靖永志， 廖珍貞， 龔倩文， 錢程， 彭濤， 張晨昊

(1.西南交通大學(xué) 磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 611756；2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 611756)

0 引 言

基于電壓源型換流器的輸電(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)系統(tǒng)具有可實(shí)現(xiàn)有功無功獨(dú)立控制、可向無源網(wǎng)絡(luò)供電以及潮流反轉(zhuǎn)方便可靠等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在可再生能源并網(wǎng)、孤島供電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。換流器作為VSC-HVDC系統(tǒng)的核心設(shè)備，承擔(dān)著交直流變換的重要功能，然而由于換流器長期工作在高功率和強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境下，其核心組成元件IGBT開關(guān)管易發(fā)生開路故障。IGBT開路故障雖不會(huì)導(dǎo)致VSC-HVDC系統(tǒng)立即崩潰停運(yùn)，但將引起系統(tǒng)的電壓或者電流失真，導(dǎo)致正常的IGBT開關(guān)管或者換流站內(nèi)其它設(shè)備過載，從而可能引發(fā)二次故障，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致VSC-HVDC系統(tǒng)停運(yùn)[5]。因此，有必要研究VSC-HVDC換流器IGBT的開路故障診斷算法，以提高對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)效率，從而保障設(shè)備安全以及VSC-HVDC系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

國內(nèi)外學(xué)者在IGBT開路故障診斷方面開展了大量的研究，文獻(xiàn)[6-8]分別采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等人工智能算法對(duì)換流器IGBT的開路故障進(jìn)行了診斷。但該類診斷算法的準(zhǔn)確性依賴于大量的樣本數(shù)據(jù)，而且計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算成本較高，在線實(shí)現(xiàn)難度較大。為了克服人工智能算法在IGBT故障診斷方面的不足，文獻(xiàn)[9]建立了逆變器-電機(jī)的混雜系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力機(jī)車牽引逆變器IGBT的開路故障診斷；文獻(xiàn)[10]分析了IGBT開路故障的電流矢量的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)角度特征，并基于此設(shè)計(jì)了三相逆變器IGBT的開路故障診斷算法；文獻(xiàn)[11]與文獻(xiàn)[12]分別基于單相兩電平和單相三電平逆變器交流側(cè)電流在IGBT開路故障前后的變化特征，提出了基于電流殘差的單相逆變器IGBT開路故障診斷方法。以上方法基于對(duì)三相逆變器或者單相逆變器IGBT開路故障特征的分析，無需依賴于訓(xùn)練樣本，診斷算法較為簡單，為逆變器的故障診斷提供了良好的思路，但是上述診斷算法并不能直接應(yīng)用于整流器。隨著VSC-HVDC系統(tǒng)的發(fā)展，VSC型的三相整流器得到了較為廣泛的應(yīng)用，為了保障其運(yùn)行維護(hù)的可靠性與高效性，則需要對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)送端換流器(整流器)IGBT的開路故障進(jìn)行分析，進(jìn)而提出適用于VSC-HVDC系統(tǒng)送端換流器IGBT開路故障的在線診斷方法。

目前，在VSC-HVDC系統(tǒng)送端換流器IGBT故障分析與診斷方法的研究方面已有一定的文獻(xiàn)報(bào)道，文獻(xiàn)[13-14]基于仿真波形分析了VSC-HVDC系統(tǒng)送端換流器的短路和開路故障電氣特征，進(jìn)而利用小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)了送端換流器的故障診斷方案，但其分析完全基于仿真波形，分析結(jié)果受模型參數(shù)和故障時(shí)刻的影響較大，即普適性較低，而且所提故障診斷方案亦需依賴于大量的樣本數(shù)據(jù)，且無法實(shí)現(xiàn)雙橋臂IGBT開路故障的檢測。文獻(xiàn)[15]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)的交流側(cè)短路、直流線路短路、IGBT短路以及IGBT開路4類故障進(jìn)行了診斷，但是該方法缺乏理論分析依據(jù)，且無法定位到具體的開路故障橋臂。因此，亟需從理論分析層面深入研究VSC-HVDC送端換流器IGBT開路故障特征，進(jìn)而提出可檢測單橋臂和雙橋臂IGBT開路故障以及定位具體故障橋臂的送端換流器IGBT開路故障診斷算法。

