高光輝, 雷曉犇, 田景志, 俞銘宏

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安，710038；2.32207部隊(duì)，陜西榆林，719000)

三電平有源中點(diǎn)箝位型(ANPC)逆變器以其輸出電壓畸變率低、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，在航空電氣領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注[1-2]。但是，隨著輸出電平的增加，電路中開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量也隨之增大，任何一個(gè)開(kāi)關(guān)器件發(fā)生故障都會(huì)影響逆變器的輸出性能。因此，通過(guò)故障診斷和容錯(cuò)控制技術(shù)提高變換器的使用可靠性具有重要意義。

目前，開(kāi)關(guān)器件開(kāi)路故障診斷方法主要分為基于模型和基于知識(shí)兩類[3]，前者通過(guò)數(shù)學(xué)模型獲取估計(jì)的系統(tǒng)輸出，將估計(jì)值與系統(tǒng)實(shí)際輸出比較得到殘差，通過(guò)分析殘差實(shí)現(xiàn)診斷功能[4-8]，但這種診斷方法需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較為精確地建模?；谥R(shí)的故障診斷技術(shù)將專家系統(tǒng)[9-10]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11-13]、支持向量機(jī)[14-15]等智能算法與診斷技術(shù)相結(jié)合。這種診斷方式需要利用大量的樣本對(duì)診斷系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練,同時(shí)對(duì)于負(fù)載變化較為敏感。逆變器的容錯(cuò)控制主要有軟件容錯(cuò)和硬件容錯(cuò)兩種[16-17]。在部分故障類型下，軟件容錯(cuò)利用ANPC逆變器較多的電平以及冗余開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)降低空間電壓矢量調(diào)制度，使逆變器工作于降額運(yùn)行狀態(tài)[18-19]。硬件容錯(cuò)是指通過(guò)增加硬件改變電路結(jié)構(gòu)，使逆變器具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。文獻(xiàn)[20]采用了斯科特連接方法，將兩個(gè)單相逆變電路的輸出通過(guò)兩組變壓器合成三相交流電，實(shí)現(xiàn)了單橋臂、多橋臂故障的容錯(cuò)，但系統(tǒng)中包含兩組變壓器，極大增加了逆變器的體積。文獻(xiàn)[21]通過(guò)新增第四橋臂實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)電壓平衡控制，當(dāng)逆變器其中一相發(fā)生故障時(shí)冗余橋臂可以替代故障橋臂實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能。這種容錯(cuò)方式增加了較多的開(kāi)關(guān)器件，大大增加了控制難度。

本文提出了一種基于中點(diǎn)電流的開(kāi)路故障診斷方法，通過(guò)增加一個(gè)電流傳感器用于中點(diǎn)電流的測(cè)量，將中點(diǎn)電流的參考值與測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，從而判斷出故障器件具體位置。同時(shí)，文章提出了一種新的容錯(cuò)拓?fù)?，通過(guò)增加一個(gè)前級(jí)橋臂，使得逆變器具有兩電平不降額容錯(cuò)能力。

1 三電平ANPC逆變器故障分析

三電平ANPC逆變器主電路如圖1所示。定義每相開(kāi)關(guān)器件Sx5、Sx6為箝位開(kāi)關(guān)器件；Sx1、Sx2為上橋臂開(kāi)關(guān)器件；Sx3、Sx4為下橋臂開(kāi)關(guān)器件(x=a,b,c)。逆變器輸出電平與開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示,本文以A相為例進(jìn)行分析。

圖1 三電平ANPC逆變器電路

表1 三電平ANPC逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)表

圖2(a)為開(kāi)關(guān)器件Sa1故障后，逆變器A相P狀態(tài)下電流流通路徑(圖中藍(lán)色為負(fù)向負(fù)載電流流通路徑，紅色為正向負(fù)載電流流通路徑)。當(dāng)電流為負(fù)時(shí)，逆變器輸出電壓為+Vdc/2；當(dāng)負(fù)載電流為正時(shí)，逆變器輸出電壓為0，即實(shí)際輸出為狀態(tài)O。圖2(b)為開(kāi)關(guān)器件Sa5故障后，逆變器A相OU1或OU2狀態(tài)下的電流流通路徑。當(dāng)電流為正時(shí)，逆變器實(shí)際輸出電壓為0；當(dāng)電流為負(fù)時(shí)，逆變器實(shí)際輸出電壓為Vdc/2，即實(shí)際輸出為狀態(tài)P。

