黃鶴， 肖飛， 楊國(guó)潤(rùn) ， 麥志勤

(1.海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033；2.中國(guó)船舶集團(tuán)第七一一研究所，上海 201108)

0 引 言

隨著船舶電網(wǎng)的發(fā)展，大功率脈沖性負(fù)載的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其影響日益嚴(yán)重。利用儲(chǔ)能裝置(如超級(jí)電容)可以使大功率脈沖性負(fù)載安全地接入船舶中壓直流系統(tǒng),平滑脈沖功率,減小脈沖性負(fù)載造成的母線(xiàn)電壓振蕩。DC/DC儲(chǔ)能變換器在船舶電力系統(tǒng)中負(fù)責(zé)連接儲(chǔ)能裝置與直流母線(xiàn), 可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能裝置的充放電控制及能量流動(dòng)管理，是現(xiàn)代船舶電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。

三電平BUCK-BOOST雙向變流器具有高壓大功率、升降壓、雙向饋能以及簡(jiǎn)單高效等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶、軌道交通以及電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)與直流微網(wǎng)等重要領(lǐng)域[1-2]。作為變流器核心部件，IGBT的故障率高達(dá)34%[3]，已成為系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。然而不同于短路故障，IGBT開(kāi)路故障缺乏有效保護(hù)措施，可能誘發(fā)電流畸變進(jìn)而引發(fā)二次事故[4-5]。因此，及時(shí)有效地檢測(cè)出三電平BUCK-BOOST雙向變流器IGBT開(kāi)路故障具有重要意義[6]。

變流器IGBT開(kāi)路故障檢測(cè)技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)與工程界關(guān)注的熱點(diǎn)，其基本方法總體上可分為基于信號(hào)和模型兩大類(lèi)[7-11]。信號(hào)檢測(cè)方法通過(guò)測(cè)量可反映故障的特征信號(hào)變化對(duì)故障進(jìn)行診斷，典型的特征信號(hào)包括電流平均值、均方根和斜率，線(xiàn)電壓以及母線(xiàn)磁場(chǎng)等[12-20]。Yahyaoui R等測(cè)量開(kāi)關(guān)管壓降或電感電壓并與門(mén)控信號(hào)比較，可在幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)快速檢測(cè)和識(shí)別開(kāi)關(guān)故障，但需外加傳感器[12-13]。Shahbzai M.等利用系統(tǒng)中現(xiàn)有的電流傳感器檢測(cè)電感電流斜率并與門(mén)極信號(hào)對(duì)比以檢測(cè)Boost升壓變流器開(kāi)路故障[13]。Ribeiro E等針對(duì)交錯(cuò)升壓變流器提出了輸入電流導(dǎo)數(shù)和輸入電流演化的方法[15-16]。然而，這些方法采樣率要求高，且在電流或電壓紋波較小時(shí)故障檢測(cè)不準(zhǔn)確[17]。

基于模型的方法采用實(shí)際功率變流器的測(cè)量輸出和模型預(yù)測(cè)輸出的差值進(jìn)行診斷[21-22]。模型法包括等價(jià)空間法、狀態(tài)估計(jì)法[23-24]等，對(duì)于系統(tǒng)模型和參數(shù)的精確度要求很高，不適用于工況變化較大的變流器。Poon J等分析了變流器不同類(lèi)型故障的檢測(cè)和識(shí)別，變流器電路參數(shù)可能會(huì)因制造和老化而變化，而該方法建模參數(shù)不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致魯棒性較差[25]。為此，Jain P等為浮動(dòng)交錯(cuò)升壓變換器和兩相交錯(cuò)升壓變流器設(shè)計(jì)了滑模觀測(cè)器和帶反饋的魯棒觀測(cè)器[26-27]。此外，Wassinger N等引入了具有均勻反饋的狀態(tài)觀測(cè)器，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)可以提高建模誤差的魯棒性，但該類(lèi)方法需要添加額外設(shè)備[28]。

