[发明专利]双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法

说明书

本发明公开了一种双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法，属于电力电子器件故障检测的技术领域。对于双向开关级，通过检测输出侧滤波电容电压，构造各相滤波电容电压误差信号，若大于设定的门槛值，则判断该相发生故障，并由误差信号的极性，定位双向开关级发生开路故障的开关管。对于单向开关级，检测单向开关级的零矢量作用时直流母线两端电势，若大于设定的门槛值，则判断发生故障，再将直流母线两端的电势分别与三相电源电压对比，即可定位发生故障的开关管。本发明检测思路简单，所需增加硬件电路少，具有较高的实用价值。

技术领域

本发明涉及一种双级矩阵变换器在反向发电状态时的开路故障检测方法，属于电力电子器件故障检测的技术领域。

背景技术

双级矩阵变换器(Two Stage Matrix Converter，TSMC)是一种AC-AC变换器。由于其摒除了传统AC-AC变换器中直流母线上的储能电容，TSMC更易于集成化，且体积可仅为传统AC-AC变换器的三分之一，因而在航空航天等对变换器尺寸和重量有较高要求的场合成为一种选择。

目前TSMC的调制多采用双空间矢量调制，使得系统具有输入功率因数可控、电压利用率高、每个开关周期内开关总次数较少等优点，同时有电压约束关系：

其中，U_Im、U_Rm分别为单向开关级和双向开关级的相电压幅值，在反向发电系统中，U_Im为输入电压，U_Rm为输出电压，m_c为双向开关级电流矢量调制比，m_v为单向开关级电压矢量调制比，为双向开关级的功率因数。由于m_c、m_v均小于1，与常规的TSMC发电系统的降压模式相反，反向发电系统是一种升压式结构。在获得相同幅值电压的前提下，反向发电系统中开关管的电压应力较小，可靠性较高。

为了使TSMC更能适应航空航天等运用场合，对其可靠性的要求不断提高，需要在故障发生后快速精确定位故障管，以便研究人员采取合理的措施降低故障带来的损失。在有较多功率开关的TSMC内部，可能发生的故障包括开路故障(包括开关管的开路故障和与之相连的驱动电路的开路故障)以及短路故障。对于IGBT的故障检测有两种主流的方法。第一种方法基于门级驱动电路的检测，通常包括检测集电极电压、门级电压或者发射极杂散电感两端的感应电压，以判断各个IGBT是否正常工作(参见文献1：(专利)一种IGBT驱动故障检测及诊断系统)。这种故障检测方法同时适用于开路故障和短路故障检测。由于此方法的检测速度快，故障持续时间短，门级驱动检测更适用于短路故障检测与保护。但对于多开关构成的TSMC，对每个开关的门级驱动进行检测的方法需要的检测电路复杂，软硬件代价高。另一种方法为基于算法的检测方法。由于执行算法时，系统需带故障运行一段时间，这种方法适用于开路故障检测。通过检测故障引起的不正常状态变量，如电压或电流，经过故障检测算法来定位故障管位置。已有文献表明，可通过采用检测输出电流和离散小波分析定位故障开关管(参见文献2：An open-circuit faults diagnosis method for matrixconverters based on DWT analysis of outputcurrent)，或利用输出电流和调制参数实现实时故障检测(参见文献3：Improvement of matrix converter drive reliability byonline fault detection and a fault-tolerant switching strategy)，另有基于箝位电路电流和开关状态的开关管故障检测方法(参见文献4：Fault-tolerant matrixconverter motor drives with fault detection of open switch faults)。尽管上述基于电流检测的方法所需的硬件成本低，但容易受空载运行情况的影响。基于电压检测的方法包括定义每个开关管的电压误差信号，对比输入输出电压即可检测出故障开关管(参见文献5：A new fault diagnosis method and a fault-tolerant switching strategyfor matrix converters operating with optimum alesina-venturini modulation)，与之相似地，另有定义输出误差线电压的方法(参见文献6：Fault-tolerant structure andmodulation strategies with fault detection method for matrix converters)。然而多数基于算法的故障检测方法是针对电压型逆变级拓扑设计的，而对于TSMC的故障检测方法很少，因此对TSMC的基于算法的故障检测有较大的研究空间和实用意义。