ISOP 系統(tǒng)電源模塊故障診斷策略設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

程紅麗 ，史金鑫* ，李 勇

(1.西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安恒為電氣科技有限公司，陜西 西安 710100)

將多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能的電源模塊輸入輸出側(cè)串并聯(lián)，組成多模塊串并聯(lián)組合系統(tǒng)，能夠降低研發(fā)難度、減少成本，同時(shí)利于擴(kuò)容和冗余[1]。其中輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(input series output parallel，ISOP)電源系統(tǒng)能夠承受較高的輸入母線電壓，輸出低壓大電流，能適用于輸入電壓高輸出電流大的場(chǎng)合[2]。由于ISOP 電源系統(tǒng)獨(dú)特的組合方式，一旦電源模塊發(fā)生故障無法及時(shí)診斷與處理，剩余模塊將直接受到影響[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，由于電源模塊內(nèi)部開關(guān)管等功率器件易發(fā)生故障，導(dǎo)致電源模塊出現(xiàn)開路故障或短路故障[4]。同時(shí)，內(nèi)部功率器件故障所引起的電壓、電流應(yīng)力沖擊也會(huì)危害電路中其他元件的安全，易造成二次危害。因此需要針對(duì)ISOP電源系統(tǒng)中的開路故障與短路故障進(jìn)行故障診斷。

文獻(xiàn)[5－6]通過直接監(jiān)控開關(guān)管來診斷故障，但這種方法在電源內(nèi)部加入的檢測(cè)電路，會(huì)導(dǎo)致電源模塊工作不穩(wěn)定，降低動(dòng)態(tài)特性和效率。文獻(xiàn)[7]提出了一種適用于多種模塊化組合系統(tǒng)的故障診斷策略，該策略根據(jù)磁性元件電壓與開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序特征進(jìn)行故障檢測(cè)，可在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)診斷故障。但是這種故障診斷策略還是從電源模塊內(nèi)部入手，影響電源模塊本身的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]采用輸出電壓微分的方法設(shè)計(jì)了故障診斷策略，與傳統(tǒng)診斷方法相比，具有故障診斷時(shí)間短、不使用傳感器和成本低的特點(diǎn)，但是這種方法不適合ISOP 電源系統(tǒng)。

針對(duì)以上問題，根據(jù)ISOP 系統(tǒng)電源模塊輸入側(cè)分壓電容在短路故障與斷路故障下充放電速度與變化趨勢(shì)不同的原理，提出了一種針對(duì)多模塊ISOP電源系統(tǒng)的故障診斷方法。

1 ISOP 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)及故障類型

兩個(gè)電源模塊在輸入側(cè)串聯(lián)輸出側(cè)并聯(lián)組成ISOP 電源系統(tǒng)，如圖1 所示。正常運(yùn)行時(shí)，為保證各模塊工作時(shí)功率均衡，需要增加控制策略來保證電源模塊輸入側(cè)電壓均壓輸出側(cè)電流均流[9]。正常運(yùn)行時(shí)兩個(gè)電源模塊平均地分擔(dān)母線電壓，輸入側(cè)分壓電容C1、C2電壓均壓，每個(gè)模塊都處于功率相對(duì)較低的條件。出現(xiàn)斷路故障時(shí)均壓控制失效，故障電源模塊的等效阻抗變得無窮大，導(dǎo)致故障模塊分壓增大，對(duì)應(yīng)分壓電容充電電壓上升，由于總輸入電壓恒定，正常模塊分壓電容放電輸入電壓下降。出現(xiàn)短路故障時(shí)均壓控制失效，故障模塊的等效阻抗變?yōu)?，導(dǎo)致故障模塊分壓減小對(duì)應(yīng)分壓電容放電電壓下降，正常模塊輸入分壓電容充電電壓上升。短路故障相當(dāng)于自行隔離故障模塊，短期內(nèi)不影響電源系統(tǒng)，但是長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)增加正常模塊電應(yīng)力，增加了故障風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 ISOP 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 故障模型與故障診斷

