張滿, 王濤, 李志新

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221008)

?

三相四開關(guān)有源電力濾波器故障診斷研究

張滿, 王濤, 李志新

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221008)

為解決三相四開關(guān)有源電力濾波器系統(tǒng)中IGBT開路故障診斷問題，提出了一種基于電壓檢測的IGBT開路故障診斷方法。該方法只需采集一個線電壓信號，再結(jié)合系統(tǒng)控制器已經(jīng)檢測出的電流和IGBT開關(guān)信號，便可快速準(zhǔn)確地診斷出故障并能確定故障位置。該方法適用于單管和多管的開路故障診斷。仿真和實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性和可靠性。

三相四開關(guān)； 有源電力濾波器； 故障診斷； 電壓檢測

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology Xuzhou 221008, China)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，諧波所產(chǎn)生的危害也越來越嚴(yán)重[1]?，F(xiàn)在抑制諧波的一個有效措施是采用有源電力濾波器[1](Active Power Filter,APF)。與三相六開關(guān)APF相比，三相四開關(guān)APF的一個橋臂由一對電容代替，成本和損耗得到了降低，也簡化了驅(qū)動電路[2]。因此,三相四開關(guān)APF有很高的研究價值。IGBT作為APF的開關(guān)器件，它的可靠性直接影響到APF的正常運行[3]。IGBT作為逆變器件，長時間工作在高溫、高頻狀態(tài)，因此，其很容易發(fā)生故障。APF在運行過程中，可能出現(xiàn)IGBT開路故障和短路故障，尤其在發(fā)生開路故障時，往往會選擇不迅速停機，這將有可能造成更嚴(yán)重的后果[4]。在開關(guān)器件發(fā)生開路故障時，如何迅速診斷出故障并判斷出故障位置，然后采取有效措施，避免更嚴(yán)重的損壞，得到越來越多學(xué)者的關(guān)注[5]。

對于IGBT開路故障，國內(nèi)外已有很多研究，也提出了很多故障診斷的方法。參考文獻[6-7]提出了平均電流Park矢量法，通過對比正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時三相平均電流Park矢量的幅值和相位確定故障位置，但該方法在負載突變時容易出現(xiàn)誤診斷。參考文獻[8]提出了基于離散傅里葉變換的歸一化方法，利用電動機電流平均值對基波分量進行歸一化，從而避免負載突變時的誤診斷。參考文獻[9]提出了直流側(cè)電流頻譜分析法，根據(jù)直流側(cè)電流頻譜的低頻部分判斷故障，但該方法無法確定故障位置。參考文獻[10]提出了一種電流矢量瞬時頻率診斷法，根據(jù)瞬時頻率值判斷故障，該方法雖然簡單、易實現(xiàn)，但不能判斷出故障的具體位置。參考文獻[11]提出了一種小波分析法，先對電流信號進行小波變換，然后根據(jù)提取的特征信號判斷故障，這種方法相對復(fù)雜，實現(xiàn)起來比較困難。參考文獻[12]提出了基于IGBT 輸出功率的開路故障診斷方法，由于APF系統(tǒng)電流中含有大量諧波，導(dǎo)致該方法出現(xiàn)誤診斷。參考文獻[13]根據(jù)變頻器故障時與正常狀態(tài)時電壓的不同，通過誤差值判斷故障，其診斷時間很短。參考文獻[3,14]通過增加額外的硬件電路來診斷故障，雖然該方法操作簡單，容易實現(xiàn)，診斷時間短，但增加了成本。參考文獻[15-16]提出將專家系統(tǒng)法用于故障診斷，該方法的缺點是很難建立完整的知識庫。

考慮到APF系統(tǒng)中含有大量諧波，上述參考文獻中基于電流診斷的方法很容易出現(xiàn)誤診斷。為解決三相四開關(guān)APF系統(tǒng)中IGBT開路故障診斷問題，結(jié)合三相四開關(guān)有源電力濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)，本文提出了一種基于電壓檢測的IGBT開路故障診斷方法。該方法只需采集一個線電壓信號，結(jié)合系統(tǒng)控制器已經(jīng)使用的信號，便可快速準(zhǔn)確地診斷出三相四開關(guān)APF系統(tǒng)中的IGBT開路故障。

1 APF開關(guān)函數(shù)模型

三相四開關(guān)APF主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圖1可以看出，與傳統(tǒng)三相六開關(guān)APF主電路拓撲相比，第3個橋臂由2個電容器C1和C2組成，其中點接c相。

圖1 三相四開關(guān)APF主電路拓撲結(jié)構(gòu)

Sa、Sb分別表示a、b兩相橋臂開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，Sa=1，表示T1導(dǎo)通，T3關(guān)斷；Sa=0，表示T1關(guān)斷，T3導(dǎo)通。

由基爾霍夫電壓定律可以得到有源電力濾波器輸出線電壓uac、ubc的表達式：

(1)

式中Udc為母線電壓。

同時也可以得出輸出線電壓uab與uac、ubc的關(guān)系：

(2)

