基于特征比較的無(wú)線充電系統(tǒng)的故障識(shí)別方法

錢 強(qiáng)，閆麗華，董芮雯，黃海宇

（北京師范大學(xué)珠海分校，珠海 519087）

無(wú)線充電系統(tǒng)（wireless charging system）正在被廣泛應(yīng)用，對(duì)其穩(wěn)定性和可靠性的要求也越來(lái)越高[1-4]。無(wú)線充電系統(tǒng)電子器件繁多，故障后一一檢查費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，能迅速找到故障位置，進(jìn)而維護(hù)或隔離，就可以進(jìn)一步擴(kuò)展無(wú)線充電系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，因此故障識(shí)別具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。而無(wú)線充電系統(tǒng)與其他電力電子電路比較起來(lái)，無(wú)線充電系統(tǒng)內(nèi)部多級(jí)級(jí)聯(lián)，故障特點(diǎn)不明顯，發(fā)生故障后影響會(huì)被放大，傳統(tǒng)的故障識(shí)別方法很難達(dá)到理想效果，因此無(wú)線充電系統(tǒng)的故障識(shí)別方法一直是研究難點(diǎn)[5-15]。

目前國(guó)內(nèi)外尚未有成熟的、普適的無(wú)線充電系統(tǒng)故障識(shí)別方法。文獻(xiàn)[16]建立了無(wú)線充電系統(tǒng)母線電流和負(fù)載電阻的關(guān)系，通過(guò)估計(jì)負(fù)載電阻大小來(lái)判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，不足之處在于該方法不能得到故障位置；文獻(xiàn)[17]收集了無(wú)線充電系統(tǒng)多種故障的多點(diǎn)電壓電流數(shù)據(jù)，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立故障診斷的方案，該方法需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練，計(jì)算量大，具有一定的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力；文獻(xiàn)[18]推導(dǎo)了原邊電流電壓與空載的關(guān)系，提出一種空載保護(hù)的檢測(cè)方法。

本文通過(guò)分析無(wú)線充電系統(tǒng)原邊和副邊母線電壓、電流與各種故障特征間的關(guān)系，提出利用原邊和副邊母線電壓、電流信號(hào)進(jìn)行故障識(shí)別，采樣點(diǎn)少，實(shí)時(shí)性好。最后仿真驗(yàn)證了本方法的準(zhǔn)確性。

1 無(wú)線充電系統(tǒng)故障模型建立

無(wú)線充電系統(tǒng)常見(jiàn)的諧振網(wǎng)絡(luò)包括SS、SP、LCL-LCL、LCC-LCC型等多種，由于SS型的諧振頻率不受原副邊耦合系數(shù)影響，所用元件少，系統(tǒng)階數(shù)小，控制簡(jiǎn)單，因此被廣泛使用。

SS型無(wú)線充電系統(tǒng)如圖1所示，本文分析的系統(tǒng)電路拓?fù)浒ㄕ麟娐?（D1-D4，4個(gè)普通二極管）、電容濾波（Cdc1）、逆變電路（V1-V4，4 個(gè) MOS 管構(gòu)成全橋）、副邊整流（D5-D8，4個(gè)快恢復(fù)二極管）、濾波電路（Cdc2）、原副邊線圈互感（Lm）、原副邊諧振線圈（電感 L1、L2，內(nèi)阻 R1、R2）、諧振電容（C1、C2）以及電阻負(fù)載（RL）等部分。

圖1 SS型無(wú)線充電系統(tǒng)Fig.1 Wireless charging system with S-S resonant network

當(dāng)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率與諧振網(wǎng)絡(luò)頻率相同，都為 f，角頻率 ω=2πf。

定義原邊整流電路與逆變電路間的直流部分為原邊母線，副邊整流電路與負(fù)載電阻間的直流部分為副邊母線，在交流市電被二極管不控整流并濾波后的母線電流I1，原邊濾波電容兩端的母線電壓U1。原邊逆變后電壓Up，流過(guò)原邊線圈的電流Ip，副邊諧振電壓Us，流過(guò)副邊線圈電流Is。副邊整流后的母線電流I2，副邊濾波電容兩端的母線電壓U2。T型等效電路如圖2所示。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，等效電路如圖3所示。