為提高船舶儲(chǔ)能三電平BUCK-BOOST雙向變流器IGBT開(kāi)路故障的檢測(cè)速度及工況魯棒性，論文提出一種基于開(kāi)關(guān)模態(tài)頻率特征的故障檢測(cè)方法。與傳統(tǒng)的紋波幅值檢測(cè)不同，該方法在線(xiàn)提取開(kāi)關(guān)模態(tài)分量時(shí)頻特征，本質(zhì)上屬于一種基于時(shí)間信息的故障檢測(cè)方法。首先對(duì)三電平BUCK-BOOST雙向變流器輸入端電流進(jìn)行自適應(yīng)模態(tài)分解，然后提取開(kāi)關(guān)模態(tài)本征頻率特征對(duì)IGBT開(kāi)路故障進(jìn)行快速檢測(cè)，最后通過(guò)電壓差值判斷故障位置。通過(guò)MATLAB仿真與小功率樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中對(duì)基于開(kāi)關(guān)模態(tài)頻率特征的開(kāi)路故障檢測(cè)有效性和工況魯棒性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 變流器開(kāi)路故障電流紋波特性研究

圖1為三電平BUCK-BOOST雙向變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中：Ua為直流電源；Sx和Dx為變流器中IGBT開(kāi)關(guān)管及其反并聯(lián)二極管，x=1A、2A、3A、4A、1B、2B、3B、4B；Lin與Lo分別為BOOST和BUCK側(cè)等效電感；C1與C2為電容；Vc1和Vc1分別為電容C1與C2上的電壓；Iin和Vin分別為BOOST側(cè)輸入端的電流以及電壓；Io和Vo分別為BUCK側(cè)輸出端的電流以及電壓。由于BOOST側(cè)變流器與BUCK側(cè)變流器的結(jié)構(gòu)完全相同，本文以BOOST側(cè)變流器為例進(jìn)行研究說(shuō)明。

圖1中S1A與S2A、S3A與S4A控制方式均為互補(bǔ)方式。圖2給出三電平BUCK-BOOST雙向變流器BOOST側(cè)變流器電流工作的四個(gè)模態(tài)。

圖1 三電平BUCK-BOOST雙向變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology diagram of a three-level BUCK-BOOST bidirectional converter

圖2 BOOST側(cè)變流器電流工作過(guò)程Fig.2 Current operation process in BOOST converter

對(duì)于三電平雙向變流器中的BOOST側(cè)變流器，S1A和S4A不參與電路實(shí)際工作過(guò)程，其開(kāi)路故障不影響電路運(yùn)行狀態(tài)。正常運(yùn)行時(shí)，理想狀態(tài)下電流Iin紋波頻率等于開(kāi)關(guān)頻率的兩倍；而在開(kāi)路故障發(fā)生后，紋波頻率等于開(kāi)關(guān)頻率的兩倍的特性(二倍頻)消失。在S2A/S3A發(fā)生開(kāi)路故障后，電流Iin中固有的開(kāi)關(guān)模態(tài)分量發(fā)生改變。通過(guò)對(duì)電流Iin信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，提取開(kāi)關(guān)模態(tài)分量的故障特征，可用于變流器的開(kāi)路故障檢測(cè)。在S2A/S3A發(fā)生開(kāi)路故障后，電壓Uc1和Uc2將出現(xiàn)電壓差ΔUc，據(jù)此可進(jìn)一步分辨出故障器件的具體位置。相對(duì)應(yīng)地，三電平雙向變流器中的BUCK側(cè)變流器也具有相似的故障特性。

圖3 不同工況下BOOST側(cè)電流Iin對(duì)比Fig.3 Comparison of Iin in BOOST converter under different conditions

2 基于開(kāi)關(guān)模態(tài)頻率特征的故障檢測(cè)原理

2.1 變流器電流開(kāi)關(guān)模態(tài)分解

根據(jù)前文分析，三電平BUCK-BOOST雙向變流器運(yùn)行電流中包含與功率器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)相關(guān)的模態(tài)分量。為了準(zhǔn)確地提取開(kāi)關(guān)模態(tài)分量，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)對(duì)變流器運(yùn)行電流進(jìn)行模態(tài)分解[29]，自適應(yīng)地分解成不同的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)分量和殘余分量r，具體步驟如下：

