基于预测控制的矩阵变换器开关开路故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电路故障诊断领域，尤其涉及基于预测控制的矩阵变换器开关开路故 障诊断方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着电力电子技术的迅猛发展，出现了许多新型的电源转换器，在诸多 交-交变换器中，矩阵变换器可以实现所有交流参数(相数、相位、振幅、频率）的变换，并以 其特有的优势吸引了大批学者的关注。与传统的变换器相比，矩阵变换器具有以下的优点： 不需要中间直流储能环节、能够四象限运行、电源设计紧凑、具有优良的输入电流波形和输 出电压波形、能量可双向流动、体积小、重量轻以及可自由控制输入功率因数等。另外，由于 矩阵变换器没有电解电容器，所以寿命较长，可以广泛地应用于航空航天、军事和医疗等对 体积、重量有较高要求的领域。
[0003] 然而，矩阵变换器系统的开关器件长期处于高频调制下，发热较为严重，开关损耗 较大，也极易发生故障。当某个开关器件出现开路故障时，如不能及时发现并进行处理，很 容易损坏整个矩阵变换器系统。特别是长时间运行后，会严重影响系统的运行性能和设备 使用寿命。因此，对矩阵变换器系统进行故障诊断与容错至关重要。
[0004] 预测控制近年来被应用于电力电子变换器，因为该方法具有诸多优点，比如动态 响应快速、思路清晰和约束简单等，可灵活地应用于诸多系统。然而目前尚未见到用预测控 制的思想进行矩阵变换器故障诊断与容错的对策。因此，需设计一种基于预测控制的矩阵 变换器开关开路故障诊断方法，及时诊断系统故障的发生并采取相应的容错措施，以提高 矩阵变换器系统的可靠性及使用寿命。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于提供一种基于预测控制的矩阵变换器开关开路故障诊断方法，以 解决矩阵变换器的开关器件出现开路故障时无法及时发现的技术问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于预测控制的矩阵变换器开关开路故障诊 断方法，包括以下步骤：
[0007] S1:在矩阵变换器正常工作的情况下，依据采样周期采集矩阵变换器的输出电压、 输入电压、输入电流与负载电流，建立输出电压与输入电压、输入电流与负载电流之间的关 系丰吴型；
[0008] S2:在满足约束条件的情况下，确定矩阵变换器的所有开关组合状态的数目；
[0009] S3:建立矩阵变换器负载端状态空间模型，获得负载电流在下一采样周期的预测 值；
[0010] S4:建立矩阵变换器输入端滤波器状态空间模型，离散化后，获得下一采样周期输 入电流与输入电压的预测值；
[0011] S5:确定评价函数；
[0012] S6:采用有限集模型预测控制策略，在每一采样周期，在所有开关组合状态中选择 使评价函数值最小的开关状态，作为下一采样周期的开关状态；
[0013] S7:建立开关开路故障条件下的等效电路的状态空间模型，得到故障相负载电流 在开关开路故障后的变化规律；
[0014] S8:对负载电流进行在线监测，当负载电流持续为零时，根据有限集模型预测控制 选择的开关状态进行故障诊断，识别故障开关的位置。
[0015] 作为本发明的进一步改进：
[0016] 优选地，步骤S8完成后，方法还包括：
[0017] S9:在识别故障开关的位置后，将所有开关组合状态中与故障开关的动作有关的 开关状态去除，确定余下所有开关组合状态的数目；
[0018] S10:在余下的所有开关组合状态中，重新确定具体故障下的评价函数；
[0019] S11:采用有限集模型预测控制策略，在每一采样周期，在余下的所有开关组合状 态中选择使评价函数值最小的开关组合状态，作为下一采样周期的开关状态。
[0020] 优选地，输出电压与输入电压、输入电流与负载电流之间的关系模型如下：
[0024] 其中，11〇Α、11〇Β和11。。分别为A、B和C三相的输出电压;uea，、u eb和uec分别为A、B和C三相 的输入电压；iea、ieb和iec分别为A、B和C三相的输入电流；和^分别为A、B和C三相的 负载电流;S为开关状态矩阵;S中的元素55^06 03，(：}，￥6{&，13，(3})表示该开关的开关状 态，Sxy= 1表不开关Sxy为闭合状态，Sxy = 0表不开关Sxy为断开状态。
[0025]优选地，约束条件包括：
[0026] S201:输入端不短路，输出端不断路；
[0027] S202:在任意时刻，连接到同一相输出的三个双向开关中，有且仅有一个开关导 通，另外两个开关关断；
[0028] S203:满足各个开关占空比的非负性；
[0029]在上述约束条件下，开关状态矩阵S中的每个元素满足：
[0031]可得矩阵变换器正常工作时的所有开关组合状态有3*3*3 = 27种。
