交错反激式微逆变器的开路故障诊断方法

摘要

本发明公开了一种交错反激式微逆变器的开路故障诊断方法及系统，该方法包括步骤：构建观测器对交错反激式微逆变器中的任一主开关器件所在的支路电流进行在线估计并生成估计电流；根据估计电流与同一位置处实际测量所得的实际电流生成电流残差；将电流残差的H2范数与残差阈值进行比较，从而判断交错反激式微逆变器中的所述主开关器件是否发生开路故障。该系统包括：观测器，用于对支路电流进行在线估计并生成估计电流；电流残差模块，用于根据估计电流与实际电流生成电流残差；比较模块，用于将电流残差的H2范数与残差阈值进行比较，判断是否发生开路故障。本发明能及时发现交错反激式微逆变器开路故障，以便及时进行处理，延长使用寿命。

主权项

一种交错反激式微逆变器的开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：构建观测器，用所述观测器对交错反激式微逆变器中的任一主开关器件所在的支路电流进行在线估计并生成估计电流；所述构建观测器，包括以下步骤：a.采用开关周期平均方法对交错反激式微逆变器进行建模，建立基于开关周期平均的单路反激式变换器的三阶非线性模型，公式如下：$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{Lm}}{dt}=\frac{1}{L_m}(d*u_{pv}-(R_{on}+R_p)*d*i_{Lm}-d^{\prime }*u_{ac}/N)\\ \frac{{\mathrm{di}}_{ac}}{dt}=\frac{1}{L_f}(u_{ac}-R_f*i_{ac}-u_f)\\ \frac{{\mathrm{du}}_f}{dt}=\frac{1}{C_f}(d^{\prime }*i_{Lm}/N-i_{ac})\end{array}\right.---\left(1\right)$其中，u_ac为交错反激式微逆变器输出端接入的电网电压，u_pv为交错反激式微逆变器中光伏板的直流侧电压，d、d′分别为主开关器件S_PV在一个开关周期里的开通时间与关断时间，且d′＝1‑d，R_p为单路反激式微逆变器中的变压器内阻，L_m为单路反激式微逆变器中的变压器电感，R_f、L_f、C_f分别为输出端的滤波电阻、滤波电感和滤波电容，R_on为主开关器件S_PV的导通电阻，N为变压器副边到原边的匝数比，i_ac为副边滤波电感电流，i_Lm为上支路原边励磁电感电流，u_f为副边滤波电容电压；b.对所述三阶非线性模型，采用稳态工作点处进行小偏差线性化处理：假定变换器工作在稳态工作点Q，该点的稳态占空比D＝u_ac/(u_ac+u_pv)，设I_Lm、I_ac、V_f分别为稳态原边励磁电感电流、稳态副边滤波电感电流和稳态副边滤波电容电压；在所述稳态工作点处对状态变量和输入变量引入微小扰动，即：$\left\{\begin{array}{c}{i}_{Lm}=I_{Lm}+{\mathrm{\Delta i}}_{Lm}\\ i_{ac}=I_{ac}+{\mathrm{\Delta i}}_{ac}\\ u_f=V_f+{\mathrm{\Delta u}}_f\\ d=D+\Delta d\\ u_{pv}=V_{pv}+{\mathrm{\Delta u}}_{pv}\\ u_{ac}=V_{ac}+{\mathrm{\Delta u}}_{ac}\end{array}\right.---\left(2\right)$将所述公式(2)代入所述公式(1)可得$\left\{\begin{array}{c}\frac{d\left(I_{Lm}+{\mathrm{\Delta i}}_{Lm}\right)}{dt}=\frac{1}{L_m}\left(\begin{array}{c}\left(D+\Delta d\right)*\left(V_{pv}+{\mathrm{\Delta u}}_{pv}\right)-\left(D+\Delta d\right)*\left(I_{Lm}+{\mathrm{\Delta i}}_{Lm}\right)*\left(R_{on}+R_p\right)\\ -\left(1-\left(D+\Delta d\right)\right)*\left(V_{ac}+{\mathrm{\Delta u}}_{ac}\right)/N\end{array}\right)\\ \frac{d\left(I_{ac}+{\mathrm{\Delta i}}_{ac}\right)}{dt}=\frac{1}{L_f}\left(\left(V_{ac}+{\mathrm{\Delta