圖2 T型等效電路Fig.2 T-type equivalent circuit

圖3 正常運(yùn)行時(shí)的等效電路Fig.3 Equivalent circuit under normal operation

原邊和副邊建立電壓方程

式中：ULm1和ULm2分別為互感Lm在原、副邊的感應(yīng)電壓；UL1、UL2、UR1、UR2、UC1和 UC2分別為諧振線圈和諧振電容上的電壓。

則原邊、副邊阻抗分別為

將式（3）～式（5）代入式（1）～式（2）得[19-20]

當(dāng)原邊線圈和副邊發(fā)生最佳諧振時(shí)，有

將式（10）～式（12）代入式（8）～式（9）得

圖2中，當(dāng)系統(tǒng)正常輸電運(yùn)行時(shí)，有

2 無(wú)線充電系統(tǒng)各故障情況分析

無(wú)線充電系統(tǒng)常見(jiàn)的故障有：原、副邊母線接地、原邊母線斷開(kāi)、負(fù)載開(kāi)路、原邊逆變橋開(kāi)路和副邊整流橋開(kāi)路[21]。根據(jù)對(duì)無(wú)線充電模型的分析，可得到上述6種故障情況的原、副邊母線電壓、電流關(guān)系。

（1）原邊母線接地時(shí)，有

原邊母線接地，原邊母線電壓、電流立刻為0，顯然能量無(wú)法從原邊傳送到副邊，即副邊母線電壓、電流也為0。

（2）副邊母線接地時(shí)，有

副邊母線接地，使副邊母線電壓立刻為0，副邊母線電流變化不大。副邊的短路電阻影響下，使原邊母線電流下降為很小值。

（3）原邊母線斷開(kāi)時(shí)，有

（4）負(fù)載開(kāi)路時(shí)，有

負(fù)載開(kāi)路，副邊整流后連接到整流電容Cdc2上，母線電壓上升到數(shù)倍，顯然該故障具有極強(qiáng)的破壞。原邊母線電壓降低，原邊母線電流上升到額定值的數(shù)倍。

（5）原邊逆變橋開(kāi)路時(shí)，有

原邊逆變橋損壞，其中一條支路的開(kāi)關(guān)器件損壞開(kāi)路，原邊諧振電壓變?yōu)閁1（可正可負(fù)）和零電平。能量只能在電路的半個(gè)周期作用下傳送到副邊，原邊母線電流變?yōu)?Ip和0，副邊整流后母線電壓和電流降低幾乎一半。該故障具有隱蔽性。

（6）副邊整流橋開(kāi)路時(shí)，有

副邊整流橋損壞，其中一條支路的開(kāi)關(guān)器件損壞開(kāi)路，使系統(tǒng)失去諧振，能量無(wú)法有效傳送。原邊諧振電流在數(shù)倍額定值范圍變化，副邊諧振電壓在0至數(shù)kV之間強(qiáng)烈振蕩，副邊母線電壓、電流為0。

3 特征提取建模

利用ANSYS simplorer軟件建立了一套3 kW無(wú)線充電系統(tǒng)，用于分析本文提出的故障識(shí)別方法，模型主要參數(shù)如表1所示。

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，原、副邊的母線電壓和電流仿真波形分別如圖4和圖5所示。原邊母線電壓為278 V，電流13.2 A；副邊母線電壓297 V，電流9.4 A。模型仿真時(shí)間1.0 s，在0.5 s時(shí)利用一個(gè)理想開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)模擬模型故障情況，得到故障前后的原、副邊母線電壓、電流仿真波形，如圖6～圖17所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of system

圖4 正常運(yùn)行時(shí)的原、副邊母線電壓仿真波形Fig.4 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses under normal operation

圖5 正常運(yùn)行時(shí)的原、副邊母線電流仿真波形Fig.5 Current simulation waveforms on primary-and secondary-side buses under normal operation

3.1 原邊母線接地故障分析

0.5 s發(fā)生原邊母線接地故障，仿真波形如圖6和圖7所示，原邊母線電壓電流立刻為0，副邊母線電壓電流也很快為0。

圖6 原邊母線接地的原、副邊母線電壓仿真波形Fig.6 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with bus grounding on primary side

