一种基于相电流轨迹的逆变器开路故障诊断方法

成庶，赵俊栋 ，李凯迪，于天剑，伍珣，张志龙

一种基于相电流轨迹的逆变器开路故障诊断方法

成庶1，赵俊栋1，李凯迪1，于天剑1，伍珣2，张志龙3

(1. 中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075；2. 中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083；3. 中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

提出一种非侵入式的针对逆变器功率器件开路故障的诊断方法。针对开路故障前后的相电流轨迹进行基于数学模型的分析；根据相电流轨迹的分析数据进行故障特征的提取并结合积分算法对故障进行定位；基于dSPACE半实物仿真平台对本文所提故障定位方法的有效性与可靠性进行实验的验证。研究结果表明：所提方法可以很好的应用于逆变器开路故障诊断。

逆变器；开路故障；故障诊断；积分算法

随着电力电子技术的发展，电力电子装置在工业中的地位日益增加，应用越来越广泛，同时对电力电子设备的安全性和可靠性要求也变得更高，因为一旦其中某个局部发生故障将会影响整个系统的正常运行。根据资料统计，有电力电子电路中器件故障的分布[1]如图1所示，可以看出其中半导体功率器件的故障率(包括半导体器件与焊接点失效)占到了34%。而半导体功率器件的故障又可进一步分为短路故障和开路故障[2−3]。其中短路故障所产生的过电流会在瞬间对系统造成巨大破坏，导致系统瘫痪，危害甚大，故针对该类故障的研究已经相当成熟，如今已有各种成套且完备的硬件保护措施，例如现有的变频电路的设备中都会有过电流的检测装置和保护装置，包括保险丝熔断及空气开关等，以确保系统中一旦发生短路故障能立即对其进行切断隔离保证系统安全。同时需要注意，短路故障在一定条件下会转化为开路故障，因为当三相电路中的某一处功率管发生短路故障后，与此故障管同一桥臂上的另一功率管若此时导通，就相当于直流侧的电源通过故障相形成了短路，过电流会直接击穿故障相上的功率管，从而导致功率管过热烧毁，这样就从短路故障转为了开路故障。而开路故障与短路故障相比，系统故障响应较慢，故系统在发生开路故障情况下，由于其瞬时破坏较小，系统往往还可在故障下继续畸形运行，但随着时间积累，开路故障仍会导致系统瘫痪。综上原因，本文主要针对开路故障进行研究。现有的针对半导体功率器件开路故障的诊断技术根据手段的不同，可分为基于智能算法诊断法、基于参数模型法以及基于数据处理法三大类。

