成庶，趙俊棟 ，李凱迪，于天劍，伍珣，張志龍

一種基于相電流軌跡的逆變器開(kāi)路故障診斷方法

成庶1，趙俊棟1，李凱迪1，于天劍1，伍珣2，張志龍3

(1. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2. 中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；3. 中國(guó)中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111)

提出一種非侵入式的針對(duì)逆變器功率器件開(kāi)路故障的診斷方法。針對(duì)開(kāi)路故障前后的相電流軌跡進(jìn)行基于數(shù)學(xué)模型的分析；根據(jù)相電流軌跡的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行故障特征的提取并結(jié)合積分算法對(duì)故障進(jìn)行定位；基于dSPACE半實(shí)物仿真平臺(tái)對(duì)本文所提故障定位方法的有效性與可靠性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：所提方法可以很好的應(yīng)用于逆變器開(kāi)路故障診斷。

逆變器；開(kāi)路故障；故障診斷；積分算法

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置在工業(yè)中的地位日益增加，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)對(duì)電力電子設(shè)備的安全性和可靠性要求也變得更高，因?yàn)橐坏┢渲心硞€(gè)局部發(fā)生故障將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，有電力電子電路中器件故障的分布[1]如圖1所示，可以看出其中半導(dǎo)體功率器件的故障率(包括半導(dǎo)體器件與焊接點(diǎn)失效)占到了34%。而半導(dǎo)體功率器件的故障又可進(jìn)一步分為短路故障和開(kāi)路故障[2?3]。其中短路故障所產(chǎn)生的過(guò)電流會(huì)在瞬間對(duì)系統(tǒng)造成巨大破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，危害甚大，故針對(duì)該類(lèi)故障的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，如今已有各種成套且完備的硬件保護(hù)措施，例如現(xiàn)有的變頻電路的設(shè)備中都會(huì)有過(guò)電流的檢測(cè)裝置和保護(hù)裝置，包括保險(xiǎn)絲熔斷及空氣開(kāi)關(guān)等，以確保系統(tǒng)中一旦發(fā)生短路故障能立即對(duì)其進(jìn)行切斷隔離保證系統(tǒng)安全。同時(shí)需要注意，短路故障在一定條件下會(huì)轉(zhuǎn)化為開(kāi)路故障，因?yàn)楫?dāng)三相電路中的某一處功率管發(fā)生短路故障后，與此故障管同一橋臂上的另一功率管若此時(shí)導(dǎo)通，就相當(dāng)于直流側(cè)的電源通過(guò)故障相形成了短路，過(guò)電流會(huì)直接擊穿故障相上的功率管，從而導(dǎo)致功率管過(guò)熱燒毀，這樣就從短路故障轉(zhuǎn)為了開(kāi)路故障。而開(kāi)路故障與短路故障相比，系統(tǒng)故障響應(yīng)較慢，故系統(tǒng)在發(fā)生開(kāi)路故障情況下，由于其瞬時(shí)破壞較小，系統(tǒng)往往還可在故障下繼續(xù)畸形運(yùn)行，但隨著時(shí)間積累，開(kāi)路故障仍會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。綜上原因，本文主要針對(duì)開(kāi)路故障進(jìn)行研究?，F(xiàn)有的針對(duì)半導(dǎo)體功率器件開(kāi)路故障的診斷技術(shù)根據(jù)手段的不同，可分為基于智能算法診斷法、基于參數(shù)模型法以及基于數(shù)據(jù)處理法三大類(lèi)。