2.1 斷路故障模型

以電源模塊1 出現(xiàn)斷路故障為例，其他模塊出現(xiàn)斷路故障時(shí)同理。電源模塊1 斷路故障簡(jiǎn)化圖如圖2 所示，為方便計(jì)算將電源模塊1 和電源模塊2分別用等效電阻R1和R2代替(R1＝R2＝R)。C1和C2(C1＝C2＝C)分別是電源模塊1 和電源模塊2 對(duì)應(yīng)的分壓電容。

圖2 斷路故障簡(jiǎn)化圖

斷路故障時(shí)分壓電容電壓VC1和VC2變化示意圖3 所示。

圖3 斷路故障分壓電容電壓變化示意圖

(1)在0～t1時(shí)刻:兩電源模塊正常運(yùn)行，在輸入均壓控制策略下，各模塊分壓電容電壓VC1和VC2近似相等，約為輸入電壓的一半:

(2)在t1～t2時(shí)刻:t1時(shí)刻電源模塊1 出現(xiàn)斷路故障，VC1開始升高，VC2開始下降。假設(shè)在t2時(shí)刻VC1增加了ΔV，VC2減少了ΔV。t2時(shí)刻電容C1吸收的能量WC1與C2釋放的能量WC2關(guān)系式如下:

輸入能量Win關(guān)系式如下:

電源模塊1 出現(xiàn)斷路故障后，電源模塊2 消耗的功率會(huì)隨著C2電壓的下降而變化，電源模塊2 消耗能量WR2為:

根據(jù)能量守恒關(guān)系可得:

結(jié)合式(2)～式(6)可以求出t1～t2時(shí)刻區(qū)間時(shí)間Δt:

(3)在t2～t3時(shí)刻:VC1繼續(xù)上升，VC2繼續(xù)下降，直到t3時(shí)刻VC1上升到Vin，VC2下降0，此刻系統(tǒng)完全失控。取ΔV＝1/2Vin，可以計(jì)算出斷路故障發(fā)生到完全失控的時(shí)間區(qū)間(t3～t1)，根據(jù)時(shí)間區(qū)間求得斷路故障下輸入分壓電容電壓變化的平均速度vcocf:

2.2 短路故障模型

以電源模塊1 出現(xiàn)短路故障為例，其他模塊出現(xiàn)短路故障時(shí)同理。電源模塊1 短路故障簡(jiǎn)化圖如圖4 所示，為方便計(jì)算將電源模塊1 和電源模塊2分別用等效電阻R1和R2代替(R1＝R2＝R)。C1和C2(C1＝C2＝C)分別是電源模塊1 和電源模塊2 對(duì)應(yīng)的分壓電容。短路故障時(shí)分壓電容電壓VC1和VC2變化示意圖5 如示。

圖4 短路故障簡(jiǎn)化圖

圖5 短路故障分壓電容電壓變化示意圖

(1)在0～t1時(shí)刻:兩電源模塊正常運(yùn)行，在輸入均壓控制策略下，各模塊分壓電容電壓VC1和VC2近似相等，約為輸入電壓的一半。

(2)在t1～t2時(shí)刻:t1時(shí)刻電源模塊1 出現(xiàn)短路故障，VC1快速下降到0，VC2快速上升到Vin。計(jì)算分壓電容C1被短路后放電的時(shí)間即可求出t1～t2的區(qū)間時(shí)間Δt，其中Resr是分壓電容的等效串聯(lián)電阻[10]，已知R?Resr。電容放電公式如下所示:

設(shè)VC1下降到0.5 V 基本可視為放電完成，則Δt計(jì)算表達(dá)式如下:

根據(jù)時(shí)間區(qū)間求得短路故障下輸入分壓電容電壓變化的平均速度vcscf:

將式(8)與(11)的結(jié)果相減，得數(shù)學(xué)表達(dá)式如(13)所示:

對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式(13)求導(dǎo)，求導(dǎo)結(jié)果如式(14)所示，可知式(13)單調(diào)遞減。由式(13)可知f(Vin)＝0時(shí)，因此只要滿足，則f(Vin)＞0。滿足該條件下斷路故障分壓電容電壓變化時(shí)間要大于短路故障。因?yàn)槌霈F(xiàn)故障時(shí)分壓電容電壓變化的幅值相同，于是短路時(shí)電壓變化速度大于斷路時(shí)電壓變化速度，如式(15)所示。

