[发明专利]高铁牵引系统单相三电平整流器开路故障诊断方法

权利要求书

1.一种高铁牵引系统单相三电平整流器开路故障诊断方法，该方法所涉及的电路拓扑结构包括网侧电压源U_s、网侧等效电感L_s和网侧等效电阻R_s、整流桥、两个相同的支撑电容C_d1，C_d2、直流侧负载；支撑电容C_d1和支撑电容C_d2串联后并联在直流侧负载的直流正母线P和直流负母线Q之间，支撑电容C_d1和支撑电容C_d2的接点记为直流母线中点O；

所述整流桥分为两相桥臂，两相桥臂均与直流侧负载并联；将两相桥臂记为桥臂k，k为桥序，k＝a,b；在两相桥臂中，每相桥臂包括4个带反连二极管的开关管、两个钳位二极管，即整流桥共包含8个带反连二极管的开关管和4个钳位二极管，将8个开关管记为开关管V_kγ，γ表示开关管的序号，γ＝1，2，3，4，将4个钳位二极管记为钳位二极管D_ckρ，ρ为钳位二极管的序号，ρ＝1，2；在两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，其中，开关管V_k2和开关管V_k3的连接点记为整流桥输入点τ_k，k＝a,b；在两相桥臂的每相桥臂中，钳位二极管D_ck1的阴极接在开关管V_k1和开关管V_k2之间，钳位二极管D_ck1的阳极接钳位二极管D_ck2的阴极，钳位二极管D_ck2的阳极接在开关管V_k3和开关管V_k4之间，且钳位二极管D_ck1和钳位二极管D_ck2的连接点与直流母线中点O相接；

所述网侧等效电感L_s的一端接整流桥输入点τ_a，另一端依次与网侧等效电阻R_s、网侧电压源U_s串联，网侧电压源的另一端接整流桥输入点τ_b；

其特征在于，所述诊断方法包含以下步骤：

步骤1，建立单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，并计算整流桥输入端相电压U_ab的估计值

采样网侧电流，并将该网侧电流记为一次网侧电流i_s，采样支撑电容C_d1和支撑电容C_d2的直流电压并记为一次直流电压u₁,u₂，采样直流侧电压U_dc；建立单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，并计算整流桥输入端相电压U_ab的估计值所述整流桥输入端相电压U_ab为整流桥输入点τ_a和整流桥输入点τ_b之间的电压；

所述单相三电平整流器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，为a相极电压的估计值，为b相极电压的估计值，T_h为一次直流电压u₁的混合逻辑动态函数，T_l为一次直流电压u₂的混合逻辑动态函数；

所述整流桥输入端相电压U_ab的估计值的表达式为：

步骤2，建立单相三电平整流器状态空间方程，其表达式为：

式中，为一次网侧电流i_s的导数，分别为一次直流电压u₁,u₂的导数，C₁,C₂分别为支撑电容C_d1、支撑电容C_d2的电容值，i_p为直流正母线P上的电流，i_q为直流负母线Q上的电流，y为单相三电平整流器状态空间方程的输出，L为网侧等效电感L_s的电感值，R为网侧等效电阻R_s的电阻值，F为单相三电平整流器的扰动信号，G为系数矩阵1，

步骤3，构建新型自适应滑模观测器，表达式为：

其中，为一次网侧电流i_s的估计值，记为一次网侧电流估计值为一次直流电压u₁,u₂的估计值，记为一次直流电压估计值一次网侧电流估计值的导数，为直流电压估计值的导数，为新型自适应滑模观测器的输出；

A为系数矩阵2，B为系数矩阵3，C为系数矩阵4，C＝(1 0 0)，为可变参数1，tanh()为双曲正切函数，α为可变参数2，且α＞1，μ为可变参数3，且μ∈(0，1)，ε为可变参数4，且ε＞1，β为可变参数5，β＞0，s为滑模面；

步骤4，将步骤3设计的新型自适应滑模观测器的输出记为一次诊断输出根据该一次诊断输出计算得到一次网侧电流估计值并定义网侧电流残差r和一次诊断残差特征值r_s，表达式分别如下：

式中，|i_s|为一次网侧电流i_s的绝对值，|i_s|_avg为一次网侧电流i_s的绝对值的平均值，为一次网侧电流估计值的绝对值，为一次网侧电流估计值的绝对值的平均值；