圖2 開(kāi)路故障下電流流通路徑

圖3為開(kāi)關(guān)器件Sa2故障后，逆變器A相P狀態(tài)、OU1或OU2狀態(tài)下電流流通路徑。在P狀態(tài)下，負(fù)向負(fù)載電流對(duì)應(yīng)的實(shí)際輸出的電壓為Vdc/2，負(fù)載電流為正時(shí)，逆變器實(shí)際輸出電壓為0，即實(shí)際輸出為狀態(tài)O。在OU1或OU2狀態(tài)下，負(fù)向電流對(duì)應(yīng)的實(shí)際輸出為0，而正向電流對(duì)應(yīng)實(shí)際輸出電壓為-Vdc/2，即實(shí)際輸出為狀態(tài)N。

圖3 Sa2開(kāi)路故障下電流流通路徑

定義ANPC逆變器的4種故障特征：①P→O：P狀態(tài)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)序列作用下，逆變器實(shí)際輸出為0(O狀態(tài))；②N→O：N狀態(tài)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)序列作用下，逆變器實(shí)際輸出為0(O狀態(tài))；③O→P：O狀態(tài)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)序列作用下，逆變器實(shí)際輸出為Vdc/2(P狀態(tài))；④O→N：O狀態(tài)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)序列作用下，逆變器實(shí)際輸出為-Vdc/2(N狀態(tài))。

2 基于中點(diǎn)電流的故障診斷方法

2.1 三電平ANPC逆變器中點(diǎn)電流分析

對(duì)于三電平ANPC逆變器，中點(diǎn)電流與三相開(kāi)關(guān)狀態(tài)、輸出電流之間的關(guān)系可表示為：

i0=-(|Sa|ia+|Sb|ib+|Sc|ic)

(1)

式中：i0為中點(diǎn)電流；ia、ib、ic分別為逆變器A、B、C三相輸出電流；Sx(x=a,b,c)為逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，逆變器輸出高電平時(shí)Sx=1，輸出低電平時(shí)Sx=-1，輸出0電平時(shí)Sx=0。

三電平ANPC逆變器中點(diǎn)電流與空間電壓矢量分布如圖4所示。從圖中可以看到，大矢量、零矢量作用下逆變器不形成中點(diǎn)電流，小矢量及中矢量作用下形成的中點(diǎn)電流等于逆變器某相的輸出電流。

圖4 三電平空間電壓矢量分布

2.2 基于中點(diǎn)電流的故障診斷方法

定義無(wú)故障情況下逆變器的輸出電壓為參考輸出電壓，逆變器的中點(diǎn)電流稱為參考中點(diǎn)電流。根據(jù)前文分析可以得到：①逆變器某個(gè)開(kāi)關(guān)器件故障后會(huì)引起實(shí)際輸出電平與參考輸出電平不一致的現(xiàn)象；②逆變器大矢量、零矢量作用下中點(diǎn)電流為0；③逆變器中矢量作用下的中點(diǎn)電流為開(kāi)關(guān)狀態(tài)為O的相的輸出相電流。

1.3.1 優(yōu)化醫(yī)學(xué)院校圖書(shū)館的視角分析。大數(shù)據(jù)將結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中的海量數(shù)字、圖像等形式轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，為其分析和研究，將數(shù)據(jù)深層挖掘，進(jìn)行合理整合，使資源優(yōu)化，摒棄錯(cuò)誤冗余數(shù)據(jù)，具有大容量。

定義矢量集合如表2所示：

表2 矢量集定義及其描述

以A相為例，在正常情況下矢量集Vap、Van中各矢量作用下的中點(diǎn)電流為0；矢量集Vao作用下的中點(diǎn)電流為ia。逆變器發(fā)生開(kāi)路故障后，會(huì)出現(xiàn)實(shí)際輸出電壓與參考輸出電壓不一致的現(xiàn)象，輸出電壓矢量也會(huì)發(fā)生變化，中點(diǎn)電流隨之改變。A相單器件故障下各矢量集合對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流變化情況如表3所示。

表3 A相故障下矢量集合與中點(diǎn)電流對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表3可知，通過(guò)對(duì)比中矢量、大矢量、零矢量作用下的實(shí)際中點(diǎn)電流與參考中點(diǎn)電流，就可以判斷出具體故障器件。在SVPWM調(diào)制策略下，當(dāng)調(diào)制比k≤0.577時(shí)，根據(jù)最近三矢量合成原則，需要用到的矢量包括零矢量、小矢量，不包含中矢量、大矢量，只需要根據(jù)零矢量作用下的中點(diǎn)電流判斷故障器件。對(duì)于調(diào)制比k>0.577時(shí)，逆變器需要輸出的電壓矢量包括小矢量、中矢量、大矢量，不包含零矢量，只需要根據(jù)中矢量、大矢量作用下的中點(diǎn)電流判斷故障器件。圖5(a)為調(diào)制比k>0.577時(shí)，基于中點(diǎn)電流的故障診斷過(guò)程；圖5(b)為調(diào)制比k≤0.577時(shí)，基于中點(diǎn)電流的故障診斷過(guò)程。根據(jù)診斷結(jié)果，結(jié)合表4可以推斷出具體故障器件。