圖1 器件故障分布圖

基于智能診斷算法診斷的核心在于應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)智能算法來(lái)提高診斷效率。QIANG[4]使用模擬結(jié)果離線(xiàn)訓(xùn)練徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別和定位故障。付玲等[5]針對(duì)自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SOM)具備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需指導(dǎo)的自學(xué)習(xí)特點(diǎn)將其應(yīng)用到逆變器故障診斷的領(lǐng)域中。于生寶等[6]以變換器輸出電壓為原始信號(hào)，利用變采樣頻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對(duì)特征向量進(jìn)行降維，最后采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立故障分類(lèi)器，來(lái)提高診斷方法的魯棒性。李小波等[7]提出了一種基于支持向量機(jī)(SVM)的逆變器故障診斷方法，其以Clark變換與空間矢量模值計(jì)算為基礎(chǔ)并結(jié)合支持向量機(jī)，利用空間矢量模值的畸變位置為特征信號(hào)，從而對(duì)故障特征向量進(jìn)行分類(lèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)多管故障的診斷。CAI等[8]提出了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的三相逆變器數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)故障診斷方法。測(cè)量不同故障模式的2個(gè)輸出線(xiàn)電壓，使用快速傅立葉變換提取信號(hào)特征，并使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)和診斷故障。這些方法都是基于不同的智能算法，每種智能方法的結(jié)構(gòu)都不相同，且普遍計(jì)算量較大，精度無(wú)法確定?；趨?shù)模型的診斷方法的重點(diǎn)在于建立一個(gè)精準(zhǔn)的模型，再通過(guò)該模型的診斷參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障診斷。Choi等[9]介紹了一種用于并網(wǎng)中性點(diǎn)鉗位(NPC)逆變器系統(tǒng)的開(kāi)路故障檢測(cè)方法，并提出了一種容錯(cuò)控制方法。所提出的故障檢測(cè)方法能識(shí)別故障開(kāi)關(guān)的位置和NPC逆變器的故障鉗位二極管，而無(wú)需任何額外的硬件或復(fù)雜的計(jì)算。萬(wàn)曉鳳等[10]提出了一種基于電流殘差的故障診斷方法，通過(guò)比較仿真模型與實(shí)際輸出得到殘差，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)故障開(kāi)關(guān)的準(zhǔn)確定位。AN等[11]分析了正常工作與故障狀態(tài)下的開(kāi)關(guān)模型，從觸發(fā)信號(hào)中提取故障特征，實(shí)現(xiàn)了快速的故障診斷。李寧等[12]建立了電力電子電路混合邏輯動(dòng)態(tài)模型，并在電路混合邏輯動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，基于故障事件識(shí)別向量，研究了電力電子電路故障診斷方法。但是這種基于參數(shù)模型的方法對(duì)模型的依賴(lài)性很大，有些模型很容易受到外界噪聲的干擾，而且有的對(duì)整個(gè)系統(tǒng)改動(dòng)較大，有的則是要求模型與事實(shí)的符合程度很高才可行，還有一些模型參數(shù)變化會(huì)導(dǎo)致魯棒性變差。基于數(shù)據(jù)處理的方法主要通過(guò)獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)來(lái)反映故障特征，從而實(shí)現(xiàn)故障診斷。郭立煒等[13]針對(duì)電流信號(hào)作為診斷信號(hào)容易干擾，從而出現(xiàn)失誤的故障診斷信號(hào)，提出了將脈沖信號(hào)和三相橋臂的中點(diǎn)電壓信號(hào)相結(jié)合，并進(jìn)行邏輯分析找出其邏輯關(guān)系的表達(dá)式，從而實(shí)現(xiàn)診斷。但是此方法需要額外的控制信號(hào)，增加了電路復(fù)雜性。Mohsen等[14]提出了一種通過(guò)綜合分析輸出側(cè)極電壓與電流可對(duì)三電平中性點(diǎn)鉗位逆變器上進(jìn)行故障診斷的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)功率管和鉗位二極管的故障檢測(cè)和定位，且能夠?qū)崿F(xiàn)在線(xiàn)診斷適用范圍較廣，但對(duì)額外傳感器需要一定需求。Jorge等[15]以三相電流平均絕對(duì)值作為故障特征量進(jìn)行分析，提出了針對(duì)電壓型逆變器的診斷方法，但是合適的閾值的選擇是一個(gè)問(wèn)題。Im等[16]通過(guò)考慮空間矢量PWM的開(kāi)關(guān)模式和故障相電流的方向來(lái)分析6個(gè)開(kāi)關(guān)元件的故障情況，并提出一種新的容錯(cuò)方法。但是其每一個(gè)器件的閾值都需要進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置。CHENG等[17]針對(duì)電壓型逆變器提出了一種新穎的基于電壓包絡(luò)線(xiàn)的診斷與定位方法。但是當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，電壓信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定比例的部分衰減或信號(hào)的成分含量有一定的變化。這種方法不適用于光伏系統(tǒng)，適用范圍就有一定局限性。HE等[18]提出了一種在線(xiàn)監(jiān)測(cè)直流母線(xiàn)中性點(diǎn)電流、瞬時(shí)開(kāi)關(guān)狀態(tài)及相電流的異常狀態(tài)的逆變器故障快速診斷方法，且不受電壓波動(dòng)及負(fù)載變化的影響，但是仍然需要增加額外的傳感器來(lái)測(cè)量直流母線(xiàn)中性點(diǎn)電流。Bae等[19]提出了一種新的三相PWM逆變器多個(gè)IGBT開(kāi)路故障在線(xiàn)診斷方法。該故障檢測(cè)基于監(jiān)視α-β靜止參考系的每個(gè)扇區(qū)中的當(dāng)前矢量的停留時(shí)間，識(shí)別過(guò)程基于相電流信息。但計(jì)算過(guò)程需要用到坐標(biāo)變化，精準(zhǔn)度會(huì)受到影響。如今逆變器的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、高集成化以及高效化，而不少診斷方法所需添加的額外傳感器或復(fù)雜算法都是有悖于未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的。而非侵入式的設(shè)計(jì)則可以很好地順應(yīng)了發(fā)展趨勢(shì)，具有無(wú)需增加額外的傳感器，無(wú)需修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)故不會(huì)破壞系統(tǒng)的原拓?fù)?，以及降低診斷系統(tǒng)成本等優(yōu)勢(shì)。故本文提出一種簡(jiǎn)單易行的基于相電流軌跡法的非侵入式故障診斷方法，可以很好的適應(yīng)如今工業(yè)的需求。本文首先利用相電流軌跡趨勢(shì)，即相電流隨時(shí)間推移的變化趨勢(shì)，進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，然后根據(jù)分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了故障特征的提取，提出一種結(jié)合數(shù)學(xué)積分算法的故障診斷方法。最后，基于dSPACE半實(shí)物仿真平臺(tái)對(duì)本文所提故障定位方法的有效性與可靠性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證，結(jié)果表明所提方法可以很好的應(yīng)用于逆變器開(kāi)路故障診斷。