圖7 原邊母線接地的原、副邊母線電流仿真波形Fig.7 Curren simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with bus grounding on primary side

3.2 副邊母線接地故障分析

副邊母線接地，負(fù)載電阻RL被短接，原、副邊母線電流仿真波形如圖8和圖9所示。副邊母線電壓立刻為0，由式（14）和第2.2節(jié)分析可知，副邊母線電流略增加，為11.8 A。由式（13）可得，原邊母線電流下降到很小的值，為0.7 A。

3.3 原邊母線斷開(kāi)故障分析

圖8 副邊母線接地的原、副邊母線電壓仿真波形Fig.8 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with bus grounding on the secondary-side

圖9 副邊母線接地的原、副邊母線電流仿真波形Fig.9 Current simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with bus grounding on the secondary-side

3.4 負(fù)載開(kāi)路故障分析

負(fù)載開(kāi)路，RL相當(dāng)于無(wú)窮大，由式（14）可知分母項(xiàng)明顯增大數(shù)倍，副邊母線電流減小接近0，由式（17）可知副邊母線電壓增大數(shù)倍，上升到2 kV以上。仿真波形如圖12和圖13所示。

3.5 原邊逆變橋損壞故障分析

圖10 原邊母線斷開(kāi)的原、副邊母線電壓仿真波形Fig.10 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with bus disconnected from the primary side

圖11 原邊母線斷開(kāi)的原、副邊母線電流仿真波形Fig.11 Current simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with bus disconnected from the primary side

圖12 負(fù)載開(kāi)路的原、副邊母線電壓仿真波形Fig.12 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with load open

圖13 負(fù)載開(kāi)路的原、副邊母線電流仿真波形Fig.13 Current simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with load open

圖14 原邊逆變橋損壞的原、副邊母線電壓仿真波形Fig.14 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with primary-side inverter damage

圖15 原邊逆變橋損壞的原、副邊母線電流仿真波形Fig.15 Curren simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with primary-side inverter damage

原邊逆變橋損壞，其中一條支路的開(kāi)關(guān)器件損壞開(kāi)路，仿真波形如圖14和圖15所示。原邊逆變電路輸出電壓半個(gè)周期內(nèi)為U1，另半個(gè)周期為0，能量也只能一半周期傳送到副邊，原邊母線電壓上升到304 V，原邊母線電流小于一半的正常值。副邊整流后母線電壓和電流降低一半，分別為156 V和5.1 A。

3.6 副邊整流橋損壞故障分析

副邊整流橋損壞，其中一條支路的開(kāi)關(guān)器件損壞開(kāi)路，系統(tǒng)失去諧振。原邊母線電流在－40～140 A范圍振蕩，原邊母線電壓在150～305 V之間振蕩，副邊母線電壓、電流均為0。仿真波形如圖16和圖17所示。

圖16 副邊整流橋損壞的原、副邊母線電壓仿真波形Fig.16 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with secondary-side rectifier damage

圖17 副邊整流橋損壞的原、副邊母線電流仿真波形Fig.17 Current simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with secondary-side rectifier damage

參考第3.1～3.6節(jié)的分析，將圖4～圖17的數(shù)據(jù)匯總到表2，可以看出，故障發(fā)生時(shí)的原、副邊電壓和電流平均值與前面的故障模型分析一一對(duì)應(yīng)，具有明顯特征，因此可以利用這些故障特征對(duì)比作為故障識(shí)別的方法。電壓和電流信號(hào)分別與對(duì)應(yīng)參考值做比較，就可以判斷出具體的故障原因。