本文以VSC-HVDC系統(tǒng)送端換流器IGBT為研究對(duì)象，推導(dǎo)2類單橋臂IGBT開路和4類雙橋臂IGBT開路故障的電壓殘差表達(dá)式，分析IGBT開路故障的電壓殘差特征，進(jìn)而提出基于電壓殘差的送端換流器IGBT開路故障診斷方法，基于半實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證所提方法的有效性。

1 VSC-HVDC系統(tǒng)送端換流器開關(guān)函數(shù)模型與殘差

1.1 送端換流器結(jié)構(gòu)

圖1為VSC-HVDC系統(tǒng)送端換流器示意圖。

圖1 VSC-HVDC送端換流器拓?fù)鋱DFig.1 Topology of VSC-HVDC rectifier side

圖中ia、ib與ic為換流器交流側(cè)三相電流；R和L分別為串聯(lián)電抗器等效電阻和電感；VTi(i=1～6)分別為換流器6個(gè)橋臂的IGBT開關(guān)管； VDi(i=1～6)分別為換流器6個(gè)橋臂的反并聯(lián)二極管；C1與C2為直流側(cè)支撐電容；Udc為直流側(cè)電壓。

1.2 送端換流器開關(guān)函數(shù)模型

令I(lǐng)GBT開關(guān)管VT1～VT6的狀態(tài)信號(hào)分別為S1～S6，Si=1和Si=0(i=1～6)分別表示VTi(i=1～6)狀態(tài)信號(hào)的有無；令δa、δb與δc分別表示換流器交流側(cè)A相、B相與C相電流ia、ib與ic的方向，當(dāng)ik(k為a，b或c)為正方向時(shí)，δk=1，當(dāng)ik為負(fù)方向時(shí)，δk=0；Sa、Sb與Sc分別為三相的開關(guān)函數(shù)值。以A相為例，考慮A相所連接的VT1與VT2所有可能的狀態(tài)信號(hào)和A相電流的方向，可得A相開關(guān)函數(shù)值和工作狀態(tài)的關(guān)系，見表1。

表1 A相開關(guān)函數(shù)值和工作狀態(tài)的關(guān)系Table 1 Relationship between switching function value and working state of phase A

B相、C相開關(guān)函數(shù)值和工作狀態(tài)的關(guān)系與A相類似，A相、B相和C相的開關(guān)函數(shù)表達(dá)式為：

(1)

當(dāng)Sa、Sb或Sc為1時(shí)，uao、ubo或uco等于Udc；當(dāng)Sa、Sb或Sc為0時(shí)，uao、ubo或uco等于0，即：

(2)

當(dāng)送端換流器正常工作時(shí)，其交流側(cè)三相電壓uan、ubn與ucn可表示為：

(3)

1.3 基于開關(guān)函數(shù)的電壓殘差定義

定義各相電壓的計(jì)算值與實(shí)測值之間的差值為電壓殘差，結(jié)合式(1)與式(3)得到三相的電壓殘差Δua、Δub與Δuc為：

(4)

2 IGBT開路故障特征分析

2.1 單橋臂IGBT開路故障分析

2.1.1 上橋臂IGBT開路故障

(5)

將式(5)代入式(4)，可得三相電壓殘差為

(6)

由式(6)可知，當(dāng)VT1發(fā)生開路故障后，若此時(shí)在ia<0且S1=1區(qū)間內(nèi)，即在δa=0且S1=1區(qū)間內(nèi)，A相、B相和C相電壓均存在殘差，其中A相的電壓殘差為2/3Udc，B相與C相的電壓殘差均為-1/3Udc；在其它區(qū)間內(nèi)的三相電壓殘差均為0。

2.1.2 下橋臂IGBT開路故障

(7)

則此時(shí)三相電壓殘差為

(8)