图1 器件故障分布图

基于智能诊断算法诊断的核心在于应用神经网络及相应智能算法来提高诊断效率。QIANG[4]使用模拟结果离线训练径向基函数(RBF)神经网络，并利用RBF神经网络来识别和定位故障。付玲等[5]针对自组织特征映射神经网络(SOM)具备的结构简单、无需指导的自学习特点将其应用到逆变器故障诊断的领域中。于生宝等[6]以变换器输出电压为原始信号，利用变采样频率的小波包分析方法提取特征向量，然后利用核主成分分析对特征向量进行降维，最后采用概率神经网络建立故障分类器，来提高诊断方法的鲁棒性。李小波等[7]提出了一种基于支持向量机(SVM)的逆变器故障诊断方法，其以Clark变换与空间矢量模值计算为基础并结合支持向量机，利用空间矢量模值的畸变位置为特征信号，从而对故障特征向量进行分类，能够实现多管故障的诊断。CAI等[8]提出了一种基于贝叶斯网络的三相逆变器数据驱动故障诊断方法。测量不同故障模式的2个输出线电压，使用快速傅立叶变换提取信号特征，并使用贝叶斯网络检测和诊断故障。这些方法都是基于不同的智能算法，每种智能方法的结构都不相同，且普遍计算量较大，精度无法确定。基于参数模型的诊断方法的重点在于建立一个精准的模型，再通过该模型的诊断参数来实现故障诊断。Choi等[9]介绍了一种用于并网中性点钳位(NPC)逆变器系统的开路故障检测方法，并提出了一种容错控制方法。所提出的故障检测方法能识别故障开关的位置和NPC逆变器的故障钳位二极管，而无需任何额外的硬件或复杂的计算。万晓凤等[10]提出了一种基于电流残差的故障诊断方法，通过比较仿真模型与实际输出得到残差，能够实现对故障开关的准确定位。AN等[11]分析了正常工作与故障状态下的开关模型，从触发信号中提取故障特征，实现了快速的故障诊断。李宁等[12]建立了电力电子电路混合逻辑动态模型，并在电路混合逻辑动态模型的基础上，基于故障事件识别向量，研究了电力电子电路故障诊断方法。但是这种基于参数模型的方法对模型的依赖性很大，有些模型很容易受到外界噪声的干扰，而且有的对整个系统改动较大，有的则是要求模型与事实的符合程度很高才可行，还有一些模型参数变化会导致鲁棒性变差。基于数据处理的方法主要通过获取关键数据来反映故障特征，从而实现故障诊断。郭立炜等[13]针对电流信号作为诊断信号容易干扰，从而出现失误的故障诊断信号，提出了将脉冲信号和三相桥臂的中点电压信号相结合，并进行逻辑分析找出其逻辑关系的表达式，从而实现诊断。但是此方法需要额外的控制信号，增加了电路复杂性。Mohsen等[14]提出了一种通过综合分析输出侧极电压与电流可对三电平中性点钳位逆变器上进行故障诊断的方法，能够实现多个功率管和钳位二极管的故障检测和定位，且能够实现在线诊断适用范围较广，但对额外传感器需要一定需求。Jorge等[15]以三相电流平均绝对值作为故障特征量进行分析，提出了针对电压型逆变器的诊断方法，但是合适的阈值的选择是一个问题。Im等[16]通过考虑空间矢量PWM的开关模式和故障相电流的方向来分析6个开关元件的故障情况，并提出一种新的容错方法。但是其每一个器件的阈值都需要进行单独设置。CHENG等[17]针对电压型逆变器提出了一种新颖的基于电压包络线的诊断与定位方法。但是当故障发生时，电压信号会产生一定比例的部分衰减或信号的成分含量有一定的变化。这种方法不适用于光伏系统，适用范围就有一定局限性。HE等[18]提出了一种在线监测直流母线中性点电流、瞬时开关状态及相电流的异常状态的逆变器故障快速诊断方法，且不受电压波动及负载变化的影响，但是仍然需要增加额外的传感器来测量直流母线中性点电流。Bae等[19]提出了一种新的三相PWM逆变器多个IGBT开路故障在线诊断方法。该故障检测基于监视α-β静止参考系的每个扇区中的当前矢量的停留时间，识别过程基于相电流信息。但计算过程需要用到坐标变化，精准度会受到影响。如今逆变器的发展趋势是小型化、高集成化以及高效化，而不少诊断方法所需添加的额外传感器或复杂算法都是有悖于未来发展趋势的。而非侵入式的设计则可以很好地顺应了发展趋势，具有无需增加额外的传感器，无需修改系统结构故不会破坏系统的原拓扑，以及降低诊断系统成本等优势。故本文提出一种简单易行的基于相电流轨迹法的非侵入式故障诊断方法，可以很好的适应如今工业的需求。本文首先利用相电流轨迹趋势，即相电流随时间推移的变化趋势，进行数学分析，然后根据分析所得数据进行了故障特征的提取，提出一种结合数学积分算法的故障诊断方法。最后，基于dSPACE半实物仿真平台对本文所提故障定位方法的有效性与可靠性进行了实验上的验证，结果表明所提方法可以很好的应用于逆变器开路故障诊断。

1 三相电压型逆变电路模型

本文研究目标为两电平的三相电压型逆变电路，如图2所示，采用SPWM控制方法。将通过数学手段对不同工作情况下的各相电流随时间的变化趋势(即电流轨迹)进行分析，具体过程如下。

