一种多通道IPT系统整流器二极管故障定位方法及系统

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，更具体地，涉及一种多通道IPT系统整流器二极管故障定位方法及系统。

背景技术

无线电能传输技术(Wireless Power Transmission,WPT)作为电力电子热门的方向，已引起国内外诸多学者进行研究。其包括感应式无线电能传输(Inductive powertransfer,IPT)和电容式无线电能传输(Capacitive power transfer,CPT)，感应式无线电能传输作为高效、安全、便捷的电能传输技术，已在铁路、航空、电网、电动汽车、医疗等领域得到广泛应用。

多通道IPT系统作为大功率、大电压传输系统的代表已被应用在航天、海上船舶等大功率设备中，系统以电力传输技术、信号处理技术、控制技术、数字电子技术、电路等理论为基础，采用多种电力电子设备以实现系统的电能变换、无功补偿、控制的技术要求。近十年来，WPT技术的快速发展和进步，整个系统无论是从电子器件性能、电能变换、耦合器设计、控制方面都趋于完善，尤其在新能源领域已得到广泛推广。在该背景下，需要WPT系统具有更高的稳定性、可靠性及安全性。尤其在多通道IPT系统，这种大功率、多电能变换器中，一旦电力电子器件发生故障，很可能导致系统多处出现过压或者过流的情况，损坏系统部件，若未及时发现、隔离、处理故障，轻则使系统性能、效率降低，重则变换器烧毁、电容爆炸，造成重大经济损失乃至威胁人身安全。因此加快WPT系统的故障诊断技术迫在眉睫。

相比传统电力电子诊断技术不同点在于，IPT系统采用的是几十至上百kHz的频率范围。故障后，电压电流暂态过程时间短，需要系统在故障发生的几十

目前国内外有关WPT系统的故障诊断技术的研究尚少，但对于传统工频下电力电子的故障诊断方法已经很成熟。如传统的故障诊断方法包括基于信号、基于数学模型和基于算法的三种类型。基于信号的诊断方法一般会通过提取系统某个具有代表性的故障特征量判断故障类型。例如基于傅里叶变换的电流畸变特性的三相开路故障诊断方法、基于形状子特征(Shapelet)变换算法的励磁电流时序特征的故障诊断方法、基于卷积神经网络的励磁电流特征提取的故障诊断方法；基于数学模型的诊断方法是通过系统建模求解出某电气量的稳态、暂态时域表达式从而表征故障特征量，进而判断故障类型和位置。例如基于混合逻辑动态(MLD)模型和残差生成的单相脉宽调制(PWM)整流器故障诊断方法、基于开关函数的整流站晶闸管的换流器差动保护方法。对于基于算法的诊断方法是通过对系统电气量信号进行分析，提取关键特征，再利用计算机算法和技术来检查、定位和诊断故障位置，基于数据分析、数据驱动的方法。常见的包括统计分析、基于模式识别、故障树分析和机器学习等。以上这些方法在工频中已得到很好的应用，在WPT系统中却很少出现。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多通道IPT系统整流器二极管故障定位方法及系统，能更快更准确地进行故障定位。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多通道IPT系统整流器二极管故障定位方法，应用于多通道ISOS-IPT系统，所述多通道ISOS-IPT系统包括多个IPT通道，每个IPT通道的输入串联，每个IPT通道的输出串联，每个IPT通道包括逆变器、原边侧补偿网络、原边侧线圈、副边侧线圈、副边侧补偿网络和桥式整流器，所述副边侧补偿网络包括副边侧串联补偿电容，所述桥式整流器包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，在所述桥式整流器的正半周期，所述第一二极管、所述第四二极管导通，在所述桥式整流器的负半周期，所述第二二极管、所述第三二极管导通，所述方法包括步骤：

根据所述多通道ISOS-IPT系统工作参数计算所述多通道ISOS-IPT系统正常工作时所述副边侧串联补偿电容电压的估计值；

测量实际工作时所述副边侧串联补偿电容电压，将所述副边侧串联补偿电容的测量值与估计值的差作为故障特征量，根据每个通道所述故障特征量的直流分量与所述故障特征量的有效值来判断每个通道所述桥式整流器的二极管故障类型及位置。