2.3 故障診斷閾值的設(shè)置

由式(15)可知在滿足一定條件下斷路故障電容電壓的變化速度要遠(yuǎn)小于短路時(shí)的速度。同時(shí)，故障電源模塊在不同故障下分壓電容電壓變化趨勢(shì)也不同。這就為故障類型的判斷與定位提供了依據(jù)。通過檢測(cè)各模塊分壓電容電壓變化的速度與變化的方向，就可以實(shí)現(xiàn)故障類型判斷與故障模塊定位。下面以兩模塊ISOP 電源系統(tǒng)為例說明。

因?yàn)椴煌收想娙蓦妷旱淖兓俣炔煌?，通過固定采樣間隔T就可以判斷分壓電容電壓的變化速度。T取值范圍如下式所示:

不同模塊短路故障下分壓電容電壓變化示意圖如圖6 所示(圖6、圖7 時(shí)間節(jié)點(diǎn)都相同)。根據(jù)故障診斷速度選擇故障閾值設(shè)定時(shí)刻t2(在此時(shí)刻設(shè)定判斷故障閾值)。根據(jù)短路故障數(shù)學(xué)模型即可求出t2時(shí)刻各分壓電容的電壓VC1與VC2。

圖6 短路故障VC1與VC2示意圖

如圖6(a)所示，t1時(shí)刻電源模塊1 出現(xiàn)短路故障，在t2時(shí)刻VC2＝Vin，VC1＝0，VC2＞VC1。如圖6(b)所示，t1時(shí)刻電源模塊2 出現(xiàn)短路故障，在t2時(shí)刻VC1＝Vin，VC2＝0，VC1＞VC2。于是通過對(duì)VC1與VC2相減ΔV再減去合適的裕量值V1作為判斷短路故障的閾值VSCF:

以時(shí)間間隔T采樣VC1與VC2的電壓并相減，當(dāng)大于VSCF即為電源模塊2 出現(xiàn)短路故障。當(dāng)小于－VSCF即為電源模塊1 出現(xiàn)短路故障。

不同模塊斷路故障下分壓電容電壓變化示意圖7 所示，根據(jù)故障診斷速度選擇故障閾值設(shè)定時(shí)刻t2。通過斷路故障時(shí)分壓電容電壓變化速度即可求出t2時(shí)刻各分壓電容的電壓VC1與VC2。

如圖7(a)所示，t1時(shí)刻電源模塊1 出現(xiàn)斷路故障，在t2時(shí)刻VC1＞VC2。如圖7(b)所示，t1時(shí)刻電源模塊2 出現(xiàn)斷路故障，在t2時(shí)刻VC1＜VC2。于是通過對(duì)VC1與VC2相減ΔV再加上合適裕量值V1作為判斷斷路故障的閾值VOCF:

圖7 斷路故障VC1與VC2示意圖

以時(shí)間間隔T采樣VC1與VC2的電壓值并相減，當(dāng)大于VOCF且小于VSCF即為電源模塊1 出現(xiàn)斷路故障。當(dāng)小于－VOCF且大于－VSCF即為電源模塊2 出現(xiàn)斷路故障。在t2時(shí)刻即可進(jìn)行故障判斷及定位，識(shí)別時(shí)間遠(yuǎn)小于從斷路故障發(fā)生到系統(tǒng)完全失控的時(shí)間。

綜上所述，通過設(shè)定固定的電壓采樣時(shí)間間隔T，每隔時(shí)間T進(jìn)行采樣并計(jì)算VC1與VC2的電壓差值ΔV，通過比較ΔV值來判斷故障類型及定位。以下為故障判斷策略集合:

3 模型仿真與故障診斷方法驗(yàn)證

對(duì)系統(tǒng)各部分組成以及關(guān)鍵元件的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)計(jì)，并在Simulink 環(huán)境下對(duì)ISOP 系統(tǒng)不同故障下輸入電容電壓波形進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后完成了硬件制作與調(diào)試。

