基于系统建模的多相交错并联升压斩波器开路故障检测
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引言：多相交错斩波器广泛应用于风力涡轮 机系统，光伏能源系统和混合动力电动汽车等工 业领域。该结构具有体积小，转换效率高，电流 波纹小等优点。虽然多相结构有一定的容错能 力，但是对开路故障（OCF）比较敏感。一旦支 路发生开路故障，输入电流纹波会显著增大从而 降低系统整体性能。在各个支路上的开关器件又 被认为是该电路中最脆弱的部分之一。老化、过 载等均可导致开关故障。因此多相交错并联升压 斩波器支路上特别是开关器件上的开路故障诊断 对于增强系统稳定性而言是必要的。
K
∑ Ii (n) = Ik (n) k =1
（3）
其中k表示电路的支路编号。如前所述，当开路故障发生在第k
相时，Ik等于零，而正常状态的支路电流 Iˆk 可以使用正常状态的单 相预存储电流值来估计。 因此，电感相电流Ik可写为：
（4）
可引入状态参数θk 将上式写成紧凑形式：
Ik (n) = θk Iˆk (n), (θk = 0,1)
ELECTRONICS WORLD・技术交流
DOI:10.19353/ki.dzsj.2019.04.082
基 于 系 统 建 模 的 多 相 交 错 并 联 升
广
东压
工
斩业
大
波学
自
器动
化
开学
院
刘路 故思
扬
杨障
俊
杰检 测徐
维 超
作为能量转换装置中的重要组成，电力电子 器件的故障诊断对于提高系统稳定性有着重要意 义。本文针对多相交错并联升压斩波器提出了一 种简单而有效的基于模型的开路故障诊断方法。 根据输入电流和电感器相电流之间的关系获得线 性模型，通过识别模型参数，即可检测出开路故 障及其发生的位置。硬件实验结果表明，即使多 相支路发生故障，该方法也能在一个开关周期内 准确诊断和定位开路故障。
上面讨论的所有方法都能在可接受的时间内 诊断出开路故障，但均未考虑电路中出现多个故 障的情况。为了处理多相支路故障，本文提出了 一种基于系统建模的开路故障诊断方法。该方法 仅用输入电流、开关信号和单个周期单相电流预 存值，而不必监测所有支路电流。与其他基于模 型的方法不同的是，此方法可以推广到其他多相 结构而无需重新建模。 1.系统建模与故障分析
本文考虑的系统是多重交错并联直流升压斩 波器。不失一般性，下文以四相斩波器为例展开 分析（见图1）。
图1 四相升压斩波器结构图
当支路的开关管接通时，电感相电压等于输入电压，电感由电
源充电，电压上升速率为：
dIk = Vi , (k = 1, 2,3, 4) dt L
（1）
当开关管关闭，电感对负载放电，放电速率为： dIk = Vi −Vo , (k = 1, 2,3, 4) dt L
（2）
其中Vi为输入电压，V0为输出电压。 为方便起见，电路支路标记为Pk，开关标记为Tk。当开路故障 发生时，对应支路上的电感立即开始放电，直到电流变为零，这导
致输入电流纹波增加。而当电路工作在电感电流断续模式时，其余
支路电流不受故障支路影响。
2.故障诊断算法
根据电路结构，输入电流和相电感电流的关系为：
表1 实验电路参数
符号/单位
描述
值
Vi / V
输入电压
12
L / mH
电感值
5
C / µF
电容值
100
R / kΩ
负载电阻
10
fs / kHz
开关频率
5
D/%
占空比
30
f / MHz
采样频率
2.5
M
样本点
360
电路由特定模块触发第二相和第四相支路故障，信号由示波器
采集，实验数据如图2所示。
实验结果如图3所示，可以看出θ2 和θ4 明显接近0，而其余参数 保持在1。可判定系统第二和第四相支路发生故障。
Hale Waihona Puke 和对称性求得其余支路的相电流。设 I pre 为预存电流值，则 Iˆk 对应表 达式为：
Ik
(n)
=
I
pre
(n
−
(k
−1)N K
)
−
β
N
),
(β = 0,1, 2,...)