由式(8)可知，當(dāng)VT2發(fā)生開路故障后，若此時(shí)在ia>0且S2=1區(qū)間內(nèi)，即在δa=1且S2=1區(qū)間內(nèi)，A相電壓殘差為-2/3Udc，B相和C相的電壓殘差為1/3Udc。在其它區(qū)間內(nèi)的三相電壓殘差均為0。

同理，B相和C相連接橋臂的IGBT開路故障的電壓殘差特征與A相類似。當(dāng)上橋臂IGBT發(fā)生開路故障，該橋臂所在相的電壓殘差存在為2/3Udc的情況，其余兩相電壓殘差存在為-1/3Udc的情況；當(dāng)下橋臂IGBT發(fā)生開路故障，該橋臂所在相的電壓殘差存在為-2/3Udc的情況，其余兩相的電壓殘差存在為1/3Udc的情況。在其它區(qū)間內(nèi)的三相電壓殘差均為0。

2.2 雙橋臂IGBT開路故障分析

2.2.1 同相上下橋臂IGBT開路故障

(9)

將式(9)代入式(4)，得到三相電壓殘差為

(10)

由式(10)可知，當(dāng)VT1與VT2發(fā)生開路故障后，在ia<0且S1=1的區(qū)間內(nèi)，A相電壓殘差為2/3Udc，而B相和C相的電壓殘差為-1/3Udc；在ia>0，S2=1區(qū)間內(nèi)，三相電壓也存在殘差，其中A相電壓殘差為-2/3Udc，B相與C相的電壓殘差為1/3Udc。在其它區(qū)間內(nèi)的三相電壓殘差均為0。

2.2.2 異相上下橋臂IGBT開路故障

(11)

將式(11)代入式(4)，得到三相電壓殘差如下：

(12)

由式(12)可知，在VT1與VT4發(fā)生開路故障后，當(dāng)ia<0且S1=1時(shí)，A相電壓殘差為2/3Udc，而B相和C相的電壓殘差均為-1/3Udc；當(dāng)ib>0且S4=1時(shí)，B相電壓殘差為-2/3Udc，而A相與C相的電壓殘差均為1/3Udc。在故障疊加區(qū)間內(nèi)，即當(dāng)ia<0，S1=1且ib>0，S4=1時(shí)，A相電壓殘差為Udc，B相電壓殘差為-Udc，而C相電壓殘差為0。在其它區(qū)間內(nèi)的三相電壓殘差均為0。

2.2.3 兩上橋臂IGBT開路故障

(13)

將式(13)代入式(4)，得到三相電壓殘差為

(14)

由上式可知，在VT1和VT3發(fā)生開路故障后，當(dāng)ia<0且S1=1時(shí)，A相電壓殘差為2/3Udc，B相和C相電壓殘差為-1/3Udc；當(dāng)ib<0且S3=1時(shí)，B相電壓殘差為2/3Udc，而A相和C相的電壓殘差為-1/3Udc。在故障疊加區(qū)間內(nèi)，即ia<0，S1=1且ib<0，S3=1時(shí)，A相與B相的電壓殘差為1/3Udc，而C相電壓殘差為-2/3Udc。在其它區(qū)間內(nèi)的三相電壓殘差均為0。

2.2.4 兩下橋臂IGBT開路故障

(15)

將式(15)代入式(4)，得到三相電壓殘差為：

(16)

在VT2與VT4發(fā)生開路故障后，當(dāng)ia>0且S2=1時(shí)，A相電壓殘差為-2/3Udc，B相與C相的電壓殘差為1/3Udc；當(dāng)ib>0且S4=1時(shí)，B相電壓殘差為-2/3Udc，A相和C相的電壓殘差為1/3Udc。在故障疊加區(qū)間內(nèi)，即ia>0，S2=1且ib>0，S4=1時(shí)，A相與B相的電壓殘差為-1/3Udc，C相電壓殘差為2/3Udc。在其它區(qū)間內(nèi)的三相電壓殘差均為0。

2.3 電壓殘差特征總結(jié)

根據(jù)以上分析，可總結(jié)2類單橋臂和4類雙橋臂IGBT開路故障在可檢測到殘差的故障檢測區(qū)間內(nèi)的電壓殘差特征，見表2。由表2可知：

表2 IGBT開路故障的電壓殘差特征Table 2 Voltage residual characteristics of IGBT open-circuit faults

