[发明专利]基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法

权利要求书

1.一种基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法，该诊断方法涉及的NPC三电平逆变器的拓扑结构包括直流电源U_dc、主逆变电路和3个相同的负载电阻；

所述主逆变电路包括2个相同的支撑电容和三相桥臂，所述2个相同的支撑电容分别记为支撑电容C1和支撑电容C2，所述三相桥臂中，每相桥臂包括4个带反向并联二极管的开关管和2个箝位二极管，即三相桥臂共包括12个带反向并联二极管的开关管和6个箝位二极管，12个开关管分别记为V_je，其中j表示相序，j＝a,b,c，e表示开关管的序号，e＝1,2,3,4，6个二极管分别记为D_jg，其中g表示箝位二极管的序号，g＝1,2；所述3个相同的负载电阻分别记为负载电阻R1、负载电阻R2和负载电阻R3；

所述支撑电容C1和支撑电容C2串联后连接在直流电源U_dc的直流正母线P与直流负母线Q之间，支撑电容C1、支撑电容C2的公共节点记为点O；所述三相桥臂相互并联在直流正母线P与直流负母线Q之间，即开关管V_a1、V_b1、V_c1的输入端并联后连接直流正母线P，开关管V_a4、V_b4、V_c4的输出端并联后连接直流负母线Q；在三相桥臂中，开关管V_a1、开关管V_a2、开关管V_a3和V_a4顺序串联,开关管V_b1、开关管V_b2、开关管V_b3和V_b4顺序串联，开关管V_c1、开关管V_c2、开关管V_c3和V_c4顺序串联；

二极管D_a1、D_b1、D_c1的阳极并联后连接点O，二极管D_a1的阴极连接开关管V_a1的输出端，二极管D_b1的阴极连接开关管V_b1的输出端，二极管D_c1的阴极连接开关管V_c1的输出端；二极管D_a2、D_b2、D_c2的阴极并联后连接点O，二极管D_a2的阳极连接开关管V_a3的输出端，二极管D_b2的阳极连接开关管V_b3的输出端，二极管D_c2的阳极连接开关管V_c3的输出端；

负载电阻R1的输入端连接开关管V_a2的输出端，负载电阻R2的输入端连接开关管V_b2的输出端，负载电阻R3的输入端连接开关管V_c2的输出端，负载电阻R1、负载电阻R2、负载电阻R3的输出端并联后接地；

其特征在于，本开路故障诊断方法的步骤如下：

步骤1，通过采样获得一个采样周期内NPC三电平逆变器三相输出电流并记为三相输出电流i_jh，j＝a,b,c，h表示第h次采样得到的样本，h＝1,2,...N,N为采样周期内的最大采样次数，N为正整数；

步骤2，根据步骤1得到的三相输出电流i_jh，通过加权滑动希尔伯特变换法得到三相输出电流i_jh的瞬时频率并记为瞬时频率计算过程如下：

设对三相输出电流i_jh进行加权滑动希尔伯特变换的滑动窗口为L个，将L个滑动窗口中的任意一个记为滑动窗口S_q，其中q为滑动窗户的序列号，q＝1,2...,L,其中L＝N/K,K为滑动窗口的步长；

用滑动窗口S_q采集三相输出电流i_jh的片段并记为电流序列X_q(t)，则与电流序列X_q(t)对应的三相输出电流i_jh的瞬时频率的计算式如下：

其中，t为时间；M为电流序列X_q(t)的长度；r为第(q-M/K+1)个滑动窗口到第q个滑动窗口中的任一个窗口；C为用于加权求和运算的高斯序列,C＝[c₁,c₂...,c_M/K]；Y_q(t)为对电流序列X_q(t)进行希尔伯特变换得到的复解析信号的虚部函数，P为柯西主值，τ为时间常数；

步骤3，先根据步骤2得到的瞬时频率求出三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|，然后根据三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|计算得到三相相电流频率残差的绝对值的均值并记为均值μ_j，j＝a,b,c，h＝1,2,...N；

三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|的计算式如下：

其中，f为正常运行情况下逆变器三相输出电流理论瞬时频率；

均值μ_j的计算式如下：

步骤4，根据步骤1得到的三相输出电流i_jh，归一化后得到三相输出电流i_jh的周期均值并记为周期均值ν_j，j＝a,b,c：

其中，i_jhmax为三相输出电流i_jh的幅值；

步骤5，首先设定以下三个故障检测阈值：频率残差均值检测阈值μ₁、第一相电流周期均值检测阈值ν₁和第二相电流周期均值检测阈值ν₂，然后将均值μ_j、周期均值ν_j与三个故障检测阈值进行比较，并根据比较结果对单个开关管开路故障发生状态进行诊断，具体诊断如下：

当μ_a＝0且ν_a＝0或者μ_b＝0且ν_b＝0或者μ_c＝0且ν_c＝0，则无开路故障；

当μ_a＞μ₁且-ν₂＜ν_a＜-ν₁，则V_a1发生故障；

当μ_a＞μ₁且ν_a＜-ν₂，则V_a2发生故障；

当μ_a＞μ₁且ν₂＜ν_a，则V_a3发生故障；

当μ_a＞μ₁且ν₁＜ν_a＜ν₂，则V_a4发生故障；

当μ_b＞μ₁且-ν₂＜ν_b＜-ν₁，则V_b1发生故障；

当μ_b＞μ₁且ν_b＜-ν₂，则V_b2发生故障；

当μ_b＞μ₁且ν₂＜ν_b，则V_b3发生故障；

当μ_b＞μ₁且ν₁＜ν_b＜ν₂，则V_b4发生故障；

当μ_c＞μ₁且-ν₂＜ν_c＜-ν₁，则V_c1发生故障；

当μ_c＞μ₁且ν_c＜-ν₂，则V_c2发生故障；

当μ_c＞μ₁且ν₂＜ν_c，则V_c3发生故障；

当μ_c＞μ₁且ν₁＜ν_c＜ν₂，则V_c4发生故障。