晉明波，葛興來

（1. 西南交通大學(xué) 唐山研究院，河北 唐山 063000；2. 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，四川 成都 610000）

0 引言

現(xiàn)有牽引系統(tǒng)中的工業(yè)頻率牽引變壓器存在體積較大、噪聲污染、輸出電壓不可調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)，電力電子牽引變壓器PETT（Power Electronic Traction Transformer）可以較好地解決上述傳統(tǒng)電力牽引變壓器的問題［1］。作為PETT 的前端輸入級(jí)，單相級(jí)聯(lián)中點(diǎn)箝位整流器SPCNPCR（Single-Phase Cascaded Neutral Point Clamped Rectifier）包含大量功率電子器件和傳感器，因此其故障率較傳統(tǒng)電力牽引變壓器高［2-3］。作為牽引變流器的核心器件，絕緣柵雙極型晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）的主要故障類型有短路故障和開路故障，通常情況下，系統(tǒng)已集成硬件電路應(yīng)對(duì)短路故障，與短路故障相比，開路故障雖然不會(huì)馬上使系統(tǒng)崩潰，但是會(huì)造成電流的失真甚至是系統(tǒng)其他器件的二次故障，所以研究IGBT 的開路故障診斷非常重要［4］。網(wǎng)側(cè)電流傳感器的采樣精度和實(shí)時(shí)性很大程度上決定了系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)高性能閉環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以傳感器故障診斷技術(shù)的研究也得到學(xué)者的廣泛關(guān)注［5］。因此，為了提高SPCNPCR 的可靠性和維修效率性，研究IGBT 開路故障和網(wǎng)側(cè)電流傳感器故障具有重要的意義。

目前針對(duì)IGBT 和傳感器的故障診斷方法分為基于信號(hào)、基于模型、基于知識(shí)的故障診斷方法?；谛盘?hào)的故障診斷方法多通過提取系統(tǒng)的電壓［6-7］和電流［8-9］參數(shù)進(jìn)行分析得出故障信息進(jìn)而達(dá)到故障診斷的目的。文獻(xiàn)［10］提出了一種基于分析輸出電壓諧波的方法，該方法在級(jí)聯(lián)H 橋逆變器每個(gè)子模塊輸出側(cè)增加了一個(gè)電壓傳感器以實(shí)現(xiàn)故障模塊的定位?；陔妷盒盘?hào)的故障診斷方法往往需要增加新的電壓傳感器，一定程度上增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本?；陔娏鞯墓收显\斷方法［11-12］雖然不需要增加新的傳感器，但是在輕載和負(fù)載突變工況下精度較低。此外，基于滑模觀測(cè)器［13］、Luenberger 觀測(cè)器［14］、Kalman 濾波器［15］、混合邏輯動(dòng)態(tài)模型［16］等基于模型的故障診斷方法也被廣泛研究。文獻(xiàn)［13］通過構(gòu)建滑模觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)了級(jí)聯(lián)H橋整流器的故障診斷，該方法通過比較殘差和預(yù)先設(shè)定閾值的大小可以檢測(cè)以及診斷出IGBT 故障位置，但是不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)IGBT 的故障診斷?；谥R(shí)的故障診斷方法通常需要采集系統(tǒng)的電壓和電流信號(hào)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［17］、支持向量機(jī)［18］、模糊邏輯［19］等方法實(shí)現(xiàn)故障診斷，但這些方法需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，同時(shí)也需要更長的診斷時(shí)間。文獻(xiàn)［20］基于狀態(tài)觀測(cè)器以及殘差診斷出IGBT 開路故障位置和網(wǎng)側(cè)電流傳感器故障類型，但是該方法存在診斷變量單一的問題，當(dāng)診斷對(duì)象為多模塊變換器時(shí)，該方法不能實(shí)現(xiàn)對(duì)故障模塊的定位。文獻(xiàn)［21］提出了應(yīng)用于電壓源型逆變器IGBT 和電流傳感器復(fù)故障診斷方法，通過信號(hào)處理的方法可以診斷故障的IGBT 和電流傳感器，但是該方法不能得到電流傳感器的具體故障類型。綜上所述，通過對(duì)已有的文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研和總結(jié)，現(xiàn)階段的級(jí)聯(lián)變換器故障診斷算法主要存在以下問題：①現(xiàn)有研究主要通過增加傳感器定位級(jí)聯(lián)變換器中發(fā)生開路故障的模塊，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，而且降低了系統(tǒng)的可靠性；②當(dāng)多個(gè)IGBT 同時(shí)發(fā)生開路故障時(shí)，現(xiàn)有方法不能實(shí)現(xiàn)故障開關(guān)的有效定位；③現(xiàn)有方法不能區(qū)分故障源是IGBT 還是傳感器，也不能診斷具體的傳感器故障類型。