表4 診斷結(jié)果與故障器件關(guān)系

圖5 基于中點(diǎn)電流的故障診斷流程

3 三電平ANPC逆變器容錯(cuò)控制

3.1 箝位開(kāi)關(guān)器件開(kāi)路故障

由于ANPC逆變器特殊的電路結(jié)構(gòu)，即便同一橋臂2個(gè)箝位器件同時(shí)發(fā)生故障，也可以將逆變器故障相視為NPC型電路結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)整故障相開(kāi)關(guān)序列，使逆變器故障相工作于三電平狀態(tài)，逆變器輸出空間電壓矢量圖不變。

3.2 橋臂開(kāi)關(guān)器件開(kāi)路故障

當(dāng)橋臂器件Sx1、Sx2、Sx3、Sx4發(fā)生開(kāi)路故障后，逆變器故障相僅具備輸出一個(gè)0電平和一個(gè)高電平或低電平的能力，此時(shí)逆變器輸出空間電壓矢量部分丟失，如圖6所示。

圖6 Sa1/Sa2故障下逆變器輸出電壓空間矢量分布

可以看出，當(dāng)逆變器某相橋臂器件發(fā)生開(kāi)路故障后，逆變器最大調(diào)制比縮減為0.577。針對(duì)這種情況，可以選擇降額容錯(cuò)策略。圖7為提出的容錯(cuò)電路結(jié)構(gòu)，與ANPC逆變器相比增加了一個(gè)前級(jí)橋臂。前級(jí)橋臂共包含3個(gè)開(kāi)關(guān)器件，當(dāng)逆變器正常運(yùn)行時(shí)，S1、S2關(guān)斷S3導(dǎo)通，逆變器中點(diǎn)O與中點(diǎn)O*等電位。當(dāng)診斷出某上側(cè)橋臂器件開(kāi)路故障后，S2保持關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)斷S3，將S1導(dǎo)通，中點(diǎn)O的電位與直流電源正極相等。當(dāng)診斷出某下側(cè)橋臂器件開(kāi)路故障后，S1保持關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)斷S3，將S2導(dǎo)通，中點(diǎn)O的電位與直流電源負(fù)極相等。如圖8所示，此時(shí)逆變器工作于兩電平模式，共包含8個(gè)輸出電壓矢量，最大調(diào)制比為1.15，可保證逆變器在容錯(cuò)模式下輸出電壓幅值不變，提高了容錯(cuò)模式下的直流電壓利用率。

圖7 三電平ANPC逆變器容錯(cuò)電路結(jié)構(gòu)

圖8 兩電平容錯(cuò)模式電流路徑及空間電壓矢量分布

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 故障診斷與容錯(cuò)控制仿真

從圖9(a)可以看出，Sa1開(kāi)路后，矢量集Vap作用下的中點(diǎn)電流出現(xiàn)了大于參考值0的情況，診斷結(jié)果顯示FP→O。矢量集Vao、Van作用下的中點(diǎn)電流與參考電流一致。根據(jù)表4可以判斷出故障器件為Sa1。從圖10(b)可以看出，Sa2開(kāi)路后，矢量集Vap、Vao作用下的中點(diǎn)電流均出現(xiàn)了與參考值不一致的現(xiàn)象，診斷結(jié)果顯示FP→O、FO→N。矢量集Van作用下的中點(diǎn)電流與參考電流一致。根據(jù)表4可以判斷出故障器件為Sa2。從圖9(c)可以看出，Sa5開(kāi)路后，矢量集Vao作用下的中點(diǎn)電流出現(xiàn)了與參考值不一致的現(xiàn)象，診斷結(jié)果顯示FO→P。矢量集Vap、Van作用下的中點(diǎn)電流與參考電流一致。根據(jù)表5可以判斷出故障器件為Sa5。診斷結(jié)果表明了基于中點(diǎn)電流的故障診斷方法能夠迅速準(zhǔn)確地診斷出故障所在位置。由于同一時(shí)刻逆變器輸出電壓矢量只有一個(gè)，因此診斷出FP→O和FO→N之間存在一定的時(shí)間差，但這個(gè)時(shí)間差被限制在一個(gè)電壓周期之內(nèi)，診斷過(guò)程仍具有快速性。

圖9 不同開(kāi)關(guān)器件開(kāi)路故障特征及診斷結(jié)果

圖10、圖11分別為兩電平容錯(cuò)和三電平容錯(cuò)模式下的輸出電壓波形，圖中uAB為輸出線電壓；ua、ub、uc分別為A、B、C三相濾波輸出電壓。故障時(shí)刻為t=5 ms，容錯(cuò)時(shí)刻為t=10 ms。由于Sa1與Sa2故障下的容錯(cuò)電路及開(kāi)關(guān)狀態(tài)配置是相同的，本文對(duì)Sa1、Sa2同時(shí)故障進(jìn)行了仿真。