图2 电压源型逆变电路

图2中点为中性点，u为直流电压源， VT1~ VT6为IGBT器件，D1~D6为续流二极管。

在该电路中，用0表示每一相中的上桥臂关断，下桥臂导通；用1状态表示每一相上桥臂导通，下桥臂关断。正常工作时，任一时刻 A，B和C三相桥中每一桥臂有一个IGBT导通、另一个关断，反并联二极管用于续流时期构成回路。

在此电路中，三相负载均为阻感负载，且三相负载完全一致，

其各相等效的阻抗为：

R为三相输出端的A，B和C三相中某一相的等效电阻负载，L为三相输出端的A，B和C三相中某一相的等效电感负载。

正常工作时，三相电压源逆变电路的各相相电流表达式为：

其中：I为三相输出相电流的幅值；为电流角频率，i，i和i为三相相电流的表达式。

三相相电压表达式为：

u，u和u分别为A，B和C三相的输出相 电压。

2 故障状态

本文对单管及多管开路故障进行了分类研究。将故障具体分为3类：1) 单个IGBT管开路故障；2) 同一相的双管同时故障；3) 不同桥臂的双管同时故障。3种不同故障共计21种情况，见表1。3种故障类型的数学解析模型的建立过程如表1 所示。

表1 开路故障分类

2.1 单管故障

由于两电平逆变器在结构及功能上具有对称性，故本文以VT1发生开路故障为例进行分析，其余管分析过程与VT1管一致。

VT1故障之后的三相电流变化趋势如图3所示，其等效电路如图4所示。

图3 单管故障电流波形

图4 单管故障等效电路

u为B和C相的线电压。

2.2 单桥臂双管故障

当单桥臂的上下管都开路故障，以VT1和VT2同时开路故障为例，当VT1，VT2故障时，A相的上下桥臂都无法正常导通，正负半波的电流均无法完成续流，因此相当于A相断路，只剩两相正常工作，因此A相电流一直为0，而B和C相电流则一直保持一定程度的畸变。等效电路和各相电流随时间变化趋势的原理分析与单管故障时一致。

2.3 异桥臂双管故障

异桥臂上有2个IGBT管发生故障时，还可进一步分为2种情况，第1种是2个桥臂的相同半桥位置的2个IGBT发生故障，例如VT1和VT3故障，第2种是不同桥臂的不同半桥位置功率管发生故障，例如VT1和VT4故障。在发生后一种情况时，每个IGBT的表现和单个IGBT管故障表现一样，因此重点讨论前一种的相同半桥位置的2个IGBT管故障的情况。

当两桥臂上各有一个相同桥臂位置的IGBT发生故障时，以VT1和VT3同时故障为例，故障后的各相电流随时间的变化趋势和等效电路的分析与单管故障情况原理上一致，在此不赘述。

当VT1和VT3同时故障时，需要分区段讨论：

三相输出相电流表达式为：

3 故障诊断技术

由上述分析可知，当电路中发生开路故障之后，各相电流会发生畸变。以故障相电流是否为零作为故障特征，当不同功率管发生故障情况后，对其故障后畸变电流的表达式进行分段积分，其积分符号是不相同的，故本文基于这一原理进行故障定位，具体分析如下。

3.1 单管故障

以VT1故障为例，其电流表达式为式(4)，(5)和(6)，对其进行每半个周期的分段积分：

δ，δ和δ为三相电流表达式的积分结果，其中I为电流峰值和为电流角频率，均为正数。其余单管故障情况如表2所示。

3.2 单桥臂双管故障

以VT1和VT2同时开路故障为例，其电流表达式如式(7)所示，对其进行分段积分：

其余同桥臂双管故障情况如表2所示。

表2 故障定位表

3.3 异桥臂双管故障

以VT1和VT3同时开路故障，电流表达式如式(8)至(11)，进行分段积分：

其余不同故障情况如表2所示。

本文故障诊断技术方法可以用图5流程图概括，首先相电流每半周期进行一次积分，然后作如图5中所示的判断，最终得到定位结果。

图5 故障诊断流程图

Fig. 5 Flow diagram of fault diagnosis

4 实验分析

以dSPACE半实物实验平台为依托对本文所提方法进行了实验验证，实验结构如图6所示。实验装置主要包括三相桥式变流器箱、电子负载箱，dSPACE，DS1007，PPC，Processor Board。控制信号由dSPACE产生，经I/O接口传送至逆变器。相关的传感器信号由A/D接口进行传输。诊断模块对各相电流进行监测，并将数据送至计算机进行处理。主要的实验参数如表3所示。