由式(1)可以看出，線電壓uac、ubc與開關(guān)狀態(tài)相關(guān)，可以直接通過調(diào)節(jié)IGBT的開關(guān)狀態(tài)來調(diào)節(jié)線電壓。將式(1)代入式(2)，可以得到uab瞬時值與開關(guān)管狀態(tài)的關(guān)系，見表1。

表1 uab瞬時值與開關(guān)管狀態(tài)的關(guān)系

2 故障診斷原理

通過對比分析IGBT出現(xiàn)單管故障及多管故障時APF輸出線電壓uab的真實值與正常模式下的理論值的關(guān)系，總結(jié)出電流方向、開關(guān)信號、輸出線電壓uab與故障診斷信號的關(guān)系，確定為三相四開關(guān)有源電力濾波器IGBT開路故障診斷規(guī)則，見表3。表3中，F(xiàn)ault為1，2，3，4時，表示T1，T2，T3，T4故障；Fault為5時，表示T1，T4故障；Fault為6時，表示T2，T3故障。

表2 T1正常和開路故障時的輸出線電壓

表3 電流方向、開關(guān)信號、輸出線電壓uab與

因此，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個電壓傳感器，檢測APF輸出線電壓uab，再配合電流方向和開關(guān)信號，便可按照表3判斷出故障位置。

3 仿真驗證

根據(jù)故障診斷原理，采用Matlab搭建故障診斷仿真模型。仿真參數(shù)：電網(wǎng)線電壓有效值為60 V，頻率為50 Hz，APF輸出電感為1.5 mH，母線電容C1=4.4 mF，C2=4.4 mF，直流側(cè)電壓參考值為200 V，三相不控整流橋帶2.67 Ω電阻作為公共諧波源。故障診斷仿真模型如圖2所示，通過封脈沖模擬IGBT開路故障。

圖2 故障診斷仿真模型

為了防止同一橋臂的上下2個管子同時導(dǎo)通，仿真中設(shè)定了死區(qū)。在故障診斷的過程中，死區(qū)時間段內(nèi)，不對故障進行判斷。按照圖2進行仿真驗證，所有IGBT均正常工作，但是在仿真進行時，由于T1和T3導(dǎo)通延遲，導(dǎo)致線電壓uab在1.491 35 ms 時未變?yōu)?，出現(xiàn)了誤診斷信號，如圖3所示(Sa+和Sa-分別為a橋臂的上管脈沖和下管脈沖，Sb+和Sb-分別為b橋臂的上管脈沖和下管脈沖)。經(jīng)過分析，IGBT關(guān)斷延時不會影響到故障診斷的準(zhǔn)確性。因此，為了防止IGBT導(dǎo)通延時導(dǎo)致的誤診斷，在圖2中，對4路PWM脈沖波進行延遲，再送入Matlab Function中進行故障判斷。

圖3 IGBT導(dǎo)通延遲導(dǎo)致的誤診斷信號

(1) 單管故障。T1開路故障時的仿真波形如圖4所示，在APF運行到0.001 s時，T1封脈沖。觀察仿真波形可知，在0.001 33 s時，F(xiàn)ault為1，故障信號顯示為T1出現(xiàn)開路。

圖4 T1開路故障時的仿真波形

(2) 雙管故障。T1和T2開路故障時的仿真波形如圖5所示，T1和 T2分別在0.001 s和0.002 s封脈沖，觀察仿真波形可知，在0.013 s時，F(xiàn)ault顯示為1，故障信號顯示為T1開路，在0.023 s時，F(xiàn)ault顯示為2，故障信號顯示為T2開路。

圖5 T1和T2開路故障時的仿真波形

T1和T2開路故障時的仿真波形如圖6所示，T1和 T3分別在0.001 s和0.002 s封脈沖，在0.017 s 時，F(xiàn)ault顯示為1，故障信號顯示為T1開路。在0.022 s 時，F(xiàn)ault顯示為3，故障信號顯示為T3開路。

上述仿真結(jié)果驗證了所提診斷方法在單管和雙管故障下的診斷性能。由故障診斷原理可得出，該方法可以診斷出三管故障及4個IGBT全部發(fā)生開路故障。

4 實驗結(jié)果

搭建三相四開關(guān)有源電力濾波器實驗平臺，實驗平臺主要參數(shù)如下：電網(wǎng)線電壓為60 V，頻率為50 Hz，三相不控整流橋帶2.67 Ω(3個8 Ω電阻并聯(lián))電阻作為公共諧波源，直流側(cè)上下電容值均為4.4 mF，直流側(cè)電壓參考值為200 V，輸出電感為1.5 mH，開關(guān)頻率為12.5 kHz。

圖6 T1和T3開路故障時的仿真波形

在實驗中，通過封脈沖模擬IGBT開路故障，實驗波形1如圖7所示。當(dāng)對T4封脈沖時，APF發(fā)出的補償諧波出現(xiàn)變化，在17 ms后，uab<0，ia<0，ib<0，診斷出T4故障，F(xiàn)ault=4。