圖10 兩電平容錯(cuò)仿真(Sa1、Sa2故障)

圖11 三電平容錯(cuò)仿真(Sa5故障)

從圖11可以看出，Sa1、Sa2故障后，輸出電平等級(jí)降低，濾波輸出電壓嚴(yán)重畸變。進(jìn)入容錯(cuò)模式后，逆變器工作于兩電平模式，濾波輸出電壓恢復(fù)三相正弦波，且幅值不變，驗(yàn)證了兩電平容錯(cuò)模式的有效性。從圖12可以看出，Sa5故障后，輸出線電壓部分變形，但仍具有一定的對(duì)稱性，濾波輸出電壓發(fā)生較小的畸變。進(jìn)入容錯(cuò)模式后，故障相避免輸出OU1、OU2兩種狀態(tài)，逆變器恢復(fù)正常運(yùn)行。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證提出的故障診斷方法和容錯(cuò)電路的有效性，搭建三電平ANPC逆變器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖12所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖13為開(kāi)關(guān)器件Sa1故障時(shí)刻的中點(diǎn)電流及輸出電流波形。根據(jù)表3可知，矢量集Vap中的矢量作用下的中點(diǎn)電流參考值為0。從圖中可以看到，虛線橢圓內(nèi)，Vap集合中某個(gè)矢量作用下的中點(diǎn)電流與ia相等，因此，診斷結(jié)果為FP→O。根據(jù)表4可以判斷出故障器件為Sa1。

圖13 Sa1故障診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖14為開(kāi)關(guān)器件Sa2故障后的中點(diǎn)電流和輸出電流波形。圖14(a)中的高電平脈沖表示Vap中的矢量作用時(shí)段，其對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流參考值為0。故障后，圖中虛線橢圓內(nèi)的中點(diǎn)電流與ia相等，因此，診斷結(jié)果為FP→O。圖14(b)中的高電平脈沖表示Vao中的矢量作用時(shí)段，其對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流參考值為ia。故障后，圖中虛線橢圓內(nèi)的中點(diǎn)電流為0，且此時(shí)ia大于0，因此，診斷結(jié)果為FO→N。根據(jù)表4可以最終判斷出故障器件為Sa2。

圖14 Sa2故障診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖15為開(kāi)關(guān)器件Sa5故障下的中點(diǎn)電流及輸出電流波形。圖中高電平脈沖表示Vap中的矢量作用時(shí)段，其對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流參考值為ia。故障后，圖中虛線橢圓內(nèi)的中點(diǎn)電流為0，此時(shí)ia小于零，因此，診斷結(jié)果為FO→P。根據(jù)表4可以最終判斷出故障器件為Sa5。

圖15 Sa5故障診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖16為開(kāi)關(guān)器件Sa1、Sa2故障后逆變器進(jìn)入兩電平容錯(cuò)模式的輸出電壓波形，故障后A相濾波輸出電壓波形嚴(yán)重畸變，進(jìn)入兩電平容錯(cuò)模式后三相濾波輸出電壓波形恢復(fù)三相正弦波形，且逆變器濾波輸出電壓幅值不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真一致，驗(yàn)證了兩電平容錯(cuò)電路的有效性。

圖16 兩電平容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)(Sa1、Sa2故障)

圖17為開(kāi)關(guān)器件Sa5故障下的電壓波形及其容錯(cuò)后的電壓波形。圖中Sa5故障期間，線電壓uAB存在從0電平切換至-Vdc電平的現(xiàn)象，逆變器輸出線電壓波形具有一定的對(duì)稱性，濾波輸出電壓波形變化變化較小。實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形一致。

圖17 三電平容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)(Sa5故障)

5 結(jié)論

本文首先分析了三電平ANPC逆變器各器件開(kāi)路故障下的電流路徑，總結(jié)出了各器件故障對(duì)中點(diǎn)電流的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了基于中點(diǎn)電流的三電平ANPC逆變器故障診斷方法，該方法能在線診斷出具體故障器件。針對(duì)故障器件所處的不同位置，將其分為上橋臂器件、下橋臂器件、箝位器件，利用冗余O狀態(tài)實(shí)現(xiàn)橋臂器件的容錯(cuò)運(yùn)行，通過(guò)前級(jí)橋臂改變中性點(diǎn)的電位并重新配置開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)橋臂器件故障的容錯(cuò)運(yùn)行。提出的容錯(cuò)電路只需增加4個(gè)開(kāi)關(guān)器件，這4個(gè)開(kāi)關(guān)器件處于長(zhǎng)期導(dǎo)通或長(zhǎng)期關(guān)斷狀態(tài)，損耗低，可靠性高。提出的容錯(cuò)電路不會(huì)降低逆變器輸出容量，最大調(diào)制比不變。