1 三相電壓型逆變電路模型

本文研究目標(biāo)為兩電平的三相電壓型逆變電路，如圖2所示，采用SPWM控制方法。將通過(guò)數(shù)學(xué)手段對(duì)不同工作情況下的各相電流隨時(shí)間的變化趨勢(shì)(即電流軌跡)進(jìn)行分析，具體過(guò)程如下。

圖2 電壓源型逆變電路

圖2中點(diǎn)為中性點(diǎn)，u為直流電壓源， VT1~ VT6為IGBT器件，D1~D6為續(xù)流二極管。

在該電路中，用0表示每一相中的上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通；用1狀態(tài)表示每一相上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷。正常工作時(shí)，任一時(shí)刻 A，B和C三相橋中每一橋臂有一個(gè)IGBT導(dǎo)通、另一個(gè)關(guān)斷，反并聯(lián)二極管用于續(xù)流時(shí)期構(gòu)成回路。

在此電路中，三相負(fù)載均為阻感負(fù)載，且三相負(fù)載完全一致，

其各相等效的阻抗為：

R為三相輸出端的A，B和C三相中某一相的等效電阻負(fù)載，L為三相輸出端的A，B和C三相中某一相的等效電感負(fù)載。

正常工作時(shí)，三相電壓源逆變電路的各相相電流表達(dá)式為：

其中：I為三相輸出相電流的幅值；為電流角頻率，i，i和i為三相相電流的表達(dá)式。

三相相電壓表達(dá)式為：

u，u和u分別為A，B和C三相的輸出相 電壓。

2 故障狀態(tài)