表2 故障特征數(shù)據(jù)（平均值）Tab.2 Data of fault features（average values）

4 仿真驗(yàn)證和識(shí)別結(jié)果

利用前文所述的理論基礎(chǔ)，本文制定了故障識(shí)別方案，其流程如圖18所示。

圖18 故障識(shí)別流程Fig.18 Flow chart of fault identification

首先在原邊控制器的故障識(shí)別模塊中設(shè)置合理的原邊發(fā)射側(cè)電壓最大最小參考值U1max和U1min，U1max＞U1min；設(shè)置原邊發(fā)射側(cè)電流最大最小參考值I1max和 I1min，I1max＞I1min；設(shè)置副邊接收側(cè)電壓最大最小參考值 U2max和 U2min，U2max＞U2min； 設(shè)置副邊接收側(cè)電流最大最小參考值 I2max和 I2min，I2max＞I2min； 然后利用原、副邊母線的電壓、電流AD采樣電路，得到具體信號(hào)值；把副邊信號(hào)傳送給原邊控制器，最終原邊發(fā)射側(cè)電壓電流信號(hào)、副邊接收側(cè)電壓電流信號(hào)分別與對(duì)應(yīng)參考值1、參考值2做比較。故障特征如表3所示，如果滿足表3中相應(yīng)的條件，即可判斷出故障發(fā)生的位置和原因。

表3 故障特征比較Tab.3 Comparison of fault features

為了測(cè)試該故障識(shí)別方法的實(shí)際效果，利用Simplorer軟件搭建測(cè)試電路，在不同負(fù)載電阻 （10～50 Ω）下，且考慮市電電壓波動(dòng)（0.9～1.1 p.u.），模擬以上6種常見(jiàn)故障。其中0.10 s時(shí)發(fā)生原邊母線接地，0.15 s時(shí)恢復(fù)；0.20 s時(shí)發(fā)生副邊母線接地，0.25 s時(shí)恢復(fù)；0.30 s時(shí)發(fā)生原邊母線斷開(kāi)，0.35 s時(shí)恢復(fù)；0.40 s時(shí)發(fā)生負(fù)載開(kāi)路，0.45 s時(shí)恢復(fù)；0.50 s時(shí)發(fā)生原邊逆變橋損壞，0.55 s時(shí)恢復(fù)；0.60 s時(shí)發(fā)生副邊整流橋損壞，0.65 s時(shí)恢復(fù)。

圖19和圖20分別為在6種故障情況下的原、副邊母線電壓和電流仿真波形，圖21和圖22為兩圖的局部放大。518.5 ms時(shí)原邊母線電壓、電流分別為303.45 V、3.58 A，副邊母線電壓和電流分別179.83 V、6.08 A，其數(shù)值分別與表3中對(duì)應(yīng)電壓、電流參考值（300 V、200 V；15 A、1 A；350 V、30 V；13 A、2 A）比較。比較結(jié)果為：大于300 V、大于200 V；小于15 A、大于 1 A；小于 350 V、大于 30 V；小于13 A、大于2 A，符合表3中原邊逆變橋損壞特征。

圖19 原、副邊故障母線電壓仿真波形Fig.19 Fault bus voltage simulation waveforms on primary and secondary sides

圖20 原、副邊故障母線電流仿真波形Fig.20 Fault bus current simulation waveforms on primary and secondary sides

圖21 原、副邊母線電壓平均值仿真波形局部Fig.21 Part of voltage average values simulation waveforms on primary-and secondary-side buses

圖22 原、副邊母線電流平均值仿真波形局部Fig.22 Part of current average values simulation waveforms on primary-and secondary-side buses

故障識(shí)別結(jié)果如圖23所示，可以看出，經(jīng)過(guò)短暫的采樣和計(jì)算時(shí)間，故障時(shí)的電壓、電流數(shù)值比較結(jié)果符合表3中對(duì)應(yīng)各規(guī)則，故障識(shí)別模塊輸出1～6，即對(duì)應(yīng)的6種故障類型能被準(zhǔn)確分辨。

圖23 故障識(shí)別結(jié)果Fig.23 Fault identification results

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了無(wú)線充電系統(tǒng)的故障下等效模型，討論了6種故障下的諧振網(wǎng)絡(luò)原、副邊母線電壓、電流與故障位置的關(guān)系，提出了數(shù)值關(guān)系作為故障特征的方法。進(jìn)而基于該特征提出一種在線故障定位方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法適用于無(wú)線充電系統(tǒng)的故障識(shí)別，具有一定的可靠性和實(shí)用性。