进一步地，根据每个通道所述故障特征量的直流分量与所述故障特征量的有效值来判断每个通道所述桥式整流器的二极管故障类型及位置包括步骤：

若所述故障特征量的直流分量不为零，计算所述故障特征量的直流分量与所述故障特征量的有效值的比值，将所述比值定义为故障阈值系数，若故障阈值系数的绝对值为1，则判断所述桥式整流器存在二极管短路故障，若故障阈值系数的绝对值不为1，则判断所述桥式整流器存在二极管开路故障。

进一步地，若故障阈值系数的绝对值为1且故障阈值系数大于零，则判断所述桥式整流器的第二二极管、第三二极管中的至少一个存在短路故障，若故障阈值系数的绝对值为1且故障阈值系数小于零，则判断所述桥式整流器的第一二极管、第四二极管中的至少一个存在短路故障，若故障阈值系数的绝对值不为1且故障阈值系数大于零，则判断所述桥式整流器的第二二极管、第三二极管中的至少一个存在开路故障，若故障阈值系数的绝对值不为1且故障阈值系数小于零，则判断所述桥式整流器的第一二极管、第四二极管中的至少一个存在开路故障。

进一步地，若所述故障特征量的直流分量为零，则判断未发生故障。

进一步地，所述副边侧串联补偿电容电压的估计值的计算公式为：

；

；

；

；

其中，

进一步地，所述故障阈值系数的计算公式为：

；

；

；

；

其中，

根据本发明的第二个方面，提供了一种多通道IPT系统整流器二极管故障定位系统，应用于多通道ISOS-IPT系统，所述多通道ISOS-IPT系统包括多个IPT通道，每个IPT通道的输入串联，每个IPT通道的输出串联，每个IPT通道所述包括逆变器、原边侧补偿网络、原边侧线圈、副边侧线圈、副边侧补偿网络和桥式整流器，所述副边侧补偿网络包括副边侧串联补偿电容，所述桥式整流器包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，在所述桥式整流器的正半周期，所述第一二极管、所述第四二极管导通，在所述桥式整流器的负半周期，所述第二二极管、所述第三二极管导通，所述系统包括：

计算模块，用于根据所述多通道ISOS-IPT通道工作参数计算所述多通道ISOS-IPT通道正常工作时所述副边侧串联补偿电容电压的估计值；

电压采集电路，用于测量实际工作时所述副边侧串联补偿电容电压；

滤波模块，用于将所述副边侧串联补偿电容的测量值与估计值的差作为故障特征量，获取每个通道所述故障特征量的直流分量；

故障判断模块，用于根据每个通道所述故障特征量的直流分量与所述故障特征量的有效值来判断每个通道所述桥式整流器的二极管故障类型及位置。

进一步地，根据每个通道所述故障特征量的直流分量与所述故障特征量的有效值来判断每个通道所述桥式整流器的二极管故障类型及位置包括步骤：

若所述故障特征量的直流分量不为零，计算所述故障特征量的直流分量与所述故障特征量的有效值的比值，将所述比值定义为故障阈值系数，若故障阈值系数的绝对值为1，则判断所述桥式整流器存在二极管短路故障，若故障阈值系数的绝对值不为1，则判断所述桥式整流器存在二极管开路故障。

进一步地，若故障阈值系数的绝对值为1且故障阈值系数大于零，则判断所述桥式整流器的第二二极管、第三二极管中的至少一个存在短路故障，若故障阈值系数的绝对值为1且故障阈值系数小于零，则判断所述桥式整流器的第一二极管、第四二极管中的至少一个存在短路故障，若故障阈值系数的绝对值不为1且故障阈值系数大于零，则判断所述桥式整流器的第二二极管、第三二极管中的至少一个存在开路故障，若故障阈值系数的绝对值不为1且故障阈值系数小于零，则判断所述桥式整流器的第一二极管、第四二极管中的至少一个存在开路故障。

进一步地，所述原副边侧串联补偿电容电压的估计值的计算公式为：

；

；

；

；

其中，

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术，具有有益效果：

能更快更准确地进行故障定位。通过测量实际工作时副边侧串联补偿电容电压，将副边侧串联补偿电容的测量值与估计值的差作为故障特征量，根据每个通道故障特征量的直流分量与故障特征量的有效值就能更快更准确来判断每个通道桥式整流器的二极管故障类型及位置，检测手段简单，测量参数少，成本低。能够有效保护IPT系统。近些年来，国内外电子工艺水平的快速提升，电压采集传感器的采样频率甚至达到上MHz，完全足够IPT系统在故障发生后的40微妙内做出动作，更快更准确地进行故障定位后，切除故障，降低IPT系统发生故障后造成的不可逆损失。