1)首先利用系統(tǒng)自身電流傳感器獲取變流器電流信號(hào)i(t)，并找出所有極大值和極小值點(diǎn)；

2)分別對(duì)電流信號(hào)的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)進(jìn)行三次樣條插值擬合，獲取電流信號(hào)的上包絡(luò)線(xiàn)imax(t)和下包絡(luò)線(xiàn)imin(t)；

3)計(jì)算上下包絡(luò)線(xiàn)信號(hào)imax(t)和imin(t)的平均值，得到imean(t)；

4)將原始電流信號(hào)i(t)減去平均值imean(t)，得到新的序列iupd(t)；

5)檢驗(yàn)新序列iupd(t)是否符合本征模態(tài)函數(shù)的條件[30]。若符合條件，則定義iupd(t)為i(t)的第一個(gè)IMF分量，IMF1(t)=iupd(t)；若不符合條件，則將新序列iupd(t)視為原始信號(hào)i(t)，重復(fù)步驟(1)～步驟(4)，直至滿(mǎn)足本征模態(tài)函數(shù)條件。定義ic1(t)為：

(1)

6)將r1(t)=i(t)-ic1(t)視為新的原始信號(hào)，重復(fù)步驟(1)～步驟(5)，得到其余的本征模態(tài)函數(shù)IMF2(t)～I(xiàn)MFn(t)。原始電流信號(hào)i(t)的模態(tài)分解可表示為

(2)

7)如果檢測(cè)到IMFn+1(t)信號(hào)為單調(diào)函數(shù)，或缺失極大值/極小值點(diǎn)，則將該信號(hào)記為殘差r，結(jié)束開(kāi)關(guān)模態(tài)分解步驟。

2.2 開(kāi)關(guān)模態(tài)頻率特征提取

通過(guò)對(duì)變流器電流進(jìn)行模態(tài)分解可以得到開(kāi)關(guān)模態(tài)分量，進(jìn)一步地通過(guò)希爾伯特(Hilbert)變換提取開(kāi)關(guān)模態(tài)的頻率特征。假設(shè)x(t)為一個(gè)連續(xù)的時(shí)域信號(hào)，Hilbert變換[31]的表達(dá)式為

(3)

由式可知，Hilbert變換可以等效為x(t)和1/t的卷積。采用極坐標(biāo)表達(dá)式可以更好地展示信號(hào)局部特征，將x(t)和y(t)分別作為一個(gè)復(fù)共軛對(duì)的實(shí)部和虛部，得到解析函數(shù)

z(t)=a(t)ejθ(t)=x(t)+jy(t)。

(4)

其中：

(5)

式中a(t)和θ(t)分別為解析函數(shù)z(t)的瞬時(shí)幅值和相位角。進(jìn)一步地，可以獲取信號(hào)的瞬時(shí)頻率特征，計(jì)算公式為

(6)

2.3 變流器開(kāi)路故障檢測(cè)步驟

三電平BUCK-BOOST雙向變流器中發(fā)生IGBT開(kāi)路故障時(shí)，電流Iin的開(kāi)關(guān)模態(tài)頻率特征發(fā)生減半及電容電壓出現(xiàn)偏差，據(jù)此可對(duì)開(kāi)路故障進(jìn)行檢測(cè)和定位，具體步驟如圖4所示。

圖4 三電平BUCK-BOOST變流器開(kāi)路故障檢測(cè)流程圖Fig.4 Flow chart of open-circuit fault detection for 3-level BUCK-BOOST converter

1)系統(tǒng)初始化，確定IGBT開(kāi)關(guān)頻率fsw；

2)采集BOOST側(cè)電流Iin，采集電壓Uc1/Uc2；

3)對(duì)輸入電流Iin進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；

4)提取開(kāi)關(guān)模態(tài)分量的頻率特征f1;

5)計(jì)算S=f1/fsw。若S=2，則輸入側(cè)電流Iin中開(kāi)關(guān)模態(tài)頻率特征f1為二倍開(kāi)關(guān)頻率，變流器未發(fā)生開(kāi)路故障；反之，變流器發(fā)生開(kāi)路故障；