步骤5，给定一次诊断自适应阈值T_th1；

步骤6，对单相三电平整流器进行一次诊断；

计算一次诊断残差特征值r_s的绝对值|r_s|，将该绝对值|r_s|和一次诊断自适应阈值T_th1进行比较，并得出如下诊断：

若|r_s|≤T_th1，则单相三电平整流器未发生开路故障，系统正常工作，故障诊断结束；

若|r_s|＞T_th1，则单相三电平整流器发生开路故障，进入步骤7；

步骤7，给定二次诊断自适应阈值T_th2；

步骤8，进行单桥臂四个开关管的一次故障定位；

定义四个开关管组M_γ，γ＝1，2，3，4，具体的，

M₁:V_a1和V_b4；

M₂:V_a2和V_b3；

M₃:V_a3和V_b2；

M₄:V_a4和V_b1；

定义第一故障定位特征量X₁，定义第二故障定位特征量X₂，X₂＝sign(r)，进行单桥臂四个开关管的一次故障定位，具体如下：

若X₁＝0且X₂＝-1，则开关管V_a1或V_b4发生开路故障；

若X₁＝1且X₂＝-1，则开关管V_a2或V_b3发生开路故障；

若X₁＝1且X₂＝1，则开关管V_a3或V_b2发生开路故障；

若X₁＝0且X₂＝1，则开关管V_a4或V_b1发生开路故障；

定义故障开关管组M_e，e为故障开关管组的序号，即e或为1，或为2，或为3，或为4；

步骤9，建立单相三电平整流器故障混合逻辑动态模型，并计算发生开路故障时整流桥输入端相电压U_abe的估计值

采样发生开路故障时网侧电流并记为二次网侧电流i_se，采样发生开路故障时相应的支撑电容C_d1和支撑电容C_d2的直流电压并记为二次直流电压u_1e,u_2e，e或为1，或为2，或为3，或为4；

建立发生开路故障时单相三电平整流器的混合逻辑动态模型，记为单相三电平整流器故障混合逻辑动态模型，其表达式为：

其中，为发生开路故障时a相极电压的估计值，为发生开路故障时b相极电压的估计值，T_he为发生开路故障时二次直流电压u_1e的混合逻辑动态函数，记为故障混合逻辑动态函数T_he，T_le为发生开路故障时二次直流电压u_2e的混合逻辑动态函数，记为故障混合逻辑动态函数T_le；

所述发生开路故障时整流桥输入端相电压U_abe的估计值的表达式为：

步骤10，构建单相三电平整流器故障状态空间方程；

构建在发生开路故障状态下的单相三电平整流器状态空间方程，并记为单相三电平整流器故障状态空间方程，其表达式为：

式中，为二次网侧电流i_se的导数，分别为二次直流电压u_1e,u_2e的导数，为单相三电平整流器故障状态空间方程式的输出；

步骤11，在发生开路故障状态下，构建新型故障状态自适应滑模观测器，表达式为：

其中，为二次网侧电流i_se的估计值，记为二次网侧电流估计值为二次直流电压u_1e,u_2e的估计值，记为二次直流电压估计值为二次网侧电流估计值的导数，为二次直流电压估计值的导数，为新型故障状态自适应滑模观测器的输出值；为系数矩阵5，

步骤12，将步骤11构建的新型故障状态自适应滑模观测器的输出记为二次诊断输出根据该二次诊断输出计算得到二次网侧电流估计值再根据步骤10中采样得到二次网侧电流i_se，定义二次诊断残差特征值r_e，e或为1，或为2，或为3，或为4，表达式为：

其中，|i_se|为二次网侧电流i_se的绝对值，|i_se|_avg为二次网侧电流i_se的绝对值的平均值，为二次网侧电流i_se估计值的绝对值，为二次网侧电流i_se估计值的平均值；

步骤13，给定三次诊断自适应阈值T_th3；

步骤14，对故障开关管进行二次故障定位；

定义故障定位量Z₁，并进行如下定位：

若Z₁＝0，故障开关管组M_e中的a相桥臂开关管发生开路故障；

若Z₁＝1，故障开关管组M_e中的b相桥臂开关管发生开路故障。