三电平APF中功率开关管与箝位二极管开路故障诊断

2021-12-21张国旗李国华

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2021年5期

乔和，张国旗，李国华

（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105）

0 引言

并联型有源电力滤波器可实现动态补偿电网谐波电流，改善电网中电流波形[1].由于有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）系统中存在大量绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）功率开关器件，在IGBT发生故障时如果不采取必要措施，则APF不仅不能起到改善电网电能质量的作用，反而会成为一个谐波源，使电网的电能质量进一步降低[2]，甚至导致整个电路停止工作，造成不可估量的经济损失.IGBT故障短路故障与开路故障为主要故障类型，短路故障通常通过并联熔丝等方式将其转化为开路故障，因此对开路故障进行快速而准确的诊断就显得十分重要[3].

对APF系统的功率管开路故障诊断，国内外学者进行了大量研究.文献[4]提出一种基于线电压误差标准化的故障诊断方法与定位方法，但在诊断过程中会出现模糊定位，诊断效果不理想，且不具备对箝位二极管的故障诊断功能的现象.文献[5]采用小波多尺度分解法提取特征信号，利用智能算法对故障特征进行识别进而对故障诊断确认，该方法在应用时实现起来较为复杂，且诊断的实时性较差.文献[6]利用电流Park矢量相角的角度以及三相输出电流的特性，定义故障诊断变量从而进行故障诊断，由于谐波电流的存在这种方法会在诊断中产生误判.

上述文献所提出方法均未考虑箝位二极管发生故障时，对故障进行检测与定位.针对此问题，本文提出一种新的诊断方法，进一步在不同条件下进行仿真和比较，以证明诊断方法的适用性和准确性.

1 对APF正常与故障状态进行分析

图1为三相三电平并联型APF系统拓扑结构，系统中每相桥臂有4个IGBT分别标记为Sx1,Sx2, Sx3, Sx4（x为支路a，支路b或支路c），两个箝位中点称为中性点“O”.为了对提出的诊断方法进行说明，本文将每相桥臂分为4个故障区域即1xR，2xR，3xR，4xR见图1.以a相为例进行分析，本文中开关器件的故障均为开路故障.

图1 三电平APF系统拓扑结构 Fig.1 three level APF system topology

根据表1中列出的信息，每相桥臂的开关状态有3种分别为P，O和N.结合桥臂电流方向与开关状态进行分析，每相桥臂有6个可用电流流通路径，见图2并总结在表1中.图2中显示在电流流经路径1、路径2、路径5和路径6时使用IGBT，而在电流流经路径3和路径4时使用续流二极管.

图2 在不同电流方向与桥臂状态下的路径 Fig. 2 current paths according to the current direction and leg state

表1 每相桥臂的开关状态以及相应的输出电压和电流路径 Tab.1 switching state of every bridge arm and the corresponding output voltage and current path

表2列出了12种在不同故障状态（OC）下不可使用的电流路径，在表2中条件1为正常运行（OK），条件2～条件5为单个IGBT故障，条件6～条件11是双IGBT故障，条件12和条件13为箝位二极管故障.在不同故障情况下，根据每相桥臂的开关状态和电流方向分析，电流会流过一条可用的替代路径.表2列出了根据每相桥臂开关状态与电流方向分析出的可用替代路径，如桥臂中 1xS发生故障（表2中条件2），当前路径1不可使用，在这种情况下，当桥臂开关状态为P且电流ix＞ 1时，ix可以流经路径2，作为对1号电流路径替代.在这种情况下，支路x的输出连接到中间点O.如果 2xS生故障（表2中的条件3），则当前路径1和路径2不可以使用.在这种情况下，要保持电流xi为正值，只有电流路径3可用，相同的分析也适用于其他故障情况.

表2 每个桥臂故障后的情况分析 Tab.2 situation analysis after every bridge arm failure

2 诊断算法

本文提出根据各相桥臂的开关状态、实际输出电压与输出电流，构造辅助变量来诊断APF控制系统中IGBT与箝位二极管故障的新方法.需要在桥臂输出端子和中性点“O”之间测得的输出电压（vaO，vbO和vcO）.为获得独立于vxO的诊断方法，输出电压vxO的值根据式（1）进行归一化，k为样本数.