1)2類單橋臂IGBT開路、同相上下橋臂IGBT開路與異相上下橋臂IGBT開路故障特征為：故障上橋臂所在相的電壓殘差存在為2/3Udc或Udc的情況，即存在大于1/3Udc的情況，其它相的電壓殘差存在為1/3Udc、-1/3Udc、-2/3Udc、-Udc或0的情況，不存在大于1/3Udc的情況；而且，僅有故障下橋臂所在相的電壓殘差存在為-2/3Udc或-Udc的情況，即存在小于-1/3Udc的情況，其它相的電壓殘差存在為-1/3Udc、1/3Udc、2/3Udc、Udc或0的情況，不存在小于-1/3Udc的情況；

2)對(duì)于兩上橋臂或兩下橋臂IGBT開路故障，在非故障疊加區(qū)域，電壓殘差仍滿足以上情況，在故障疊加區(qū)域，非故障橋臂所在相的電壓殘差存在小于-1/3Udc或者大于1/3Udc的情況。

3 基于電壓殘差的故障診斷方法

3.1 故障診斷流程設(shè)計(jì)

基于電壓殘差特征，設(shè)計(jì)IGBT開路故障診斷的判據(jù)分別為：

Δum>krel×1/3Udc。

(17)

Δum

(18)

式中m為故障橋臂所在相。本文根據(jù)2.3節(jié)總結(jié)的電壓殘差特征，分別以1/3Udc和-1/3Udc為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)與m相連接的上橋臂IGBT開路和下橋臂IGBT開路故障的判斷閾值，且為了給故障診斷留有一定的判斷裕量，取可靠系數(shù)krel=1.5。

若式(17)成立，即Δum> 0.5Udc時(shí)，則判定與m相連接的上橋臂IGBT發(fā)生故障，設(shè)置該橋臂IGBT故障標(biāo)志位由0跳變?yōu)?；若式(18)成立，即Δum< -0.5Udc時(shí)，則判定m相連接的下橋臂IGBT發(fā)生開路故障，設(shè)置該下橋臂IGBT故障標(biāo)志位跳變?yōu)?。

對(duì)于兩上橋臂或兩下橋臂IGBT開路故障，如當(dāng)VT1與VT3開路時(shí)，在非故障疊加區(qū)域，A相和B相電壓殘差為2/3Udc，大于0.5Udc；在故障疊加區(qū)域，C相電壓殘差為-2/3Udc，小于-0.5Udc。故VT1、VT3與VT6對(duì)應(yīng)的三個(gè)故障標(biāo)志均會(huì)跳變。為解決這一問題，在故障診斷流程中，計(jì)算故障標(biāo)志跳變?yōu)?的個(gè)數(shù)N。若N<3，則將跳變?yōu)?的故障標(biāo)志全部輸出，即判斷故障標(biāo)志跳變?yōu)?的橋臂IGBT發(fā)生開路故障；否則僅輸出同為上橋臂或同為下橋臂的IGBT故障標(biāo)志，即判斷同為上橋臂或同為下橋臂且故障標(biāo)志跳變?yōu)?的兩橋臂IGBT發(fā)生開路故障。

基于以上思路，設(shè)計(jì)的基于電壓殘差的IGBT開路故障診斷流程如圖2所示。其中Δuk為k相電壓殘差，k為a，b或c。

圖2 IGBT開路故障診斷流程圖Fig.2 Diagram for IGBT open-circuit fault diagnosis

現(xiàn)有在電力系統(tǒng)故障檢測、診斷等方面的研究，為提高故障識(shí)別或者診斷的可靠性，一般取一定長度的時(shí)間窗進(jìn)行故障檢測或者診斷[16]，因此在本文所提方法的診斷流程中，取2 ms的數(shù)據(jù)窗進(jìn)行判斷，若在2 ms時(shí)間窗內(nèi)有5個(gè)采樣點(diǎn)的電壓殘差大于0.5Udc或者小于-0.5Udc才允許相應(yīng)的故障標(biāo)志跳變。

