基于五电平NPC的IGBT开路故障诊断方法

庄茂东，高爱杰

1.国网宿州供电公司电力经济技术研究所，安徽宿州，234000；2.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州，221008；



基于五电平NPC的IGBT开路故障诊断方法

庄茂东1，高爱杰2

1.国网宿州供电公司电力经济技术研究所，安徽宿州，234000；2.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州，221008；

以五电平NPC变换器为研究对象，对变换器中IGBT发生开路故障时的故障特征进行了研究，分别对变换器在正常工作时和存在故障时相电压与门极信号之间的变化关系情况进行分析，建立了一种基于相电压的积分算法，并根据此积分算法提出了故障诊断和定位的方法。最后，在Matlab/Simulink中建立五电平NPC逆变器的仿真模型，通过仿真对本文所提出方法的可行性进行了验证，结果表明，该方法能准确地检测到故障的位置。

NPC；IGBT开路；相电压积分

近年来，由于电力电子技术飞速发展，节能减排、智能电网这样的字眼频繁地出现在人们的生活中，随之而来的是对各种大功率开关器件的需求日益增大。然而，由于开关器件制造工艺存在局限性，大功率开关器件的功率处理能力和开关频率之间往往存在极大的矛盾，多电平变换器无疑是解决此矛盾最好的选择。然而，多电平变换器系统的可靠性随着开关器件数量的增多而降低，另外，周围环境如电磁容易对变换器造成损坏，进而使得功率开关器件可靠性降低，使用时存在潜在故障[1]。功率器件短路故障已有众多学者提出相应的对策[2]。而IGBT在发生开路故障后，系统往往能继续运行，故障不易被发现，最终造成过流故障。因此，对IGBT的开路故障进行深入研究具有重大意义。利用诊断结果触发保护动作，最终能达到故障隔离的效果[3-5]。

国内外诊断IGBT开路故障的方法有很多种，目前最为常用的是利用电压进行故障诊断和利用电流进行故障诊断。

电流故障诊断法主要利用非故障与故障电流的偏移来实现诊断。文献[6]采用三相电流平均值的帕克矢量变换来诊断开关管的故障，但在负载突然改变时容易出现误诊。文献[7]提出一种瞬时频率法来诊断功率管故障，通过计算瞬时频率的值来判断故障的发生与否，方便快捷，但故障的具体位置较难定位。文献[2]提出了一种基于傅里叶变换的归一化方法来诊断功率管故障，这种方法在负载突然改变的情况下可以较好地对故障进行诊断，缺点是只能对单个IGBT的开路进行检测和定位。文献[8]提出一种小波分析法来诊断功率管故障，但实现难度较大，不易推广应用，且不适用于NPC。

电压诊断法是通过比较非故障与故障下负载相电压、线电压、中性点电压的偏移来对故障进行识别和诊断。文献[9-10]分别采用检测逆变器的相电压或中性点电压与正常工作电压之间存在的偏差和下管电压检测法，但此方法需要增加电压传感器，增加硬件成本。

针对上述问题，本文提出了一种相电压积分的故障诊断方法。该方法不仅不会在负载变化时造成误诊，而且还可以进行双管故障的检测。最后，在Matlab/Simulink中建立五电平NPC逆变器仿真模型，通过仿真，对本文新提出方法的正确性和有效性进行验证。

1　NPC正常工作模式分析

五电平二极管钳位型多电平变换器的拓扑结构如图1所示。从图1可以看出，直流侧由4个电容串联而成，每个电容所承担的电压值均为Udc/4。该拓扑每相利用4个反向并联二极管对相应的开关器件进行钳位，6个桥臂由门极信号(Si，i=1,2,3,4)来控制功率器件的通断情况，当Si=1时，IGBT为导通状态，当Si=0时，IGBT为关断状态。