6)計(jì)算Uc1與Uc2的電壓差值ΔUc，若ΔUc<0，則S3A發(fā)生開(kāi)路故障；若ΔUc>0，則S2A發(fā)生故障。

實(shí)際系統(tǒng)中一旦檢測(cè)到變流器IGBT開(kāi)路故障可以立刻采取故障隔離、維修以及容錯(cuò)等措施，以確保系統(tǒng)安全，可靠運(yùn)行。通過(guò)封鎖門(mén)極脈沖可實(shí)現(xiàn)故障隔離和變流器安全停機(jī)，防止IGBT開(kāi)路故障引起的直流電容電壓不均衡以及開(kāi)關(guān)諧波顯著增大的危害。待系統(tǒng)安全停機(jī)后，根據(jù)檢測(cè)得到故障器件位置信息可實(shí)施狀態(tài)維修，有效提高維修效率。對(duì)于要求不間斷運(yùn)行的高可靠性系統(tǒng)，可通過(guò)硬件重構(gòu)或容錯(cuò)控制等手段在允許犧牲一定變流器性能(如諧波、效率、成本等)的前提下維持系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行[32]，相關(guān)工作有待進(jìn)一步研究。

3 仿真驗(yàn)證

在MATLAB仿真軟件中建立了MW級(jí)船舶超級(jí)電容器儲(chǔ)能三電平BUCK-BOOST雙向變流系統(tǒng)仿真模型，其中超級(jí)電容Co=0.3 F/5 kV，額定輸入C1=C2=8 mF，直流電抗器L1=L2=4 mH，額定電流196 A，額定開(kāi)關(guān)頻率fsw=1.25 kHz。

3.1 正常運(yùn)行狀態(tài)仿真驗(yàn)證

三電平BUCK-BOOST雙向變流器采用如圖3(a)所示的PWM調(diào)制策略。變流器輸入電流Iin中包含多種模態(tài)分量，如基波模態(tài)分量、開(kāi)關(guān)模態(tài)分量、高頻諧波模態(tài)分量等。采用EMD分解方法對(duì)輸入電流Iin信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分解。

如圖5所示，變流器電流可自適應(yīng)地分解成4個(gè)IMF分量和1個(gè)殘余分量r，IMF1到IMF4的頻率逐漸遞減。每一個(gè)IMF分量均對(duì)應(yīng)著輸入電流Iin信號(hào)中包含的不同頻率分量，共同反映輸入電流Iin信號(hào)中的頻率信息特征。如圖6所示，IMF1分量的頻率主要分布在2.5 kHz附近，IMF2、IMF3和IMF4分量為電流中的低頻振蕩分量，殘余分量r為電流中的直流分量。IMF1分量為變流器輸入電流Iin信號(hào)中開(kāi)關(guān)模態(tài)分量的本質(zhì)體現(xiàn)。

圖5 正常運(yùn)行條件下輸入電流Iin的本征模態(tài)分量Fig.5 Intrinsic modal component of input current Iin during normal operation

圖6 正常運(yùn)行條件下變流器不同模態(tài)分量的頻率特征 Fig.6 Frequency freatures of different converter intrinsic modal components during normal operation

由前文分析，變流器中的IGBT發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，從而導(dǎo)致輸入電流Iin信號(hào)中包含的固有開(kāi)關(guān)模態(tài)分量的頻率會(huì)瞬時(shí)改變。圖6中，IMF1、IMF2、IMF3和IMF4的頻率特征分別為f1、f2、f3和f4。開(kāi)關(guān)模態(tài)分量的頻率特征f1可作為三電平BUCK-BOOST變流器IGBT開(kāi)路故障判據(jù)。正常運(yùn)行工況下，f1為2.5 kHz上下，是IGBT開(kāi)關(guān)頻率fsw=1.25 kHz的2倍。

