基于中性点电压偏差极性及拓扑重构的逆变器故障诊断算法＊

2022-03-24杨琢代炳晓黎燕程馨刘志臻

电气传动自动化 2022年1期

杨琢，代炳晓，黎燕，程馨，刘志臻

（1.中南大学自动化学院，湖南长沙 410083；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司，河北沧州 062450；3.天水天传电气工程有限责任公司，甘肃天水 741000）

逆变器在电力系统中发挥着重要作用，目前已于广泛应用于光伏产业、核能等领域。经行业调查显示，功率开关管是引起逆变器故障的主要原因之一［1－3］。功率开关管主要会发生短路和开路故障。短路故障会击穿开关管，造成较大危害，需要在短时间内作出诊断，一般会选择熔断的方式将其转变为开路故障。开路故障会导致电压电流畸变、输出质量下降从而导致其他部件故障［3－6］。因此，逆变器开路故障的实时故障诊断技术具有重要意义。

逆变器故障诊断方法主要分为基于电压和基于电流两类。基于电压的方法主要是通过区分正常电压信号和异常电压信号来诊断故障。文献［7］提出了一种基于输出线电压的故障诊断方案。该方法通过将预处理后的诊断特征值与电压包络值进行比较，从而实现单开关的开路故障诊断，可靠性高但是其中的算法较为复杂。文献［8，9］分别采用小波包变换和傅里叶变换对输出电压信号进行处理，提取主要成分对故障进行更精确地识别，但是其中的处理过程会使得诊断速度变慢。文献［10］提出一种基于各逆变器桥的归一化实极电压与相应参考电压偏差的电压法。该方法具有广泛的应用范围但是需要额外的传感器。文献［11］提出一种基于电压差残差的三电平变流器故障诊断算法，通过结合开关信号可以同时诊断晶体管和二级管的故障。

基于电流的方法通常通过相电流信号来实现，不需要附加传感器，主要有平均电流法［12］，电流斜率分析法［13］等。文献［14］利用故障发生后电流的畸变来诊断故障，但是这种根据电流进行判断的方法容易受到外界干扰。文献［15］提出了一种基于电流状态观测器的诊断方法，可以避免噪声干扰，故障定位需要一个周期时间。除此之外，基于知识的方法是近年研究的热点。文献［16］利用模糊逻辑分析电流来观察系统状态，从而实现故障的检测和诊断，但是此类方法比较依赖专家经验。

根据以上研究可以发现，电流法易受到负载扰动的影响，而极电压法不依赖于负载，但是需要额外的传感器件。对此本文提出了一种利用中性点电压的故障诊断方法，该方法首先通过中性点电压来检测故障的发生并初步判断故障所在的上下方位，然后利用了逆变器的容错控制理念［17－20］，通过拓扑重构的方法定位故障管的相位，最终定位故障单管。该方法不受负载变化的影响，并且只需要采集一个中性点电压便可以诊断开路故障，在诊断故障的同时还能使逆变器容错运行，大大提高了逆变器的可靠性。

1 逆变器开路故障检测

1.1 逆变器拓扑结构

三相逆变器电路结构如图1所示。直流侧电压为 udc，C1和 C2为直流侧电容，且有 C1＝C2。Lf和Cf为滤波器的参数，Zline是负载电阻。在分析过程中假定开关皆为理想开关。

图1 三相逆变器拓扑结构

从直流侧进行分析，图1中逆变器直流侧两个电容的电压值为：

可以看出，中性点的值只与极电压相关，其同样具有和极电压一样不依赖负载的特性。当发生故障时，极电压发生改变，中性点电压随之变化。因此，可以通过检测实际中性点电压和正常模式下值之间的偏差来判断开关管是否发生故障。

1.2 上管故障检测原理

本文以a相上管V1发生开路故障为例。当Sa＝1时，此时V1应当导通并且V2断开。但是由于V1在这时发生开路故障，则V1和V2都处于断开的状态，a点悬空。这时的三相电压为：

结合式（5）和（7），中性点电压可表示为：

若逆变器处于Sa＝0时，V1处于断开状态，V1故障并不影响电路，这时的中性点电压的表达式保持不变，同式（6）。

设正常状态和故障状态下的中性点电压偏差为：

根据式（2）、式（6）、式（8）和式（9），正常模式和V1故障时的中性点电压及偏差如表1所示。

表1 正常模式和V1故障时的中性点电压及偏差

从表 1 中可知，当 Sa＝0 时，V1不工作，V1故障下的中性点电压和正常模式一样，此阶段下并不能获得V1的故障信息。而当Sa＝1时，V1应接收到脉冲而导通，但由于V1发生开路故障，a相与电路完全断开，在此阶段中有三个开关状态的中性点电压发生改变。因此可以通过检测实际中性点电压与正常模式下电压的偏差来判断上管是否发生开路故障。并且V1故障后的中性点电压可总结为：

1.3 下管故障检测原理

与分析V1故障时的方法类似，V2发生开路故障时的情况与V1故障时恰好相反。当Sa＝1时，中性点电压满足式（6）；Sa＝0 时，中性点电压满足式（8）。因此可以得到正常模式和V2故障时的中性点电压及偏差，如表2所示。