附图说明

图1是本发明实施例的多通道ISOS-SS型IPT系统拓扑图；

图2是本发明实施例的第

图3是本发明实施例的二极管

图4是本发明实施例的二极管

图5是本发明实施例的二极管

图6是本发明实施例的二极管

图7是本发明实施例的二极管

图8是本发明实施例的二极管

图9是本发明实施例的二极管

图10是本发明实施例的二极管

图11是本发明实施例的故障判断流程图；

图12是本发明实施例的第

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本申请实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明实施例中术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明提供了一种多通道IPT系统整流器二极管故障定位方法及系统，以下分别进行说明。

本发明实施例的一种多通道IPT系统整流器二极管故障定位方法，应用于多通道ISOS-IPT系统。ISOS-IPT系统是指输入串联、输出串联的多通道感应式无线电能传输系统。所述多通道ISOS-IPT系统包括多个IPT通道，每个IPT通道的输入串联，每个IPT通道的输出串联，每个IPT通道包括逆变器、原边侧补偿网络、原边侧线圈、副边侧线圈、副边侧补偿网络和桥式整流器，所述副边侧补偿网络包括副边侧串联补偿电容，所述桥式整流器包括第一二极管

（1）多通道ISOS-IPT系统输出特性分析

实际应用中，逆变器与整流器等电力电子变换器的最大传输功率受半导体器件最大电应力限制，若增加整个系统的传输功率，可通过增加传输通道来降低各变换器两端的电应力，从而提升系统的总传输功率。

多通道的意义是通过多条支路分流或者多等效负载分压来增加整个系统的传输功率，如图1所示，输入串联-输出串联的多通道IPT系统输入端等效为多个道分压，输出端等效为多负载输出。外层系统满足的基本电气量关系如式1所示。

；

其中

为便于后续分析，需掌握单通道SS型IPT系统的传输增益，如图2所示，为第

；

在谐振状态下，SS型IPT系统满足如下基本电气量关系：

；

其中

对于SS型补偿网络，输入电源为电压型，谐振条件下为恒流输出,结合式(2)和式(3)可推出系统第

；

在忽略系统损耗时，各通道内满足功率守恒，如式(5)、(6)

；

由(1)、(4)、(5)、(6)式可推出：

；

其中

公式(7)可看出各通道的外侧输出电压、直流侧等效负载与各通道的互感成正比。

（2）不控整流器单二极管故障分析

a.单管开路故障

二极管与可控型器件不同点在于不需要控制信号，且导通只与两端电势高低有关。将第

某

规定图3为副边反向通道，图4为正向通道。以二极管

二极管

当电势

同理，当二极管

负通道的二极管

稳态阶段，其非故障通道各电气量以及系统输出的求解。在各通道都满足谐振条件下，假定故障通道为

；

其中，

系统的逆变环节正常，且输入侧串联的原因，导致各通道发射线圈电流相等，故障

；

通道

；

由于通道

；

b.单管短路故障

单二极管短路与开路不同点在于，当系统

由图9可看出无论系统是否发生

故障后，整流器进入第一个负向通道，此时副边短路，电阻趋于0，原边直流侧等效电阻趋于无穷大，导致

（3）基于残差偏移度的故障分析

a.系统故障特征量定量分析

根据仿真结果，系统整流器部分发生故障，其副边补偿电容电压具有明显变化特性。以

；

其中

式(12)微分方程的齐次解

；

其中

；

其中，A为计算辅助值，也即方便表示的系数，没有实际物理含义。为进一步求方程特解，根据

；

最终，

；

副边电容电压滞后感应电动势90°，当

；

最终电容电压

；

对分段函数

；

b.残差及阈值生成

根据式(12)得到特征电容电压估计值的微分表达式为

；

将

；

；

以单二极管

因此，将所述副边侧串联补偿电容的测量值与估计值的差作为故障特征量，根据每个通道所述故障特征量的直流分量与所述故障特征量的有效值来判断每个通道所述桥式整流器的二极管故障类型及位置。