3.2 故障診斷方案的可行性

以上方案中，取krel=1.5即取判斷閾值為0.5Udc和-0.5Udc可保證對(duì)故障判斷留有一定的判斷裕量，如當(dāng)VT1與VT2發(fā)生開路故障后，由表2可知，A相電壓殘差存在為2/3Udc的情況，較判斷閾值0.5Udc大1/6Udc，則可判斷出VT1發(fā)生開路故障，其它相的電壓殘差最大的情況為1/3Udc，較0.5Udc小1/6Udc，故不會(huì)出現(xiàn)對(duì)其它上橋臂IGBT的故障誤判；且A相的電壓殘差存在為-2/3Udc，較判斷閾值-0.5Udc小1/6Udc，則可判斷出VT2發(fā)生開路故障，其它相的電壓殘差最小的情況為-1/3Udc，較-0.5Udc大1/6Udc，故不會(huì)出現(xiàn)對(duì)其它下橋臂IGBT的故障誤判。對(duì)其它類型的故障診斷也與之類似，判斷裕量至少為1/6Udc，本文不再贅訴。因此可知，當(dāng)可靠系數(shù)krel取為1.5時(shí)，可為故障診斷留有1/6Udc的判斷裕量，即所提診斷方法具備一定的抗干擾能力。

此外，故障判斷閾值0.5Udc與-0.5Udc中的“Udc”為直流側(cè)電壓的實(shí)測值，即故障判斷閾值會(huì)隨“Udc”的變化而線性變化，而根據(jù)第2節(jié)的分析可知，在確定的開路故障條件下，電壓殘差與Udc之間的關(guān)系是確定的，故即使直流側(cè)電壓Udc受系統(tǒng)參數(shù)變化而變化，所提故障診斷方法仍能夠準(zhǔn)確識(shí)別故障。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提診斷方法的可行性，基于TMS320F6748+FPGA+RTLAB半實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建了VSC-HVDC系統(tǒng)。圖3為半實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖，包括DSP+FPGA控制器以及半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(RT-LAB)。其中VSC-HVDC系統(tǒng)的送端(整流側(cè))采用定有功功率和無功功率控制式；受端(逆變側(cè))采用定無功功率和定直流電壓控制方式。系統(tǒng)的直流電壓等級(jí)為60 kV，采樣頻率為20 kHz。

圖3 半實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Hardware-in-the-loop experiment system

4.1 故障診斷方法在無干擾下的驗(yàn)證

4.1.1 單橋臂IGBT開路故障

1)上橋臂IGBT開路故障。

以VT1開路為例驗(yàn)證診斷方法在上橋臂IGBT開路故障下的可行性，故障時(shí)刻為4 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4示。VT1發(fā)生開路故障后，電壓計(jì)算值與實(shí)測值出現(xiàn)差異，A相電壓殘差存在大于閾值0.5Udc的情況，當(dāng)在2 ms數(shù)據(jù)窗內(nèi)A相電壓殘差有5個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)值超過0.5Udc，VT1的故障標(biāo)志F1跳變?yōu)?。

圖4 VT1開路故障診斷結(jié)果Fig.4 Diagnosis result of VT1 open-circuit fault

2)下橋臂IGBT開路故障。

以VT2開路為例驗(yàn)證診斷方法在下橋臂IGBT開路故障下的可行性，故障時(shí)刻設(shè)為4 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5示。當(dāng)VT2發(fā)生開路故障后，A相電壓殘差存在小于閾值-0.5Udc的情況，VT2的故障標(biāo)志F2跳變?yōu)?。

圖5 VT2開路故障診斷結(jié)果Fig.5 Diagnosis result of VT2 open-circuit fault

4.1.2 雙橋臂IGBT開路故障

1)同相上下橋臂IGBT開路故障。

以VT1與VT2開路為例驗(yàn)證診斷方法在同相上下橋臂IGBT開路故障下的有效性，故障時(shí)刻為4 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6示。VT1與VT2發(fā)生開路故障后，先出現(xiàn)A相電壓殘差小于-0.5Udc的情況，當(dāng)在2 ms內(nèi)A相電壓殘差有5個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)值小于-0.5Udc后，VT2故障標(biāo)志跳變?yōu)?。在半個(gè)周期之后出現(xiàn)A相電壓殘差大于0.5Udc的情況，則VT1故障標(biāo)志跳變?yōu)?。診斷算法準(zhǔn)確判定VT1與VT2發(fā)生故障。