u}}_{ac}\right)-\left(I_{ac}+{\mathrm{\Delta i}}_{ac}\right)R_f-\left(V_f+{\mathrm{\Delta u}}_f\right)\right)\\ \frac{d\left(V_f+{\mathrm{\Delta u}}_f\right)}{dt}=\frac{1}{C_f}\left(\left(1-\left(D+\Delta d\right)\right)*\left(I_{Lm}+{\mathrm{\Delta i}}_{Lm}\right)/N-\left(I_{ac}+{\mathrm{\Delta i}}_{ac}\right)\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$利用稳态关系将公式(3)进行化简，并且将二阶交流项近似为0，可得：$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{Lm}}{dt}=-\frac{R}{L_m}{i}_{Lm}+0*i_{ac}-\frac{D^{\prime }}{L_{m}N}{u}_f+\frac{k}{L_m}d+0*u_{ac}+\frac{D}{L_m}{u}_{pv}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{ac}}{dt}=0*i_{Lm}-\frac{R_f}{L_m}{i}_{ac}+\frac{1}{L_f}{u}_f+0*d-\frac{1}{L_f}{u}_{ac}+0*u_{pv}\\ \frac{{\mathrm{du}}_f}{dt}=\frac{D^{\prime }}{{\mathrm{NC}}_f}{i}_{Lm}-\frac{1}{C_f}{i}_{ac}+0*u_f-\frac{I_{Lm}}{{\mathrm{NC}}_f}d+0*u_{ac}+0*u_{pv}\end{array}\right.---\left(4\right)$式中：D′＝1‑D，R＝D(R_on+R_p)，k＝u_pv‑I_Lm(R_on+R_p)+u_ac/N，获得单路反激式变换器的线性化小信号模型，公式如下：$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{·}{x}=Ax+Bu\\ y=Cx\end{array}\right.---\left(5\right)$其中，且D′＝1‑D，R＝D(R_on+R_p)，k＝u_pv‑I_Lm(R_on+R_p)+u_ac/N；y＝[i_Lm]分别为状态变量、控制输入和可测输出；C＝[1 0 0]分别为状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵，且有：为状态变量的一阶导数；c.构造观测器，公式为：$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{·}{\hat{x}}=\left(A-HC\right)\hat{x}+Bu+Hy\\ \hat{y}=C\hat{x}\end{array}\right.---\left(6\right)$其中，分别为状态变量及可测输出量的估计值，H为观测器输出误差补偿矩阵；d.根据反激式变换器的线性化小信号模型，令状态估计误差为则有，$e=x-\hat{x}=\left[\begin{array}{c}{e}_{i_{Lm}}\\ e_{i_{ac}}\\ e_{u_f}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i}_{Lm}-{\hat{i}}_{Lm}\\ i_{ac}-{\hat{i}}_{ac}\\ u_f-{\hat{u}}_f\end{array}\right]---\left(7\right)$式中，为上支路原边励磁电感电流估计误差、为副边滤波电感电流估计误差、为副边电容电压估计误差；并用所述线性化小信号模型减去状态观测器，得到：$\stackrel{·}{x}-\stackrel{·}{\hat{x}}=(A-HC)(x-\hat{x})---\left(8\right)$结合所述公式(7)和所述公式(8)式，可得：$\stackrel{·}{e}=(A-HC)e---\left(9\right)$选择观测器输出误差补偿矩阵H使得(A‑HC)稳定；根据所述估计电流与同一位置处实际测量所得的实际电流生成电流残差；将所述电流残差的H2范数与残差阈值进行比较，从而判断所述交错反激式微逆变器中的所述主开关器件是否发生开路故障。