4.1 有效性验证

如图7~9所示，不同功率管发生开路故障情况时的电流波形图0时刻发生故障，积分值的符号已在图中标出，图7中积分符号为(0,−)(+,−)(+,−)，由这3个积分的符号，可在故障表中定位到故障功率管，图7情况为VT1故障；同理可根据图8和图9中符号进行判断，图8则为VT1和VT2同时故障，图9是VT1和VT3同时故障。这3种情况定位结果在表2中给出。

图6 实验结构图

表3 实验参数表

图7 单管故障电流波形

图8 同一相双管故障电流

4.2 可靠性验证

图10为发生故障时的电流波形图，0时刻发生故障，1时刻负载发生变化，积分符号已标在图中。从图10(a)看出，负载变化前后的积分号都为(0,−)，(+,−)(+,−)，负载并不会影响积分符号的变化，图10(b)的积分符号同样没有变化，因此负载的变化不影响故障诊断技术的效果。并且根据积分符号可以定位到故障功率管，定位结果如表2所示。

图9 不同桥臂双管故障

4.3 适用性验证

使用SPWM控制策略、SVPWM和电流滞环控制进行对比，在此只讨论单管故障时的对比，其他情况类似，以VT1故障为例，3种控制方法下的故障波形如图11。图11(a)为使用SPWM控制策略下的故障之后的波形；图11(b)为使用SVPWM控制策略下的电流波形；而图11(c)则是使用电流滞环控制方法得到的电流波形。图中0时刻为发生故障的时刻。

由图11可看出，在3种控制方法情况下，故障相的电流仍可作为故障特征，都会出现为零的区域，进而对其进行积分，其积分值符号已标注在图中，与理论结果相符合，故障定位方法可以正确地对故障功率管进行位置，功率管定位结果在表2中可找出，均为VT1发生故障。所以控制方法也不影响诊断技术的效果。

(a) 单管故障；(b) 双管故障

(a) SPWM；(b) SVPWM；(c) 电流滞环

由以上的实验可以验证本文所提出的故障诊断技术具有有效性、可靠性以及适用性。

5 结论

1) 通过对开路故障前后的相电流建立数学模型，并进行分析；然后根据分析所得数据进行故障特征的提取，结合积分算法的故障诊断方法。

2) 最后，基于dSPACE半实物实验平台，本文对所提故障定位方法的有效性与可靠性进行了实验上的验证，结果表明所提方法可以很好的应用于逆变器开路故障诊断，验证了有效性、可靠性以及适用性。

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An open-circuit fault diagnosis method for inverter based on phase current trajectory

CHENG Shu1, ZHAO Jundong1, LI Kaidi1, YU Tianjian1, WU Xun2, ZHANG Zhilong3

(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China；3. CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd, Qingdao 266111, China)

A non-intrusive diagnosis method for power semiconductor switch open-circuit faults of inverters is proposed in this paper. Firstly, the phase currents trajectory before and after open circuit fault were analyzed based on mathematical model. Then, based on the analysis of phase currents trajectory, the fault features were extracted and the fault location was carried out with the integration algorithm.Finally, based on dSPACE hardware-in-the-loop experiment platform, the effectiveness and reliability of the proposed fault location method were verified.

inverter; open-circuit fault; fault diagnosis; integral algorithm

TM464

A

1672 − 7029(2019)10− 2584 − 10

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.10.027

2019−01−16

国家十三五重点研发计划资助项目(2017YFB1201201，2017YFB1201302-13)

于天剑(1988−)，男，吉林长春人，讲师，博士，从事电力牵引及传动控制研究；E−mail：250486154@qq.com

(编辑 蒋学东)