圖6 VT1與VT2開路故障診斷結(jié)果Fig.6 Diagnosis result of VT1 and VT2 open-circuit fault

2)異相上下橋臂IGBT開路故障。

以VT1與VT4開路為例驗(yàn)證診斷方法在異相上下橋臂IGBT開路故障下的可行性，故障時(shí)刻設(shè)為4 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7示。由圖中結(jié)果可知，診斷算法能夠準(zhǔn)確識(shí)別出VT1與VT4開路故障。

圖7 VT1與VT4開路故障診斷結(jié)果Fig.7 Diagnosis result of VT1 and VT4 open-circuit fault

3)兩上橋臂IGBT開路故障。

以VT1與VT3開路為例驗(yàn)證診斷方法在兩上橋臂IGBT開路故障下的有效性，故障時(shí)刻設(shè)為4 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8示。由圖中結(jié)果可知，VT1、VT3與VT6的故障標(biāo)志發(fā)生跳變，此情況下，由于故障標(biāo)志跳變?yōu)?的個(gè)數(shù)等于3，則根據(jù)圖2的診斷流程，僅輸出兩上橋臂VT1與VT3的故障標(biāo)志。因而在兩上橋臂IGBT開路故障下，所提診斷算法仍能適用。

圖8 VT1與VT3開路故障診斷結(jié)果Fig.8 Diagnosis result of VT1 and VT3 open-circuit fault

4)兩下橋臂IGBT開路故障。

以VT1與VT4開路為例驗(yàn)證診斷方法在兩下橋臂IGBT開路故障下的有效性，故障時(shí)刻設(shè)為4 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9示。由圖可知，VT2、VT4與VT5的故障標(biāo)志均跳變?yōu)?，根據(jù)診斷流程，此情況下，僅輸出兩下橋臂VT2與VT4的故障標(biāo)志，即診斷方法準(zhǔn)確判斷出VT2與VT4發(fā)生開路故障。

圖9 VT2與VT4開路故障診斷結(jié)果Fig.9 Diagnosis result of VT2 and VT4 open-circuit fault

4.2 故障診斷方法在有干擾下的適應(yīng)性驗(yàn)證

4.2.1 故障診斷方法在換流器直流側(cè)電壓變化時(shí)的適應(yīng)性驗(yàn)證

在VSC-HVDC系統(tǒng)中，其系統(tǒng)參數(shù)一般在確定后即不允許有較大改變。因此，現(xiàn)有文獻(xiàn)在研究VSC-HVDC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化對(duì)保護(hù)或者故障分析的研究時(shí)，一般考慮換流器直流側(cè)電壓波動(dòng)不超過10%[5,17]。為此，本文以同相上下橋臂IGBT開路故障為例，對(duì)診斷方法在系統(tǒng)參數(shù)變化引起直流側(cè)電壓變化到90%和110%情況下的適應(yīng)性進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖10與圖11所示。

圖10為在3.95 s時(shí)直流側(cè)電壓Udc由60 kV降至54 kV，在4 s時(shí)VT1與VT2發(fā)生開路故障的三相電壓殘差與判斷閾值情況。

圖10 Udc=54 kV，VT1與VT2開路故障時(shí)三相電壓殘差與判斷閾值情況Fig.10 Voltage residual and threshold of VT1 and VT2 open-circuit fault when Udc =54 kV

由圖10結(jié)果可知，在3.95 s直流側(cè)電壓降為90%時(shí)，判斷閾值0.5Udc和-0.5Udc也隨之變化，而且A相電壓殘差仍存在大于0.5Udc且小于-0.5Udc的情況，B相和C相電壓殘差均不滿足式(17)與式(18)所示的故障診斷判據(jù)，因此診斷方法能夠可靠診斷出發(fā)生的故障為VT1和VT2開路故障。

