基于电流残差的有源电力滤波器故障诊断技术研究

张晓华 戴碧君 罗进 郭源博

摘要：针对有源电力滤波器（active power filter，APF）的IGBT开路故障诊断问题，提出一种基于归一化电流残差的故障诊断方法。分析指令电流与输出电流在正常运行状态下与IGBT开路故障状态下的不同特征，提取指令电流和输出电流的归一化残差值作为故障诊断的依据，利用归一化残差的幅值和极性来判断故障的发生以及故障IGBT的位置。同时，给出了一套故障诊断算法的综合评价方法，并从6个维度对算法进行评估。分别建立了APF在IGBT开路故障下的离线与实时仿真模型，实验结果表明所提基于电流残差的故障诊断方案具有诊断时间短、可靠性高、鲁棒性强、准确度高等优点。

关键词：有源电力滤波器;故障诊断;电流残差;实时仿真

DoI：10.15938/j.emc.2019.08.007

中图分类号：TM714.1文献标志码：A 文章编号：1007-449x（2019）08-0050-0

0引言

有源电力滤波器（active power filter，APF）因具有优异的动态滤波和功率因数校正功能，已被广泛地应用于电网中。然而其核心功率开关器件（如IGBT等）由于长时间工作在高频、高温和高压状态下，容易发生短路、开路等故障。为了提高其可靠性，延长故障后的安全运行时间以等待维修人员，APF的故障诊断与容错控制已成为电力电子领域一个重要课题。

为了实现容错控制，必须实现准确快速的故障诊断。APF中的IGBT故障主要分为短路故障和开路故障：目前，短路故障已有成熟的故障诊断方案，且可以通过熔断器切断故障电路将其转化成开路故障;而开路故障尚未见成熟高效的诊断方案，但是国内外学者针对电机驱动逆变器提出的基于电流或电压的诊断方法具有借鉴意义。

文献[6]针对逆变器开路故障提出了简单直流法，通过网侧电流周期平均值是否为0来判断开路故障的发生，但是该方法无法解决负载突变造成误诊断的问题。文献[7]提出了应用电流矢量轨迹法检测IGBT的开路故障，但该算法较为复杂，诊断时间较长。此外还有模糊逻辑法、小波神经网络法和母线电流频谱法等。综合来看，基于电流的诊断方法虽然在系统稳定运行状态下故障定位比较准确，但是普遍存在诊断时间长、受负载扰动影响大的问题。

文献[11]提出了下管电压法，正常运行时下管电压为0或Udc，而开路故障下则会出现长时间介于O和Udc之间的中问电压，通过提取此异常电压来判断故障的发生，但是该方法需要加电压传感器，且不能分辨出上下管故障。文献[12]提出了开关逻辑法，通过开关信号和下管电压在开路故障和正常运行时逻辑的不同来判断是否发生了故障。基于电压的故障诊断方法诊断速度快，但是需要额外添加电压传感器和相应硬件电路，增加了设备体积和成本。

为了节约成本、缩小设备体积、缩短诊断时间并提高抗负载扰动能力，本文提出了基于归一化电流残差的故障诊断方法。该方法通过分析正常运行状态下与IGBT开路故障运行状态下指令电流和输出电流的特征，以指令电流和输出电流归一化残差的幅值和极性作为故障判断的依据，设置合理阈值来完成故障检测和故障IGBT的定位。

同时采用MATLAB离线仿真与dSPACE硬件在回路（hardware-in-the-loop，HIL）实时仿真进行故障诊断算法验证。HIL实时仿真已经广泛的应用于电力电子领域，服务于控制器的快速开发和算法测试，其测试结果的有效性已经得到了工业界的广泛认可。离线和HIL实时仿真结果验证了本文所提故障诊断算法的可行性和有效性。

1APF的IGBT开路故障分析

APF系统的拓扑结构如图1所示，主电路为两电平变流器，谐波源为三相不控二极管整流桥接阻感负载。

当APF正常运行时，若A相指令电流大于0，则APF通过T1的导通和D2的续流交替工作来跟踪指令电流。同理，若A相指令电流小于0，则APF通过T2的导通和D1的续流交替工作来跟踪指令电流。正常运行情况下，A相输出电流的工作状态如图3（a）、（b）、（c）、（d）所示。

当T1发生开路故障时，T1开路故障情况下APF的输出电流如图3（e）和图3（f）所示。忽略二极管管压降，若Una小于0时，D2不导通，a相电流为0，不能跟踪指令电流;若una大于0时，D2可以导通，电流可以部分或者全部跟踪指令电流。当una<0时，D，由于电感的续流作用继续保持导通，但电流逐渐减小，此时输出电流能否跟踪上指令电流，取决于una<0保持的时间。

当T1发生开路故障时，b、c两相由于缺失了一半的工作模式（100，101，110，111），也会出现电流畸变的情况，形成B相和C相的电流残差。以B相为例，工作模式为100时，T1不能导通使三相电流无法形成回路，导致a相电流为0，使b相输出电流在这一时刻无法跟踪指令电流。T1开路故障时三相指令电流和输出电流波形如图4所示。

2故障诊断方法设计

通过以上对开路故障后系统运行状态的分析可知，指令电流由谐波源决定，不受故障影响;而APF输出电流则由于IGBT的开路故障发生畸变，无法完全跟随指令电流，因此可以用指令电流与输出电流的差值作为故障诊断的判断依据。