圖7 實驗波形1

實驗波形2如圖8所示，當(dāng)對T4封脈沖時，IGBT不能正常導(dǎo)通，APF無法正常工作，補償后的電流出現(xiàn)了嚴(yán)重的畸變。在8 ms后，診斷出T4故障，F(xiàn)ault=4。

圖8 實驗波形2

5 結(jié)語

基于電壓檢測的IGBT開路故障診斷方法根據(jù)APF的兩相電流，4路IGBT脈沖信號，再結(jié)合1個線電壓信號，按照故障診斷規(guī)則，便可診斷出故障位置。仿真和實驗結(jié)果表明，該方法可準(zhǔn)確診斷出三相四開關(guān)APF單管開路故障和多管開路故障,故障診斷簡單，易于實現(xiàn)。

[1] 王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

[2] BLAABJERG F, NEACSU D O, PEDERSEN J K. Adaptive SVM to compensate DC-link voltage ripple for four-switch three-phase voltage-source inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1999, 14(4):743-752．

[3] 董偉杰,白曉民,朱寧輝,等.電力有源濾波器故障診斷與容錯控制研究[J].中國電機工程學(xué)報,2013,33(18):65-72.

[4] LU B,SHARMA S.A literature review of IGBT fault diagnostic and protection methods for power inverters[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2008,45(5):1770-1777.

[5] 張曉,孫傳達,劉娟,等.三相四線制有源電力濾波器開路故障診斷[J].電網(wǎng)技術(shù),2016,40(2):571-578.

[6] MENDES A M S, MARQUES C A J. Voltage source inverter fault diagnosis in variable speed AC drives, by the average current Park's vector approach[C]//Proceedings of the 7th International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives,London,1998:538-543.

[7] CASEIRO J A A, CARDOSO A J M. Fault diagnosis on a PWM rectifier AC drive system with fault tolerance using the average current Park's vector approach[C]// IEEE International Electric Machines and Drives Conference,Miami,FL,2009:695-701.

[8] 于泳,蔣生成,楊榮峰,等.變頻器IGBT開路故障診斷方法[J].中國電機工程學(xué)報,2011,31(9):30-35.

[9] 楊忠林,吳正國,李輝.基于直流側(cè)電流檢測的逆變器開路故障診斷方法[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(27):18-22.

[10] PEUGET R, COURTINE S, ROGNON J P. Fault detection and isolation on a PWM inverter by knowledge-based model[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,1998,34(6):1318-1326.

[11] CHARFI F, SELLAMI F, AL-HADDAD K. Fault diagnostic in power system using wavelet transforms and neural networks[C]// Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2006:1143-1148.

[12] 賞吳俊,何正友,胡海濤,等.基于IGBT輸出功率的逆變器開路故障診斷方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(4):1140-1145.

[13] RIBEIRO R L A,JACOBINA C B,DA-SILVA E R C,et al.Fault detection of open-switch damage in voltage-fed PWM motor drive systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18(2):587-593.

[14] 安群濤,孫力,趙克,等.基于開關(guān)函數(shù)模型的逆變器開路故障診斷方法[J].中國電機工程學(xué)報,2010,30(6):1-6.

[15] MASRUR M A, CHEN Zhihang, ZHANG Baifang, et al. Model-based fault diagnosis in electric drive inverters using artificial neural network[C]// Power Engineering Society General Meeting,Tampa,FL,USA,2007:1-7.

[16] PARK J H, KIM D H, KIM S S. C-ANFIS based fault diagnosis for voltage-fed PWM motor drive system fuzzy information[C]// Annual Conference of the North American Fuzzy Information Processing Society,Banff,Alta,Canada,2004:379-383.

Study on fault diagnosis of three-phase four-switch active power filters

ZHANG Man, WANG Tao， LI Zhixin

In order to solve problem of fault diagnosis of IGBT open-circuit of three-phase four-switch active power filter system, a fault diagnosis method of IGBT open-circuit based on voltage detection was put forward. This method only need to sample a line voltage signal, and combines with current and IGBT switching signals detected by system controllers, then it can quickly and accurately diagnose failure and determine the fault location. Meanwhile, the diagnosis method is suitable for IGBT open-circuit fault diagnosis of single tube and multi-tube. The simulation and experimental results verify the validity and reliability of the diagnosis method.

three-phase four-switch; active power filter; fault diagnosis; voltage detection

1671-251X(2016)11-0059-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.014

張滿,王濤,李志新.三相四開關(guān)有源電力濾波器故障診斷研究[J].工礦自動化，2016,42(11)：59-63.

2016-05-27;

2016-07-19；責(zé)任編輯：張強。

張滿(1990-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、電網(wǎng)電能質(zhì)量動態(tài)補償技術(shù)，E-mail：zhangman2809@163.com。

TD611

A

時間：2016-10-28 16:29

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1629.014.html