圖11為在3.95 s時(shí)直流側(cè)電壓Udc由60 kV上升至66 kV，在4 s時(shí)VT1與VT2發(fā)生開路故障的三相電壓殘差與判斷閾值情況。

圖11 Udc=66 kV，VT1與VT2開路故障時(shí)三相電壓殘差與判斷閾值情況Fig.11 Voltage residual and threshold of VT1 and VT2 open-circuit fault when Udc =66 kV

由圖11結(jié)果可知，在3.95 s直流側(cè)電壓上升至110%時(shí)，判斷閾值0.5Udc和-0.5Udc也隨之變化，而且A相電壓殘差存在大于0.5Udc且小于-0.5Udc的情況，B相和C相電壓殘差亦不滿足故障診斷判據(jù)，故診斷方法在此情況下，仍能夠準(zhǔn)確診斷出發(fā)生的故障為VT1和VT2開路故障。

4.2.2 故障診斷方法在噪聲干擾下的驗(yàn)證

本文以A相上下橋臂IGBT開路故障為例，在故障的測量信號(hào)中添加信噪比(SNR)為30 dB和20 dB噪聲，對(duì)所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果分別如圖12與圖13所示。

圖12 SNR=30 dB，VT1與VT2開路故障時(shí)三相電壓殘差與判斷閾值情況Fig.12 Voltage residual and threshold of VT1 and VT2 open-circuit fault when SNR=30 dB

圖13 SNR=20 dB，VT1與VT2開路故障三相電壓殘差與判斷閾值情況Fig.13 Voltage residual and threshold of VT1 and VT2 open-circuit fault when SNR=20 dB

仿真結(jié)果表明，在加入噪聲后，三相電壓殘差和故障判斷閾值雖然會(huì)有所波動(dòng)，但是即使在信噪比20 dB的噪聲干擾下，當(dāng)VT1與VT2發(fā)生開路故障時(shí)，A相電壓殘差仍存在大于0.5Udc且存在小于-0.5Udc的情況，且其它相電壓殘差不滿足故障診斷判據(jù)，即所提故障診斷方法能夠可靠診斷出發(fā)生的故障為VT1與VT2開路故障。因此可知，所提診斷方法具有較高的抗噪聲干擾性能。

5 結(jié) 論

1)分析了單橋臂與雙橋臂IGBT開路故障的電壓殘差特征：當(dāng)某相上橋臂IGBT發(fā)生開路故障時(shí)，其對(duì)應(yīng)相的電壓殘差將存在大于1/3Udc的情況；當(dāng)某相下橋臂IGBT發(fā)生開路故障時(shí)，其對(duì)應(yīng)相的電壓殘差將存在小于-1/3Udc的情況。對(duì)于兩上橋臂或兩下橋臂IGBT開路，在非故障疊加區(qū)域，可等效2個(gè)IGBT分別發(fā)生開路故障，在故障疊加區(qū)域，未發(fā)生故障相的電壓存在小于-1/3Udc或者存在大于1/3Udc的情況。

2)設(shè)計(jì)了基于電壓殘差的IGBT開路故障診斷算法，當(dāng)某相電壓殘差大于0.5Udc，該相上橋臂IGBT的故障標(biāo)志由0跳變?yōu)?；當(dāng)某相電壓殘差小于-0.5Udc，該相下橋臂IGBT的故障標(biāo)志由0跳變?yōu)?。當(dāng)故障標(biāo)志跳變?yōu)?的個(gè)數(shù)小于3，則判斷故障標(biāo)志跳變?yōu)?的橋臂IGBT發(fā)生開路故障，否則判斷同為上橋臂或同為下橋臂且故障標(biāo)志跳變?yōu)?的橋臂IGBT發(fā)生開路故障。

3)對(duì)所提故障診斷方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠準(zhǔn)確診斷出2類單橋臂和4類雙橋臂IGBT開路故障，且具有一定的抗直流側(cè)電壓變化與噪聲干擾的性能，具有一定的工程應(yīng)用前景。