[发明专利]基于降阶观测器的NPC三电平逆变器多类故障诊断方法

权利要求书

1.一种基于降阶观测器的NPC三电平逆变器多类故障诊断方法，该方法涉及的NPC三电平逆变器的拓扑结构包括直流电源、两个相同的支撑电容、主逆变电路、三个相同的传感器、三个相同的电感、三个相同的电阻和控制模块；所述直流电源的直流电压记为U_dc，两个所述的支撑电容分别记为支撑电容C1和支撑电容C2，支撑电容C1和支撑电容C2串联后并联在直流电源的直流正母线Q₁和直流负母线Q₂之间；

所述主逆变电路分为三相桥臂，三相桥臂均与直流电源并联，将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a，b，c；在三相桥臂中，每相桥臂由四个开关管串联组成，即主逆变电路共包含12个开关管，将12个开关管记为V_kσ，σ表示开关管的序号，σ＝1，2，3，4；在三相桥臂的每相桥臂中，开关管V_k1、开关管V_k2、开关管V_k3、开关管V_k4依次串联，开关管V_k2和开关管V_k3的连接点记为主逆变电路的输出点ψ_k，k＝a，b，c；

将所述三个相同的传感器记为传感器S_k、三个相同的电感记为电感L_k、三个相同的电阻记为R_k，k＝a，b，c，所述传感器S_k的一端与主逆变电路的输出点ψ_k相连，另一端与电感L_k相连，电感L_k的另一端与电阻R_k相连，电阻R_k的另一端接地；

所述控制模块的输入端分别连接传感器S_a、传感器S_b、传感器S_c，所述控制模块的输出端分别连接12个开关管V_kσ；

其特征在于，所述基于降阶观测器的NPC三电平逆变器多类故障诊断方法包括以下步骤：

步骤1，将NPC三电平逆变器记为逆变器，建立逆变器的混合逻辑动态模型，并计算k相相电压U_k的估计值k＝a，b，c；

NPC三电平逆变器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，为k相端电压的估计值，ξ_k为k相桥臂的开关函数，k＝a，b，c；

k相相电压U_k的估计值的表达式为：

步骤2，通过传感器S_a、传感器S_b、传感器S_c检测逆变器的三相输出电流i_a，i_b，i_c，采样三相输出相电压U_a，U_b，U_c，建立逆变器在故障状态下的系统状态方程，其表达式为：

其中，x为逆变器输出电流，为x的导数，U为逆变器输出相电压，A为系数矩阵1，R为电阻R_a的电阻值，L为电感L_a的电感值，B为系数矩阵2，C为系数矩阵3，C＝I₃，I₃为三阶的单位矩阵，F为故障系数矩阵，D为扰动系数矩阵，y为逆变器系统输出信号，f_x为开关管故障信号，f_s为传感器故障信号，d为逆变器扰动信号；

步骤3，对故障状态下的系统状态方程进行增广得到增广状态方程，其表达式为：

其中，为逆变器输出电流x的增广，为逆变器输出电流x的增广的导数，为增广系数矩阵1，0_3×3为三阶的零矩阵，为增广系数矩阵2，为增广系数矩阵3，为增广系数矩阵4，为增广故障系数矩阵，f为增广故障信号，

步骤4，定义一次变换矩阵T，其中为增广系数矩阵4的正交补的转置；定义一次变换电流并将一次变换电流展开为为一次变换电流的展开式1，为一次变换电流的展开式2；

将步骤3得到的增广状态方程进行第一次变换，得到一次变换状态方程为，其表达式为：

其中，为一次变换电流的导数，为一次变换系数矩阵1，为一次变换系数矩阵2，为一次变换系数矩阵3，T^-1为一次变换矩阵T的逆矩阵；

步骤5，将一次变换矩阵T的逆矩阵T^-1展开为T₁^-1为一次变换矩阵T的逆矩阵T^-1的展开式1，T₂^-1为一次变换矩阵T的逆矩阵T^-1的展开式2，T₃^-1为一次变换矩阵T的逆矩阵T^-1的展开式3，T₄^-1为一次变换矩阵T的逆矩阵T^-1的展开式4；定义二次变换矩阵V，并将二次变换矩阵V的逆矩阵V^-1展开为V₁^-1为二次变换矩阵V的逆矩阵V^-1的展开式1，V₂^-1为二次变换矩阵V的逆矩阵V^-1的展开式2，V₃^-1为二次变换矩阵V的逆矩阵V^-1的展开式3，V₄^-1为二次变换矩阵V的逆矩阵V^-1的展开式4；