通过以上分析，可以得到电流残差法的诊断流程如图6所示：

1）提取三相指令电流与电流传感器采集回来的三相输出电流作差，得到电流残差△ik，进而计算得到归一化的电流残差Uk。

2）将Uk与触发阈值日进行比较，完成阈值判断。触发后将信号锁存，以备逻辑判断使用。

3）通过逻辑判断是否发生故障，当yk值满足表1所示判定标准时，診断出对应的开路故障信号。

电流残差法的最大诊断时间如图7所示，以T，开路故障为例，考虑诊断时问最长的情况，大约为0.75个工频周期，即15ms。

3故障诊断的综合评价体系

电力电子系统的故障诊断技术是近年来电力电子领域的新兴热点问题，许多研究学者从应用对象的特点出发提出了多种故障诊断方法，但相关基础理论体系尚有待加强，所以有必要建立一套故障诊断算法的综合评价体系对故障诊断算法进行全面评估。电力电子系统故障诊断算法的评价标准包括：

1）可靠性：诊断系统灵敏且不会误动作。本方案根据系统的实际情况设置阈值H，在最大正常运行情况电流残差的基础上留出50%的裕量，由于电流残差上升速度很快，所以既保证了灵敏度，又保证了可靠性。

2）鲁棒性：对负载、电网等扰动是否敏感。本方案采用归一化方法，可最大限度降低负载扰动和噪声对电流残差的影响。

3）准确性：故障定位是否准确。该方案包括6种故障判定逻辑，每种均与某一单管开路故障一一对应，定位准确度高。

4）适用性：诊断算法复杂度或计算负担。该方案只包含加减运算、逻辑判断等简单的计算过程，算法复杂度低。

5）经济性：故障诊断系统的成本。该方案测量值均来自原有传感器，无需增加电压传感器等硬件设备。

6）实时陛：算法的诊断速度。该方案的最大故障诊断时间为故障发生时刻到三相均触发阈值日时间间隔的最大值，最大约为0.75个工频周期，即15ms，低于其他基于电流的故障诊断方法，但略高于基于电压的故障诊断方法（但该方法需额外配置多路电压传感器）。

通过综合评价，发现电流残差法在上述6个方面均有较好性能。为了证明其性能的优越性，本文选取了目前最常用的几种故障诊断方法与其进行对比分析。5種IGBT开路故障诊断方案对比如图8所示。

4仿真实验

为验证基于电流残差的IGBT开路故障诊断方案的准确性和实时性，分别搭建了基于MATLAB/Simulink的离线仿真模型和基于dSPACE半实物仿真系统的HIL实时仿真模型。HIL实时仿真模型是将系统的数学模型实时地运行在处理器中，模拟系统在不同情况下的运行状态，用于控制系统的开发和测试，其仿真结果的有效性已经得到了工业界的广泛认可，并在电力电子领域得到了诸多应用。离线仿真结果验证了所提诊断算法的可行性，实时仿真结果则验证了算法的实时性和有效性。APF系统的仿真参数如表2所示。

APF系统正常运行时的负载电流iL，APF输出电流ic和归一化电流残差uk的波形如图9所示，归一化电流残差uk稳定在±0.25范围内。

当负载电阻Ro在0.125s时刻由10Ω突变成5Ω时，APF输出电流发生较大变化，但由于对残差电流进行了归一化处理，电流残差的突变量远低于阈值，因此负载突变不会对故障诊断产生影响，负载突变条件下负载电流iL、APF输出电流ic和归一化电流残差uk如图10所示。

T1在0.17s时刻发生开路故障时，由于二极管D2的续流作用，三相电流归一化电流残差uk在一段时间内不发生突变，直到二极管D2无法续流时才会发生突变，如图11所示。根据仿真实验，将阈值日设置为0.75，当三相归一化电流残差uk满足表l的判定标准时，输出故障位置，故障诊断的时间约为14ms。

为了模拟实际装置运行时电流传感器受到的干扰，在输出电流中加入了15%的白噪声，如图12所示。仿真结果表明，白噪声的加入会增加归一化电流残差uk的波动范围，但仍远低于故障后突变幅值，所设置的阈值能有效抑制噪声对诊断结果的干扰。

为了更好验证所提算法的有效性和实时性，建立了基于dSPACE半实物仿真平台的硬件在回路实时仿真模型，dSPACE半实物实时仿真平台结构如图13所示。上位机通过以太网和DS911模块与dSPACE平台通信，用于下载仿真模型及实时显示仿真变量。DSl006为处理器板卡，这里用来作为APF系统的控制器;DS5203为FPGA板卡，用来实时模拟APF主电路。

APF在正常情况下的实时仿真结果如图14所示，可以看到输出电流波形与MATLAB离线仿真结果基本相同，验证了实时仿真结果的准确性。在实时仿真中，归一化电流残差uk的波动范围相比MATLAB离线仿真有所增加，与加入白噪声后的离线仿真结果相似，这也说明实时仿真结果更接近实际装置的运行情况，具有较高真实性。

图15为T，管开路情况下的硬件在回路实时仿真结果，T1管在0.01s发生开路故障后，残差uk发生突变，约9ms诊断出故障位置（如图15所示）。同理，对其他5个IGBT发生开路故障的情况进行实验，结果证明电流残差的逻辑分布完全符合前述理论分析。

5结论

本文针对APF中的IGBT开路故障诊断问题，通过对指令电流和输出电流在正常情况下和故障情况下的波形分析，提出了一种基于归一化电流残差的故障诊断方案。实验结果表明，基于电流残差的故障诊断方案具有实时性好、可靠性高、鲁棒性强、适用性广、准确度高、经济性好等优点。随着APF的广泛应用以及对容错性能要求的不断提高，该方法在APF故障诊断研究领域具有广阔的应用前景。