[0032] 优选地，步骤S3,包括以下步骤：
[0033] S301:建立矩阵变换器负载端状态空间模型如下：
[0035]其中，i。和u。分别为负载电流与输出电压;L和R分别表不负载的电感和电阻；
[0036] S302:定义一个开关周期Ts，根据向前欧拉公式得到负载电流在下一采样周期的 预测值i〇k+1为：
[0038]其中，ic^Pu。1^别为当前采样时刻的负载电流值和输出电压值;系数FjPF2分别 为：
[0041 ] 优选地，步骤S4,包括以下步骤：
[0042] S401:建立矩阵变换器输入端滤波器状态空间模型如下：
[0045] 其中Us、Ue、is和ie分别表示电源电压、滤波电容电压、电源电流和输入电流;Ri、Li 和匕分别表示滤波电阻、电源和滤波电感以及滤波电容；
[0046] S402:结合(9)式和（10)式得到：
[0053]式中《丨+1和分别表示在下一采样周期的滤波电容电压和电源电流值；<、<、? 和f分别表示在当前采样时刻的电源电压、滤波电容电压、电源电流和输入电流值;且有：
[0055] S404:将(15)式代入(14)式，得到下一采样周期的输入电流以及滤波电容电压：
[0058] 其中，E2、E3、D2和D3均为矩阵G的元素，E 1、E4、D1和D4均为矩阵H的元素，由Ri、Li、Ci和 采样周期1决定。
[0059] 优选地，步骤S5,包括以下步骤：
[0060] S501:确定与矩阵变换器的输入电流相关的评价函数；
[0061 ]矩阵变换器输入电流的参考值为：
[0063]其中Φ是输入电压的相角，匕为参考输入电流的幅值，并且有：
[0065]其中Usm为电源电压Us的幅值;II为矩阵变换器的效率，由如下公式获得：
[0067]其中的P。和Ριη分别表示输出功率和输入功率，分别由如下公式得到：
[0070] 其中表示参考负载电流P。的幅值;期望输入电流is功率因数为1，所以式中Θ为 〇；
[0071] S502:确定预测控制中关于输入电流匕期望达到单位输入功率因数性能的评价函 数gi为：
[0073]式中，Aisa和Ais{i分别表示两相静止坐标系下的输入电流在下一采样周期预测 值131)与参考值is#偏差的α和β分量，由如下公式得到：
[0075]式中，Tabctoa{!是三相静止坐标系转换为两相旋转坐标系的变换矩阵，由下式得到：
[0077] S503:确定预测控制中与矩阵变换器负载电流相关的评价函数：
[0078]定义关于负载电流预测值期望达到跟踪参考负载电流性能的评价函数g2为：
[0080]式中，Ai。。和Airf分别表示两相静止坐标系下的负载电流在下一采样周期预测 值:^与参考值i。#偏差的^^叩分量，由如下公式得到：
[0082] S504:定义总评价函数为：
[0083] g = A>l<gi+g2 (28)
[0084] 其中，λ是权重因子，表示输入电流的性能指标在整个矩阵变换器系统的控制中的 重要程度；
[0085] 则，步骤S6，具体为:在矩阵变换器运行过程中，采用有限集模型预测控制策略，即 在每个采样周期计算所有开关组合状态的总评价函数的g值，选择其中能使g值最小的一种 开关状态，作为下一采样周期的开关状态，实现达到系统期望的动态性能和稳态性能指标 的运行。
[0086] 优选地，步骤S7,包括以下步骤：
[0087] S701 :假设如下条件S7011至S7013成立：
[0088] S7011:采样周期为Ts;
[0089] S7012:将输入电压周期分为1、11、111、1￥、￥和￥1顺序排列的六个扇区，输入电压 相角在扇区V并且即将进入扇区VI;A输出相的参考电流值i'A和实际值?〇Α都是正值；
[0090] S7013:SAa发生开路故障，在kth个采样周期Tsk的时间内，预测控制器为了缩小A输 出相电流的实际值与参考值的偏差，始终给S Aa导通信号；
[0091] 则有，A输出相开路，A相负载电流id会流经箝位电路，其电路状态空间模型描述如 下：
[0093]式中，uN是负载中性点与电源接地点之间的电压；
[0094]输出相的电压表示如下：
[0096] 其中，是箝位电路的电容电压，umax为输入三相电压的最大值；
[0097] 由于A相负载电流流过箝位电路，所以UCP远大于umax，表示为：
[0099]其中，umin表示输入三相电压的最小值；
[0100]根据(29)式和(30)式，得到A相负载电流ioA的变化率为：
[0112] 由（34)式和(37)式可知：当故障开关满足SAa=l时，A相负载电流的幅值会越来越 小，从而使其实际值与参考值之间的偏差越来越大；因为S Aa在扇区VI和I连通A输出相对应 的最大输入电压，预测控制器始终给开关S/^导通信号，然而，SAa因为故障无法导通，结果就 是A相负载电流幅值减小并且连续几个采样周期内SA a= 1;在一定时间内，A相负载电流的幅 值逐渐减小到零；
[0113] S704:当输入电压相