为实现诊断算法，使用诊断变量dx[k]并由式（2）定义.用来标识归一化之后实际输出电压值的范围.考虑到现实情况下VDC发变化并清楚地确定输出电压范围，使用一些阈值

以a相为例，在故障发时引用文献[7]的结论，输出电流ia[k]= 0（或ia[k]≈ 0）时，归一化后得.在故障点为Sa1（或Sa2）输出电流ia[k]= 0时.为对此时的状况进行区分式（2）中选择由上下桥臂的对称性，Sa3（或Sa4）故障时，既式（2）选择

在实验测试中，测得的输出电压信号和相应的桥臂控制状态的延迟等于一个采样时间Ts（本文中Ts= 20 µs）.因此，为补偿存在的延迟，应将样本k处x桥臂的归一化输出电压（vxO.n[k]）与样本k-1（CSx[k- 1]）处x桥臂控制状态CSx进行比较.在正常工作条件下，dx[k]等于CSx[k- 1].如果IGBT或箝位二极管发生开路故障，则dx[k]将不再与CSx[k- 1]相同.发生故障的元件所在的区域不仅取决于CSx[k- 1]的值，还取决于dx[k]的值.

诊断过程分为两个步骤，第一步涉及故障检测和故障区域的识别.表3为如何使用辅助诊断变量来识别故障区域和潜在故障元件，在故障诊断中，根据变量exz[k]与exf[k]的值判断区域Rx1和Rx3的状态.根据变量gx[k]的值判断Rx2和Rx4的状态.当APF控制系统在正常运行时，和的值在-1和0之间变化，而gx[k]的值为空值.

在诊断过程第二步中，为从表3给出的2个候选元件中识别出故障元件，需要附加变量exO[k]和fx[k]为

变量fx[k]=1表示线电流ix大于0，而fx[k] = -1表示线电流ix小于0.考虑到现实测量过程中存在噪声，在式（7）中使用-0.1和0.1的阈值.根据表3提供的故障区域诊断条件和表4内辅助诊断变量的值，最终可以确定故障元件，图3为这种新故障诊断技术实现过程的流程.

图3 故障诊断流程 Fig.3 fault diagnosis flowchart

表3 故障区域定位 Tab.3 fault area location

表4 故障元件定位 Tab.4 fault component location

3 仿真分析

为验证本文所提出故障诊断方法的正确性与可靠性，基于MATLAB/Simulink的环境下搭建三电平APF系统真，仿真参数为：三相电源380 V/50 Hz，直流侧电容C1=C2= 3.3mF ，直流侧电源电压为800 V，滤波电感和等效电阻分别为0.1 mH和0.1 Ω，非线性负载为带有整流设备的阻感负载，R= 5Ω，L=5mH ，模型采样时间Ts=20μs.在3种情况下进行仿真实验研究，分别为单IGBT故障、多IGBT故障和箝位二级管故障.

3.1 单个IGBT故障

以a相桥臂中2个不同单个IGBT开路故障的诊断过程为例，测试在瞬态条件下进行，并在t=0.2 s时引入Sa1开路故障，故障施加的时刻用垂直线标记.图4为APF输出电流波形，图5（a）显示了支路a的CS（CSx[k-1]）和归一化的输出电压（vaO.n[k]），其辅助诊断变量的值.诊断时间线见图5（b），时间线值为0时表示故障发生，时间线值为负时表示故障发生前，时间线值为正时表示故障发生后时间.在发生故障后，根据图3诊断流程进行故障诊断，检测其值见图5（b）.不同于故障之前的值发生变化，并出现的大于0的值，t=0.03ms 时的值首次取值1，查表3确认故障区域为Ra1.故障进行下一步诊断，根据诊断流程，检测eaO[k]的值，图5中eaO[k] ≠ 1，排除元件Ra2故障，当出现eaO[k]=0（t=0.041ms）时对fa[k]进行检测，并判断fa[k]=1是否成立，图5（b）中fa[k]=1判断条件成立，故障诊断 1aS为故障元件，查表4，故障诊断算法识别出故障区域编号为1故障设备编号为1.

