝i_B；

S14：建立逆变器U相、逆变器V相和逆变器W相桥臂直流侧电流与逆变器直流侧电流之间的数学关系，其公式为：

i_{p_inv}＝i_{p_U}+i_{p_V}+i_{p_W} (7)

i_{n_inv}＝i_{n_U}+i_{n_V}+i_{n_W} (8)

式中，i_{p_U}表示逆变器U相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，i_{p_V}表示逆变器V相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，i_{p_W}表示逆变器W相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，i_{n_U}表示逆变器U相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流，i_{n_V}表示V相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流，i_{n_W}表示逆变器W相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流；

建立逆变器U相、逆变器V相和逆变器W相桥臂直流侧电流与逆变器交流侧电流之间的数学关系，其公式为：

i_{p_inv}＝S_{p_U}·(-i_sa)+S_{p_V}·(-i_sb)+S_{p_W}·(-i_sc) (9)

i_{n_inv}＝S_{n_U}·(-i_sa)+S_{n_V}·(-i_sb)+S_{n_W}·(-i_sc) (10)

式中，S_{p_U}表示逆变器U相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，S_{n_U}表示逆变器U相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，S_{p_V}表示逆变器V相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，S_{n_V}表示逆变器V相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，S_{p_W}表示逆变器W相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，S_{n_W}表示逆变器W相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，i_sa表示逆变器交流侧U相电流，且-i_sa＝i_x＝i_U，i_sb表示逆变器交流侧V相电流，且-i_sb＝i_x＝i_V，i_sc表示逆变器交流侧W相电流，且-i_sc＝i_x＝i_W；

S15：基于上述步骤S11至S14建立直流环节电压与整流器交流侧电流和逆变器交流侧电流之间的数学关系，其公式为：

将整流器交流侧感性负载电流和逆变器交流侧感性负载电流在一个牵引变流器的开关周期内的变化忽略不计，求解上述公式(11)得：

式中，t表示系统运行时间，t₀表示开关管的状态切换时刻，公式(12)中且则可得上述公式(11)的近似解为：