进一步地，结合系统的运行特性，定义故障阈值系数FTC(Fault thresholdcoefficient，FTC)，也可以记为K，用来判断整流器单管故障的类型和定位，表示残压特征量

；

其中

如图11所示，若所述故障特征量的直流分量为零，则判断未发生故障。若所述故障特征量的直流分量不为零，计算所述故障特征量的直流分量与所述故障特征量的有效值的比值，将所述比值定义为故障阈值系数，若故障阈值系数的绝对值为1，则判断所述桥式整流器存在二极管短路故障，若故障阈值系数的绝对值不为1，则判断所述桥式整流器存在二极管开路故障。

进一步地，若故障阈值系数的绝对值为1且故障阈值系数大于零，则判断所述桥式整流器的第二二极管、第三二极管中的至少一个存在短路故障，若故障阈值系数的绝对值为1且故障阈值系数小于零，则判断所述桥式整流器的第一二极管、第四二极管中的至少一个存在短路故障，若故障阈值系数的绝对值不为1且故障阈值系数大于零，则判断所述桥式整流器的第二二极管、第三二极管中的至少一个存在开路故障，若故障阈值系数的绝对值不为1且故障阈值系数小于零，则判断所述桥式整流器的第一二极管、第四二极管中的至少一个存在开路故障。

每个IPT通道的直流分量不受其它通道影响，只需单独检测每个通道特征量的直流分量即可定位二极管故障位置。因同一类通道两管故障具有相同的外部特征，若想进一步确认具体位置，可测量每个管子两端电压即可。

c.单管故障定量分析

本发明实施例采用simulink的仿真平台，搭建三通道ISOS-SS型IPT系统协助分析，具体参数如表1所示。

表1 仿真系统参数

；

系统参数满足谐振运行条件，即

系统

表2 故障后副边电气量变化表

；

在单管故障中，

；

其中，

在一个周期内，

；

其中

系统发生单管故障时，特征量的直流分量明显，足以区分单管故障类型和位置，具体值如表2所示。

对上述系统进行仿真，根据仿真情况可以知道，单二极管开路时，正向通道与反向通道的二极管故障中特征量稳态值成相反数关系，正向通道

单管短路较开路不同，从仿真情况可看出暂态过程波动大，时间长，特解具有不对称性，系统到再次稳态所需时间更久。其残差直流分量仿真值为±25.02V，理论公式值为±25.9V，偏差3.52%。

如图12所示，本发明实施例的一种多通道IPT系统整流器二极管故障定位系统，应用于多通道ISOS-IPT系统，所述多通道ISOS-IPT系统包括多个IPT通道，每个IPT通道的输入串联，每个IPT通道的输出串联，每个IPT通道包括逆变器、原边侧补偿网络、原边侧线圈、副边侧线圈、副边侧补偿网络和桥式整流器，所述副边侧补偿网络包括副边侧串联补偿电容，所述桥式整流器包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，在所述桥式整流器的正半周期，所述第一二极管、所述第四二极管导通，在所述桥式整流器的负半周期，所述第二二极管、所述第三二极管导通，所述系统包括：

计算模块，用于根据所述多通道ISOS-IPT通道工作参数计算所述多通道ISOS-IPT通道正常工作时所述副边侧串联补偿电容电压的估计值；

电压采集电路，用于测量实际工作时所述副边侧串联补偿电容电压；

滤波模块，用于将所述副边侧串联补偿电容的测量值与估计值的差作为故障特征量，获取每个通道所述故障特征量的直流分量；

故障判断模块，用于根据每个通道所述故障特征量的直流分量与所述故障特征量的有效值来判断每个通道所述桥式整流器的二极管故障类型及位置。

多通道IPT系统整流器二极管故障定位系统的实现原理、技术效果与上述多通道IPT系统整流器二极管故障定位方法相同，此处不在赘述。

本发明实施例的多通道IPT系统整流器二极管故障定位方法及系统，用于协助系统日常维护，降低设备更换成本。通过对不控整流器单管故障进行定性、定量分析，找出最具系统表征的故障特征量。采用时域分析及傅里叶分解求取特征量的直流部分值，设定阈值区间准确判断单管故障的类型及位置。该方法检测手段简单，测量参数少，成本低，能更快更准确进行故障定位。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。