3.2 開(kāi)路故障仿真驗(yàn)證

采用封鎖變流器IGBT觸發(fā)脈沖的方式模擬開(kāi)路故障。開(kāi)路故障起始時(shí)間設(shè)置為1.40 s，圖7給出了S3A發(fā)生開(kāi)路故障前后輸入電流Iin開(kāi)關(guān)模態(tài)分量的f1及電壓差值ΔUc波形。在1.40 s時(shí)S3A開(kāi)路后，輸入電流Iin的開(kāi)關(guān)模態(tài)分量頻率從2.5 kHz降為1.25 kHz，據(jù)此可判斷出IGBT發(fā)生開(kāi)路故障。進(jìn)一步可以對(duì)開(kāi)路故障進(jìn)行定位，在1.40 s前，變流器正常工作，Uc1與Uc2的值基本相等；在1.40 s時(shí)，S3A開(kāi)路，Uc1下降，Uc2上升，ΔUc變?yōu)樨?fù)值，由此可以判定S3A開(kāi)路。

圖7 額定負(fù)載條件下S3A開(kāi)路檢測(cè)結(jié)果Fig.7 S3A open circuit fault detection under nominal load

為驗(yàn)證開(kāi)關(guān)模態(tài)頻率特征在不同工況下的魯棒性，論文將三電平BUCK-BOOST雙向變流器輸入電流Iin調(diào)整為18 A，開(kāi)關(guān)頻率調(diào)整為4 kHz。仿真結(jié)果圖8表明：在變流器輕載運(yùn)行條件下，f1在1.40 s開(kāi)路故障時(shí)發(fā)生突變。ΔUc<0，可判定S3A開(kāi)路。

圖8 輕載運(yùn)行條件下S3A開(kāi)路檢測(cè)結(jié)果Fig.8 S3A open-circuit fault detection at light load

仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了開(kāi)關(guān)模態(tài)頻率特征適應(yīng)工況動(dòng)態(tài)變化的能力。如圖9所示，變流器輸入電流Iin突然從32 A提升到200 A。此時(shí)輸入電流Iin中開(kāi)關(guān)模態(tài)分量的頻率特征基本保持不變，不會(huì)引起故障誤診斷。

圖9 工況動(dòng)態(tài)變化條件下的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results under dynamic condition

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證利用開(kāi)關(guān)模態(tài)頻率特征進(jìn)行開(kāi)路故障檢測(cè)法的有效性，論文搭建了圖10所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。模擬開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障時(shí)，輸入電流的實(shí)驗(yàn)波形與暫態(tài)時(shí)頻特征如圖11與圖12所示。針對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，相應(yīng)的故障瞬態(tài)時(shí)頻特征仿真結(jié)果如圖13。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experimental system

圖11 開(kāi)路故障時(shí)輸入電流實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.11 Measured waveform of input current during open-circuit fault

圖12 開(kāi)路故障時(shí)瞬態(tài)時(shí)頻特征實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.12 Measured transient time-frequency features during open-circuit fault

圖13 開(kāi)路故障時(shí)瞬態(tài)時(shí)頻特征仿真波形圖Fig.13 Simulation waveform of transient time-frequency features during open-circuit fault

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本參數(shù)

對(duì)比實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果可知，在開(kāi)路故障發(fā)生的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)(0.1 ms)，開(kāi)關(guān)模態(tài)分量頻率特征f1從20 kHz突變?yōu)?0 kHz，據(jù)此可判定IGBT發(fā)生開(kāi)路故障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真及理論分析相一致。

5 結(jié) 論

論文在分析IGBT開(kāi)路故障時(shí)三電平BUCK-BOOST雙向變流器輸入電流的故障特性的基礎(chǔ)上，提出一種利用電流中固有的開(kāi)關(guān)模態(tài)頻率特征變化檢測(cè)變流器開(kāi)路故障的方法。仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性，研究結(jié)果表明：

1)IGBT功率器件開(kāi)路會(huì)導(dǎo)致變流器輸入電流中的開(kāi)關(guān)模態(tài)分量特性發(fā)生改變，其頻率特征在開(kāi)路后大幅降低，利用開(kāi)關(guān)模態(tài)分量的頻率特征，可以在幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期尺度內(nèi)快速檢測(cè)出IGBT功率器件的開(kāi)路故障。

2)開(kāi)關(guān)模態(tài)頻率特征對(duì)變流器功率變化不敏感，可在不同工況下準(zhǔn)確地檢測(cè)出開(kāi)路故障，具有良好的動(dòng)態(tài)檢測(cè)性能和魯棒性。