将步骤4得到的一次变换状态方程中第一个等式两边同时左乘二次变换矩阵V的逆矩阵V^-1，得到二次变换状态方程，其表达式为：

其中，为二次变换系数矩阵1，为二次变换系数矩阵2，并将展开为为二次变换系数矩阵2的展开式1，为二次变换系数矩阵2的展开式2，为二次变换系数矩阵2的展开式3，为二次变换系数矩阵2的展开式4；为二次变换系数矩阵3，并将展开为为二次变换系数矩阵3的展开式1，为二次变换系数矩阵3的展开式2；为二次变换系数矩阵4，并将展开为为二次变换系数矩阵4的展开式1，为二次变换系数矩阵4的展开式2；

将二次变换状态方程展开可得到展开后的二次变换状态方程，其表达式为：

步骤6，对步骤5得到的展开后的二次变换状态方程进行第三次变换，具体步骤如下：

步骤6.1，存在正定矩阵P和增益矩阵J使矩阵不等式成立，使用LMI工具箱求出正定矩阵P和增益矩阵J，并将正定矩阵P展开为P₁为正定矩阵P的展开式1，P₂为正定矩阵P的展开式2，P₃为正定矩阵P的展开式3，P₄为正定矩阵P的展开式4；

步骤6.2，将展开后的二次变换状态方程方程中第一个等式两边同时左乘三次变换矩阵Z，得到三次变换状态方程，其表达式为：

其中，P₁^-1为P₁的逆矩阵；

步骤7，设计广义降阶观测器，表达式为：

其中，为中间变量，为中间变量的导数，为的估计值，为的估计值，为逆变器输出电流估计值，为三相输出电流i_a，i_b，i_c的估计值，为传感器故障估计值，为逆变器扰动估计值；

步骤8，设计故障诊断自适应阈值T_th；

定义K相电流形态因子M_k，其表达式为：

其中，e为自然常数，ln()为以自然常数e为底的对数函数，|i_k|_rms为k相输出电流i_k的绝对值的均方根值；

将三相输出电流i_a，i_b，i_c表达为k相输出电流i_k，将三相输出电流i_a，i_b，i_c的估计值表达为k相输出电流i_k的估计值定义K相故障诊断自适应阈值T_thk，

其中，| |为绝对值函数，为k相输出电流i_k的估计值的绝对值的均方根值；所述k相输出电流i_k的估计值为三相输出电流估计值

步骤9，对逆变器故障进行诊断，具体步骤如下：

步骤9.1，比较k相电流形态因子M_k和k相故障诊断自适应阈值T_thk，并进行以下判断：

若M_a＜T_tha且M_b＜T_thb且M_c＜T_thc，则判定逆变器正常工作，故障诊断结束；

若三相中任意一相的M_k≥T_thk，将M_k≥T_thk的相记为g相，并判定逆变器g相发生故障，将g相对应的传感器故障估计值记为g相传感器故障估计值g或等于a或等于b或等于c；

步骤9.2，定义g相故障定位阈值T_g，T_g＝i_gmax×5％，其中，i_g为g相输出电流，i_gmax为g相输出电流i_g的最大值，比较g相传感器故障估计值和g相故障定位阈值T_g，并进行以下判断：

若则判定逆变器g相开关管发生故障，进入步骤9.3；

若则判定逆变器g相传感器发生故障，进入步骤9.4；

步骤9.3，定义g相开关管故障检测特征量f_g和g相故障定位特征量w_g，w_g＝sign(|i_g|-T_g)，其中，为g相输出电流i_g的估计值，sign()为符号函数；

按以下条件进行开关管故障定位：

当f_g＝1，w_g＝1，则开关管V_g1发生开路故障；

当f_g＝1，w_g＝-1，则开关管V_g2发生开路故障；

当f_g＝-1，w_g＝-1，则开关管V_g3发生开路故障；

当f_g＝-1，w_g＝1，则开关管V_g4发生开路故障；

步骤9.4，定义g相传感器故障检测特征量v_g和g相故障定位特征量w_g，w_g＝sign(|i_g|-T_g)，其中，为g相输出电流i_g的导数，sign()为符号函数；

按以下条件进行传感器故障分类：

当v_g＝0，w_g＝1，则传感器S_g发生卡死故障；

当v_g＝0，w_g＝-1，则传感器S_g发生开路故障；

当v_g≠0，w_g＝1，则传感器S_g发生增益故障。

2.根据权利要求1所述基于降阶观测器的NPC三电平逆变器多类故障诊断方法，其特征在于，步骤1所述k相桥臂的开关函数ξ_k按照以下方式确定：

规定电流从NPC三电平逆变器流向电感L_k为正，电流从电感L_k流向NPC三电平逆变器为负，定义逻辑变量μ_k，μ_k＝1表示k相电流为正、μ_k＝0表示k相电流为负；将开关管V_kσ的开关信号记为δ_kσ，k相桥臂的开关函数ξ_k的表达式如下：

其中，符号“-”表示逻辑非。