图4 Sa1正常及故障情况下输出电流波形 Fig.4 waveform of output current before and after 1aS fault

图5 1aS 故障状态下故障诊断仿真 Fig.5 fault diagnosis Simulation under 1aS fault

考虑另一种故障情况，设以t=0.2 s时a相桥臂中Sa2故障.图6给出了APF系统中a相桥臂输出电流波形，表明在t=0.2 s发生故障后，由于系统为感性状态输出电流ia不能发生突变，故障之后极短时间会衰减为0，此后输出电流在控制状态非N时的值为0.故障的诊断结果于图7中给出，在故障发生后，根据图3诊断流程进行故障诊断，检测其值见图7（b），不同于故障之前的值发生变化，t=0.04ms 时首次取值1，查表3确认故障区域为1aR.故障进行下一步诊断，根据诊断流程，检测eaO[k]的值，图7（b）中eaO[k] ≠ 0所以排除元件Sa1故障，当出现eaO[k] =1（t=0.062ms）时对fa[k]进行检测，并判断fa[k]=1是否成立，图7（b）中fa[k]=1满足判断条件，故障诊断Sa2为故障元件，查表4，故障诊断算法识别出故障区域编号为1，故障设备编号为2.

图6 S a 2正常及故障情况下输出电流波形 Fig.6 waveform of output current before and after S a 2fault

图7 2aS 故障状态下故障诊断仿真 Fig.7 fault diagnosis Simulation under 2aS fault

3.2 多个IGBT开路故障诊断结果

针对IGBT以桥臂支路（支路a和支路b）中不同位置上的IGBT开路故障为例.第一个故障在t=0.2s 时施加到Sa1，第二个故障在t=0.201ms时施加到Sb3，故障电流和诊断过程见图8和图9.故障时刻分别用F1和F2标出.图8中APF输出电流波形显示，在故障发生后，消除了ia一部分正值和ib在控制状态非P时的所有负值.对第一个故障进行诊断，诊断结果于图9（a）和图9（c）中给出.在故障发生后根据图3诊断流程进行故障诊断，检测的值，第一次取1值（t=0.025ms）时，查表3故障区域标识为Ra1.故障进行下一步诊断，根据诊断流程，检测eaO[k]= 1的值，eaO[k] ≠ 1所以排除元件Ra2故障，当出现eaO[k] =0（t=0.035ms）时对fa[k]进行检测，并判断fa[k]=1是否成立，图9（a）中fa[k]=1判断条件成立，故障诊断1aS为故障元件，查表4，故障诊断算法识别出故障区域编号1和故障设备编号1.

图8 1aS 3bS 故障状态下故障诊断仿真 Fig.8 fault diagnosis Simulation under 3bS fault

图9 Sa1、Sb3故障状态下故障诊断仿真 Fig.9 fault diagnosis Simulation under Sa1and Sb3 fault

3.3 箝位二极管开路故障结果

以箝位二极管Da5中开路故障的诊断过程为例.图10为APF输出电流波形，当APF以高调制指数运行时，桥臂控制状态CS在P和N的驻留时间高于状态O的驻留时间，桥臂输出电流路大部分时间流经路径1和路径6（图2），对于这种故障情况的诊断结果在图11（a）和图11（b）中给出.在故障发生后，根据图3诊断流程进行故障诊断，检测ga[k]的值，t=0.05ms 时ga[k]首次取值-1，查表3故障区域为Ra2，故障进行下一步诊断，根据诊断流程，检测的值，图11（b）中所以排除元件Sa2故障，当出现时对fa[k]进行检测，并判断根据fa[k]=1是否成立，图11中fa[k]=1满足判断条件，故障诊断Da5为故障元件，查表4，故障诊断算法识别出故障区域编号为2，故障设备编号为5.

图10 5aD 故障状态下故障诊断仿真 Fig.10 fault diagnosis Simulation under 5aD fault

图11 5aD 故障状态下故障诊断仿真 Fig.11 fault diagnosis Simulation under 5aD fault

3.4 方法比较

将本文提出的故障诊断方法与现有诊断方法进行比较，结果见表5.文献[8]与本文的诊断方法都是针对三相三电平并联APF功率开关管故障提出的，然而，文献[9]在诊断过程中会出现模糊定位，诊断效果不理想，且不具备对箝位二极管故障的诊断能力.对比表明，本文提出的诊断技术能够实现对各种故障进行诊断的目标，优于现有诊断方法.