表2 正常模式和V2故障时的中性点电压值及偏差

从表 2 中可知，当 Sa＝1 时，V2不工作，V2故障不会改变中性点电压值；而当Sa＝0时，由于V2开路故障使其不能正常导通，此时的中性点电压发生一定变化。V1故障后的中性点电压可总结为：

因此下管开路故障同样可以通过检测偏差的方式来进行诊断。

由以上的分析可以得知，上管发生开路故障时，可以检测到中性点电压的偏差会出现正值；当下管发生开路故障时，中性点电压的偏差会出现负值。定义电压偏差值极性以识别故障：

其中Uth为阈值，在本文中设为1／6udc。当J的值为Z时，代表逆变器运行正常；当J的值为P时，表示上管发生故障；当J的值为N时，表示下管发生故障，如表3所示。

表3 故障时中性点电压偏差的极性

2 基于拓扑重构的故障定位

通过中性点电压偏差极性只能确定故障管的上下位置，而不能准确地判断故障管所在的相。因此还需要其他特征来对故障位置进行精确地定位。本节提出了利用拓扑重构来实现故障定位，并且使电路故障后保持原来的结构继续正常运行。

本文在逆变器原始结构上增加了一相桥臂及双向可控硅开关TRi（i＝1，2，3），电路结构如图2所示。

图2 带冗余臂的三相逆变器

基于拓扑重构的故障定位原理就是当检测到故障后，用冗余臂按照a相－b相－c相的顺序逐相替代。如果替代的是正常的桥臂，则故障现象仍然存在，中性点电压差值极性保持故障时的极性，然后下一次拓扑重构。一旦冗余臂成功替代到故障管所在的桥臂，则电路恢复正常运行，中性点电压差值极性会变为Z，最终实现故障定位。算法流程如图3所示。

图3 基于拓扑重构的故障定位流程

具体的步骤为：当检测到中性点电压偏差极性J＝P（N）时，可以初步判断为上（下）管发生开路故障。随后进行第一次拓扑重构，用冗余臂替代a相。然后再次检测中性点电压极性，如果此时的极性为Z，则表示重构电路结构是正确的，并判断故障相为a相，因此定位故障管为V1（V2）；如果极性仍为P（N），则排除a相故障，同时进行第二次拓扑重构。然后按相同的操作，将冗余臂替代b相，接着再进行极性判断。若极性为Z，则故障管为V3（V4）；若极性为P（N），则故障管为V5（V6），同时用冗余臂替代c相，完成拓扑重构，故障诊断结束。

3 整体故障诊断流程

完整的故障诊断方法流程如图4所示。实时采集逆变器中性点电压，并与正常状态下的值相减得到偏差，将偏差与阈值比较判断极性，从而检测是否有故障发生并且得到故障管所处的上／下臂。采用提出的基于拓扑重构的故障定位方法判断故障管所在的相，实现故障管定位，完成故障诊断。拓扑重构后的逆变电路保持三相六开关结构，使逆变器继续正常工作。

图4 故障诊断流程

4 仿真与分析

为了验证了本文所提故障诊断方法在三相逆变器上的有效性，在Matlab／Simulink上进行仿真。以上管V1、V3、V5故障为例进行分析，并且在带阻性、感性、容性三种负载情况下分别进行仿真，仿真时间为0.5s。其中感性负载由电感和电阻串联构成，容性负载由电容和电阻并联构成，电阻值与阻性负载保持一致。相关的参数如表4所示。

表4 仿真参数

4.1 V1故障

设置在t＝0.246s时开关管V1发生开路故障。仿真结果如图5所示。

图5 V1故障时的三相电压和故障信号

由图 5（a）、（b）、（c）可以看出，三种负载情况下的三相波形是一样的。V1发生开路故障后，在第一次重构时冗余臂替代了a相桥臂，所以三相电压可以在极短的时间内恢复正常。图5（d）显示诊断所需时间为 0.22ms。

4.2 V3故障

设置在t＝0.24s时开关管V3发生开路故障，仿真结果如图6所示。

图6 V3故障时的三相电压和故障信信号

由图 6（a）、（b）、（c）可以看出，三种负载情况下的三相波形基本一样。由于故障管在b相，因此需要重构两次。所以三相电压在故障后有一小段时间的畸变，二次重构成功后，三相电压恢复成正常模式时的波形。图6（d）显示故障管被准确诊断出为 V3，且诊断所需时间为 0.44ms。

4.3 V5故障

设置在t＝0.253s时开关管V5发生开路故障，仿真结果如图7所示。

图7 V5故障时的三相电压和故障信号

由图 7（a）、（b）、（c）可以看出，三种负载情况下的三相波形还是一样的。由于故障管在c相，需要第三次重构，电路才恢复正常，因此三相电压会产生更明显的畸变，最后才恢复成原本正常模式时的波形。图7（d）显示故障管被诊断为V5，诊断所需时间为 0.44ms。

从以上的仿真结果发现，对于a相故障，该方法往往能更快地诊断出故障管并且能迅速保护电路，三相电压故障前后的波形变化很微小。而对于b相和c相故障，故障后的三相电压波形会发生一定的畸变，但在较短的时间内也能恢复正常。而且带阻性、感性、容性负载三种情况下的三相电压波形基本一致。因此证明该方法能在诊断故障的同时有效地保护电路并且适用于多种负载情况。