由于输入电流 Ii 和预存电流 I pre 均已知，方程（6）中的参数θk 可由最小二乘法求得。
3.电路实验
以图1为实验对象，电路具体参数如表1。
• 140 •
ELECTRONICS WORLD・技术交流
图2 第二、四相支路故障，(a)、输入电流；(b)、输出电压； (c)、支路估计电流；(d)、预测输入电流与真实输入电流对比
图3 故障检测结果
4.结语 本文提出了一种基于系统建模的开路故障诊断方法。利用输入
电流和电感相电流之间的关系，并引入状态参数来表征系统运行状 态。最小二乘法能有效快捷地估计出系统状态参数。实验证明了方 法的有效性。该方法可以推广到其他具有相似结构的多重转换器， 也可直接应用于具有不同相数的转换器。
DOI:10.19353/ki.dzsj.2019.04.083
基
目前，中国每年有近800万应届毕业生，每一位毕业生在离校
的课程相同，对教材的重复利用率就高。
于
之际需要清理自己的物品，其中很大一部分是书籍。调查发现，现
旧书交易的进行也变得相对容易。
安
在大学生离校后对于旧书的处理方法多为卖和丢，造成许多本可以
近年来针对该电路结构提出的故障诊断方法 主要可以分为基于电流和基于电压两类。基于电 流的方法与转换器参数无关，并且它们通常不需 要额外的传感器。通过分析输入电流和开关信号 来快速定位开路故障。虽然基于电压的方法需要 额外的电压传感器来测量线间电压，但它们对虚 警和噪声具有更高抗干扰能力。基于磁性元件电 压，能够在连续电流传导模式下诊断开路故障。 除此之外还有数据驱动和基于模型的诊断方法。
（5）
若第k支路正常，则θk 为1，否则为0。将式（5）代入（1）可
得到最终的关系模型：
K
∑ Ii (n) = θk Iˆk (n), (θk = 0,1) k =1
（6）
Iˆk 是电感电流正常状态估计值，不受电路故障影响。为得到 Iˆk ，
可先预存其中一相支路一个周期的电流数据，再根据系统的周期性
卓
重复利用的书白白浪费。因此本文想通过设计实现一个校园旧书交 易app来更好的重复利用旧书。
的
我国是一个缺林少绿、生态脆弱的国家，森林覆盖率远低于
校
全球31%的平均水平，人均森林面积仅为世界人均水平的1/4，人均
园
森林蓄积只有世界人均水平的1/7，森林资源匮乏。而通常造纸用 的木材取自10-15年树龄的速生长纤维树种，一棵树大约能造60千
K
∑ Ii (n) = Ik (n) k =1
（3）
其中k表示电路的支路编号。如前所述，当开路故障发生在第k
相时，Ik等于零，而正常状态的支路电流 Iˆk 可以使用正常状态的单 相预存储电流值来估计。 因此，电感相电流Ik可写为：
（4）
可引入状态参数θk 将上式写成紧凑形式：
Ik (n) = θk Iˆk (n), (θk = 0,1)
ELECTRONICS WORLD・技术交流
DOI:10.19353/ki.dzsj.2019.04.082
基 于 系 统 建 模 的 多 相 交 错 并 联 升
广
东压
工
斩业
大
波学
自
器动
化
开学
院
刘路 故思
扬
杨障
俊
杰检 测徐
维 超
作为能量转换装置中的重要组成，电力电子 器件的故障诊断对于提高系统稳定性有着重要意 义。本文针对多相交错并联升压斩波器提出了一 种简单而有效的基于模型的开路故障诊断方法。 根据输入电流和电感器相电流之间的关系获得线 性模型，通过识别模型参数，即可检测出开路故 障及其发生的位置。硬件实验结果表明，即使多 相支路发生故障，该方法也能在一个开关周期内 准确诊断和定位开路故障。
上面讨论的所有方法都能在可接受的时间内 诊断出开路故障，但均未考虑电路中出现多个故 障的情况。为了处理多相支路故障，本文提出了 一种基于系统建模的开路故障诊断方法。该方法 仅用输入电流、开关信号和单个周期单相电流预 存值，而不必监测所有支路电流。与其他基于模 型的方法不同的是，此方法可以推广到其他多相 结构而无需重新建模。 1.系统建模与故障分析