本文對(duì)單管及多管開(kāi)路故障進(jìn)行了分類(lèi)研究。將故障具體分為3類(lèi)：1) 單個(gè)IGBT管開(kāi)路故障；2) 同一相的雙管同時(shí)故障；3) 不同橋臂的雙管同時(shí)故障。3種不同故障共計(jì)21種情況，見(jiàn)表1。3種故障類(lèi)型的數(shù)學(xué)解析模型的建立過(guò)程如表1 所示。

表1 開(kāi)路故障分類(lèi)

2.1 單管故障

由于兩電平逆變器在結(jié)構(gòu)及功能上具有對(duì)稱(chēng)性，故本文以VT1發(fā)生開(kāi)路故障為例進(jìn)行分析，其余管分析過(guò)程與VT1管一致。

VT1故障之后的三相電流變化趨勢(shì)如圖3所示，其等效電路如圖4所示。

圖3 單管故障電流波形

圖4 單管故障等效電路

u為B和C相的線(xiàn)電壓。

2.2 單橋臂雙管故障

當(dāng)單橋臂的上下管都開(kāi)路故障，以VT1和VT2同時(shí)開(kāi)路故障為例，當(dāng)VT1，VT2故障時(shí)，A相的上下橋臂都無(wú)法正常導(dǎo)通，正負(fù)半波的電流均無(wú)法完成續(xù)流，因此相當(dāng)于A相斷路，只剩兩相正常工作，因此A相電流一直為0，而B(niǎo)和C相電流則一直保持一定程度的畸變。等效電路和各相電流隨時(shí)間變化趨勢(shì)的原理分析與單管故障時(shí)一致。

2.3 異橋臂雙管故障

異橋臂上有2個(gè)IGBT管發(fā)生故障時(shí)，還可進(jìn)一步分為2種情況，第1種是2個(gè)橋臂的相同半橋位置的2個(gè)IGBT發(fā)生故障，例如VT1和VT3故障，第2種是不同橋臂的不同半橋位置功率管發(fā)生故障，例如VT1和VT4故障。在發(fā)生后一種情況時(shí)，每個(gè)IGBT的表現(xiàn)和單個(gè)IGBT管故障表現(xiàn)一樣，因此重點(diǎn)討論前一種的相同半橋位置的2個(gè)IGBT管故障的情況。

當(dāng)兩橋臂上各有一個(gè)相同橋臂位置的IGBT發(fā)生故障時(shí)，以VT1和VT3同時(shí)故障為例，故障后的各相電流隨時(shí)間的變化趨勢(shì)和等效電路的分析與單管故障情況原理上一致，在此不贅述。

當(dāng)VT1和VT3同時(shí)故障時(shí)，需要分區(qū)段討論：

三相輸出相電流表達(dá)式為：

3 故障診斷技術(shù)

由上述分析可知，當(dāng)電路中發(fā)生開(kāi)路故障之后，各相電流會(huì)發(fā)生畸變。以故障相電流是否為零作為故障特征，當(dāng)不同功率管發(fā)生故障情況后，對(duì)其故障后畸變電流的表達(dá)式進(jìn)行分段積分，其積分符號(hào)是不相同的，故本文基于這一原理進(jìn)行故障定位，具體分析如下。

3.1 單管故障

以VT1故障為例，其電流表達(dá)式為式(4)，(5)和(6)，對(duì)其進(jìn)行每半個(gè)周期的分段積分：

δ，δ和δ為三相電流表達(dá)式的積分結(jié)果，其中I為電流峰值和為電流角頻率，均為正數(shù)。其余單管故障情況如表2所示。

3.2 單橋臂雙管故障

以VT1和VT2同時(shí)開(kāi)路故障為例，其電流表達(dá)式如式(7)所示，對(duì)其進(jìn)行分段積分：

其余同橋臂雙管故障情況如表2所示。

表2 故障定位表

3.3 異橋臂雙管故障

以VT1和VT3同時(shí)開(kāi)路故障，電流表達(dá)式如式(8)至(11)，進(jìn)行分段積分：

其余不同故障情況如表2所示。

本文故障診斷技術(shù)方法可以用圖5流程圖概括，首先相電流每半周期進(jìn)行一次積分，然后作如圖5中所示的判斷，最終得到定位結(jié)果。

圖5 故障診斷流程圖

Fig. 5 Flow diagram of fault diagnosis

4 實(shí)驗(yàn)分析

以dSPACE半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為依托對(duì)本文所提方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖6所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括三相橋式變流器箱、電子負(fù)載箱，dSPACE，DS1007，PPC，Processor Board?？刂菩盘?hào)由dSPACE產(chǎn)生，經(jīng)I/O接口傳送至逆變器。相關(guān)的傳感器信號(hào)由A/D接口進(jìn)行傳輸。診斷模塊對(duì)各相電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。主要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