图1　五电平NPC拓扑结构

在逆变器正常工作的情况下，研究三相相电流和相电压之间的关系。由于每一相中上下两个功率管工作方式为互补状态，所以仅需考虑上桥臂开关管的门极信号S1、S2、S3、S4,因此，a相上桥臂一共存在5种开关模式。又由于相电流ia的正反向问题，所以每个桥臂有10种工作模式。通过不同的开关组合可以在逆变器的交流侧产生5种不同的相电压等级(Udc/2，Udc/4,0，-Udc/4,-Udc/2)。10种模式下的相电压等级为表1所示。

表1　正常工作方式下ia≥0的开关模式和相电压

由表1可以看出，在NPC正常工作状态时，开关状态与相电流正负无关，无论相电流大于0还是小于0，一种开关状态只对应一个相电压值。

2　NPC故障工作特征

2.1开关管开路故障行为特征

假设VTa1发生开路，其故障特征主要体现在ia<0的周期内，则故障状态下的a相工作模式如图2所示。

图2　ia<0时VTa1开路故障工作模式

在图2中，红线表示电流流过的通道，坐标轴中，虚线表示故障状态下的相电压，实线表示正常工作情况下的相电压。由图2可知，当ia<0，S1=1时，由于VTa1出现开路故障，电流不能通过VTa1流向VTa2，只能通过钳位二极管流向VTa2，此时相电压由ua=+Udc/2变为ua=+Udc/4。

2.2故障诊断方法

该方法需要增加额外的诊断电路来实现故障诊断，既增加了系统的复杂性，又增加了系统的投资。由于正常情况下相电压的积分近似于0，当出现故障后，相电压的积分值会越来越偏离0。例如，当a相上桥臂VTa1发生故障时，相电压由ua=+Udc/2变为ua=+Udc/4，使得相电压ua的积分值向负无穷移动；同理，当a相下桥臂VTa4发生故障时，相电压由ua=-Udc/2变为ua=-Udc/4，使得相电压ua的积分值向正无穷移动。以此类推，可得到b、c两相的故障诊断情况(表2)。

表2　电压积分法故障定位表

3　仿真结果分析

为验证本文提出的IGBT开路故障诊断方法的正确与否，在Matlab/Simulink平台上建立五电平NPC逆变器仿真模型。通过对仿真过程中模拟逆变器突然出现故障后的状态进行相电压积分，检验本文所提出方法的可行性。

假设a相上桥臂VTa1在0.03 s发生开路故障，则三相电压积分仿真图如图3所示。

从理论分析中可以得出ua的积分出现负的最大值，从图3中可以看出ua的积分值在1 s时达到了-1.2左右，而ub，uc积分值在1 s时达到0.6左右，从图中明显可以看出a相上桥臂VTa1发生开路故障，与理论分析吻合，诊断正确。

图3 VTa1开路故障时三相电压积分图

图4　VTa1、VTb4故障时三相电压积分图

假设a相上桥臂VTa1,b相下桥臂VTb4在0.03 s发生开路故障，则三相电压积分仿真图如图3所示。

从理论分析中可以得出ua的积分出现负的最大值，ub的积分出现正的最大值。从图4中可以看出，ua的积分值在1 s时达到-1.2左右，ub的积分值在1 s时达到1.2左右；而uc积分值在1 s时在0左右。从图中明显可以看出a相上桥臂VTa1发生开路故障，b相下桥臂VTb4发生了故障，与理论分析吻合，诊断正确。

4　结 语

本文提出了一种针对五电平NPC逆变器中IGBT出现开路故障的诊断方法,该方法不仅不会在负载变化时误诊,而且还可以进行双管故障的检测。该方法比较正常和故障工作方式下门极信号对应相电压之间的偏移,建立基于相电压的积分算法,并根据此进行故障的诊断与定位。仿真结果显示,本文提出的方法可以准确地检测出故障的具体位置,为故障诊断的后续工作提供可能。

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(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.10.029

2016-07-21

庄茂东(1984-)，江苏徐州人，工程师，主要研究方向：变电设计、故障诊断与智能控制。

TM464

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1673-2006(2016)10-0113-03