本文考虑的系统是多重交错并联直流升压斩 波器。不失一般性，下文以四相斩波器为例展开 分析（见图1）。
图1 四相升压斩波器结构图
当支路的开关管接通时，电感相电压等于输入电压，电感由电
源充电，电压上升速率为：
dIk = Vi , (k = 1, 2,3, 4) dt L
（1）
当开关管关闭，电感对负载放电，放电速率为： dIk = Vi −Vo , (k = 1, 2,3, 4) dt L
（2）
其中Vi为输入电压，V0为输出电压。 为方便起见，电路支路标记为Pk，开关标记为Tk。当开路故障 发生时，对应支路上的电感立即开始放电，直到电流变为零，这导
致输入电流纹波增加。而当电路工作在电感电流断续模式时，其余
支路电流不受故障支路影响。
2.故障诊断算法
根据电路结构，输入电流和相电感电流的关系为：
表1 实验电路参数
符号/单位
描述
值
Vi / V
输入电压
12
L / mH
电感值
5
C / µF
电容值
100
R / kΩ
负载电阻
10
fs / kHz
开关频率
5
D/%
占空比
30
f / MHz
采样频率
2.5
M
样本点
360
电路由特定模块触发第二相和第四相支路故障，信号由示波器
采集，实验数据如图2所示。
实验结果如图3所示，可以看出θ2 和θ4 明显接近0，而其余参数 保持在1。可判定系统第二和第四相支路发生故障。
Hale Waihona Puke 和对称性求得其余支路的相电流。设 I pre 为预存电流值，则 Iˆk 对应表 达式为：
Ik
(n)
=
I
pre
(n
−
(k
−1)N K
)
−
β
N
),
(β = 0,1, 2,...)
由于输入电流 Ii 和预存电流 I pre 均已知，方程（6）中的参数θk 可由最小二乘法求得。
3.电路实验
以图1为实验对象，电路具体参数如表1。
• 140 •
ELECTRONICS WORLD・技术交流
图2 第二、四相支路故障，(a)、输入电流；(b)、输出电压； (c)、支路估计电流；(d)、预测输入电流与真实输入电流对比
图3 故障检测结果
4.结语 本文提出了一种基于系统建模的开路故障诊断方法。利用输入
电流和电感相电流之间的关系，并引入状态参数来表征系统运行状 态。最小二乘法能有效快捷地估计出系统状态参数。实验证明了方 法的有效性。该方法可以推广到其他具有相似结构的多重转换器， 也可直接应用于具有不同相数的转换器。
DOI:10.19353/ki.dzsj.2019.04.083
基
目前，中国每年有近800万应届毕业生，每一位毕业生在离校
的课程相同，对教材的重复利用率就高。
于
之际需要清理自己的物品，其中很大一部分是书籍。调查发现，现
旧书交易的进行也变得相对容易。
安
在大学生离校后对于旧书的处理方法多为卖和丢，造成许多本可以
近年来针对该电路结构提出的故障诊断方法 主要可以分为基于电流和基于电压两类。基于电 流的方法与转换器参数无关，并且它们通常不需 要额外的传感器。通过分析输入电流和开关信号 来快速定位开路故障。虽然基于电压的方法需要 额外的电压传感器来测量线间电压，但它们对虚 警和噪声具有更高抗干扰能力。基于磁性元件电 压，能够在连续电流传导模式下诊断开路故障。 除此之外还有数据驱动和基于模型的诊断方法。
（5）
若第k支路正常，则θk 为1，否则为0。将式（5）代入（1）可
得到最终的关系模型：
K
∑ Ii (n) = θk Iˆk (n), (θk = 0,1) k =1
（6）
Iˆk 是电感电流正常状态估计值，不受电路故障影响。为得到 Iˆk ，
可先预存其中一相支路一个周期的电流数据，再根据系统的周期性
卓
重复利用的书白白浪费。因此本文想通过设计实现一个校园旧书交 易app来更好的重复利用旧书。
的
我国是一个缺林少绿、生态脆弱的国家，森林覆盖率远低于
校
全球31%的平均水平，人均森林面积仅为世界人均水平的1/4，人均
园
森林蓄积只有世界人均水平的1/7，森林资源匮乏。而通常造纸用 的木材取自10-15年树龄的速生长纤维树种，一棵树大约能造60千