3.1 故障波形仿真

在Simulink 環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)不同故障下輸入電容電壓波形進(jìn)行仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)的輸入為電壓220 V的交流電，經(jīng)過全橋整流電路后接ISOP 電源系統(tǒng)，輸入電容取值為100 μF，采用兩個(gè)10 kΩ 的電阻代替兩個(gè)電源模塊。通過斷路或短路電源模塊1 來模擬故障，檢測(cè)輸入電容電壓波形，通過仿真驗(yàn)證不同故障的數(shù)學(xué)模型。

圖8 所示為電源模塊1 斷路故障時(shí)VC1與VC2的電壓波形仿真圖，從斷路故障發(fā)生到電壓變化基本停止，分壓電容電壓的變化速度與變化趨勢(shì)與斷路故障理論推導(dǎo)一致，理論分析正確。

圖8 電源模塊1 斷路故障時(shí)VC1與VC2的電壓波形仿真圖

圖9 所示為電源模塊1 短路故障時(shí)VC1與VC2的電壓波形。短路故障發(fā)生時(shí)分壓電容電壓變化極快，分壓電容電壓的變化速度與變化趨勢(shì)與短路故障理論推導(dǎo)一致，理論分析正確。

圖9 電源模塊1 短路故障時(shí)VC1與VC2的電壓波形仿真圖

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證故障診斷策略設(shè)計(jì)并搭建了基于STM32F103ZET6 的兩模塊ISOP 電源系統(tǒng)，電源模塊采用反激變換器，參數(shù)見表1。

表1 ISOP 系統(tǒng)的基本參數(shù)

電源模塊采用手動(dòng)控制開關(guān)來模擬斷路故障與短路故障，通過顯示屏顯示故障模塊與故障類型。程序流程圖如圖10 所示。

圖10 故障診斷程序流程圖

實(shí)際取T等于0.01 s，VOCF等于40 V，VSCF等于240 V，當(dāng)故障識(shí)別時(shí)，顯示屏顯示識(shí)別結(jié)果，同時(shí)輸出一個(gè)高電平作為故障指示信號(hào)。由于診斷策略需要根據(jù)各電源模塊輸入電壓相減來判斷故障，這就需要各模塊在正常運(yùn)行時(shí)輸入電壓波動(dòng)范圍小能夠均壓運(yùn)行。本實(shí)驗(yàn)中各電源模塊加入均壓控制策略確保輸入電壓均壓[2]。在各模塊輸入電壓波動(dòng)不穩(wěn)定的條件下，需要通過增大判斷閾值犧牲故障判斷時(shí)間來進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)前ISOP 系統(tǒng)為保持各模塊功率均衡，都具有輸入均壓控制環(huán)路，這就為該控制策略提供了良好的前提[11－12]。

圖11 為電源模塊1 斷路故障時(shí)分壓電容電壓波形和故障識(shí)別信號(hào)。斷路故障發(fā)生后相應(yīng)分壓電壓電壓上升。經(jīng)過約0.2 s 故障指示信號(hào)即變?yōu)楦唠娖焦收献R(shí)別，故障診斷時(shí)間遠(yuǎn)小于斷路故障完全失控時(shí)間。

圖11 斷路故障示波器波形圖

圖12 為電源模塊1 短路故障時(shí)輸入電壓波形和故障識(shí)別信號(hào)，短路故障發(fā)生后，經(jīng)過約0.25 s 故障指示信號(hào)即變?yōu)楦唠娖焦收献R(shí)別。

圖12 短路故障示波器波形圖

4 結(jié)論

針對(duì)ISOP 組合電源系統(tǒng)提出了一種故障診斷策略。該方法只需采樣各電源模塊輸入側(cè)電壓，在不涉及相應(yīng)模塊的內(nèi)部工作參數(shù)的條件下完成故障診斷，提高了電源模塊的穩(wěn)定性和通用性。對(duì)于兩模塊以上的ISOP 系統(tǒng)，理論推導(dǎo)方法與兩模塊相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該故障診斷策略在ISOP 電源系統(tǒng)中的可行性。該故障診斷方法響應(yīng)速度快、故障診斷準(zhǔn)確率高，在模塊輸入電壓穩(wěn)定的情況下故障識(shí)別率接近100%。