4.1 有效性驗(yàn)證

如圖7~9所示，不同功率管發(fā)生開(kāi)路故障情況時(shí)的電流波形圖0時(shí)刻發(fā)生故障，積分值的符號(hào)已在圖中標(biāo)出，圖7中積分符號(hào)為(0,?)(+,?)(+,?)，由這3個(gè)積分的符號(hào)，可在故障表中定位到故障功率管，圖7情況為VT1故障；同理可根據(jù)圖8和圖9中符號(hào)進(jìn)行判斷，圖8則為VT1和VT2同時(shí)故障，圖9是VT1和VT3同時(shí)故障。這3種情況定位結(jié)果在表2中給出。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

圖7 單管故障電流波形

圖8 同一相雙管故障電流

4.2 可靠性驗(yàn)證

圖10為發(fā)生故障時(shí)的電流波形圖，0時(shí)刻發(fā)生故障，1時(shí)刻負(fù)載發(fā)生變化，積分符號(hào)已標(biāo)在圖中。從圖10(a)看出，負(fù)載變化前后的積分號(hào)都為(0,?)，(+,?)(+,?)，負(fù)載并不會(huì)影響積分符號(hào)的變化，圖10(b)的積分符號(hào)同樣沒(méi)有變化，因此負(fù)載的變化不影響故障診斷技術(shù)的效果。并且根據(jù)積分符號(hào)可以定位到故障功率管，定位結(jié)果如表2所示。

圖9 不同橋臂雙管故障

4.3 適用性驗(yàn)證

使用SPWM控制策略、SVPWM和電流滯環(huán)控制進(jìn)行對(duì)比，在此只討論單管故障時(shí)的對(duì)比，其他情況類(lèi)似，以VT1故障為例，3種控制方法下的故障波形如圖11。圖11(a)為使用SPWM控制策略下的故障之后的波形；圖11(b)為使用SVPWM控制策略下的電流波形；而圖11(c)則是使用電流滯環(huán)控制方法得到的電流波形。圖中0時(shí)刻為發(fā)生故障的時(shí)刻。

由圖11可看出，在3種控制方法情況下，故障相的電流仍可作為故障特征，都會(huì)出現(xiàn)為零的區(qū)域，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行積分，其積分值符號(hào)已標(biāo)注在圖中，與理論結(jié)果相符合，故障定位方法可以正確地對(duì)故障功率管進(jìn)行位置，功率管定位結(jié)果在表2中可找出，均為VT1發(fā)生故障。所以控制方法也不影響診斷技術(shù)的效果。

(a) 單管故障；(b) 雙管故障

(a) SPWM；(b) SVPWM；(c) 電流滯環(huán)

由以上的實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證本文所提出的故障診斷技術(shù)具有有效性、可靠性以及適用性。

5 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)開(kāi)路故障前后的相電流建立數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行分析；然后根據(jù)分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)行故障特征的提取，結(jié)合積分算法的故障診斷方法。

2) 最后，基于dSPACE半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本文對(duì)所提故障定位方法的有效性與可靠性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證，結(jié)果表明所提方法可以很好的應(yīng)用于逆變器開(kāi)路故障診斷，驗(yàn)證了有效性、可靠性以及適用性。

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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

國(guó)家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFB1201201，2017YFB1201302-13)

于天劍(1988?)，男，吉林長(zhǎng)春人，講師，博士，從事電力牽引及傳動(dòng)控制研究；E?mail：250486154@qq.com

(編輯 蔣學(xué)東)