SPCNPCR 相對(duì)于三電平整流器有更多的模塊，控制策略也更加復(fù)雜，所以增加了故障檢測(cè)的難度，為此本文針對(duì)SPCNPCR 模塊內(nèi)的單個(gè)／多個(gè)IGBT開路故障，以及網(wǎng)側(cè)電流傳感器增益、偏移和漂移故障，研究了一種SPCNPCR 的IGBT 和網(wǎng)側(cè)電流傳感器的統(tǒng)一故障診斷方法。通過對(duì)SPCNPCR 進(jìn)行混合邏輯動(dòng)態(tài)建模得到電壓和電流的殘差，在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)單個(gè)／多個(gè)IGBT 開路故障診斷和網(wǎng)側(cè)電流傳感器的故障診斷。最后，利用硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 SPCNPCR的狀態(tài)模型

1.1 SPCNPCR系統(tǒng)

SPCNPCR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由n個(gè)單獨(dú)的中點(diǎn)箝位（NPC）整流器構(gòu)成。圖中，uN為網(wǎng)側(cè)電壓；ucon為系統(tǒng)的輸入側(cè)電壓；iN為網(wǎng)側(cè)電流；Udci和ioi分別為級(jí)聯(lián)模塊的直流側(cè)輸出電壓和電流；LN和RN分別為網(wǎng)側(cè)等效牽引電感和電阻；每個(gè)NPC 整流器包括8 個(gè)IGBT（Tim1—Tim4）及其反并聯(lián)二極管（Dim1—Dim4），以及4 個(gè)箝位二極管Dicm1—Dicm2，定義sim1—sim4為Tim1—Tim4的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；Ci1和Ci2為穩(wěn)壓電容；Ri為等效電阻負(fù)載；i=1，2，…，n且m∈｛a，b｝。

圖1 SPCNPCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of SPCNPCR system

瞬態(tài)電流控制、電壓均衡控制和載波移相調(diào)制技術(shù)的組合可以產(chǎn)生每個(gè)NPC 整流器模塊的IGBT開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。瞬態(tài)電流控制策略如附錄A 圖A1所示，通過瞬態(tài)電流控制方法可以實(shí)現(xiàn)整流器的單位功率因數(shù)運(yùn)行，并使系統(tǒng)直流輸出電壓穩(wěn)定在給定值且在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。電壓均衡控制策略如附錄A 圖A2所示，通過電壓均衡控制策略可使各模塊輸出電壓相等且穩(wěn)定在給定值。載波移相脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)原理附錄A 圖A3 所示，調(diào)制波和n組相位差相等的三角載波（u1、u2、…、un）比較得到IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過載波移相PWM 技術(shù)可以提高SPCNPCR 的等效開關(guān)頻率，同時(shí)也降低了iN的諧波含量。

1.2 SPCNPCR的混合邏輯動(dòng)態(tài)模型

基于混合邏輯動(dòng)態(tài)模型的故障診斷方法與其他基于模型的故障診斷方法的不同之處為混合邏輯動(dòng)態(tài)模型中既包含連續(xù)變量也包含離散變量。在SPCNPCR 系統(tǒng)中，連續(xù)變量包括uN、iN等，離散變量包括IGBT 開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、電流極性等?；旌线壿媱?dòng)態(tài)模型的正確建立不僅需要IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而且需要知道網(wǎng)側(cè)電流的極性，所以定義邏輯變量δL和λL描述網(wǎng)側(cè)電流極性：

式中：UCi1、UCi2分別為電容Ci1和Ci2兩側(cè)的電壓。

通過式（2）可得輸入電壓ucon的估計(jì)值u^con為：

求解式（7）可得到網(wǎng)側(cè)電流殘差的表達(dá)式為：式中：t0為系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)模塊每次開關(guān)狀態(tài)改變后的初始時(shí)刻；q′i1、q′i2為控制電路輸出的開關(guān)信號(hào)事件。

在鐵路牽引領(lǐng)域中，脈沖整流器的開關(guān)頻率范圍一般為350～500 Hz。對(duì)于SPCNPCR 系統(tǒng)，由于使用載波移相PWM 技術(shù)，所以它的等效開關(guān)頻率是三電平脈沖整流器的2n倍。如附錄A 圖A4 所示，在此開關(guān)頻率下，e-RNt/LN和1-RNt/LN大致相等，所以式（8）可寫為：

2 故障特征的分析

2.1 IGBT開路故障特征的分析

圖2 牽引模式下Tia1發(fā)生開路故障時(shí)的網(wǎng)側(cè)電流和電流殘差Fig.2 Grid-side current and current residual for Tial open circuit fault under traction mode

圖3 牽引模式下Tia2發(fā)生開路故障時(shí)的網(wǎng)側(cè)電流和電流殘差Fig.3 Grid-side current and current residual for Tia2 open circuit fault under traction mode

將式（11）代入式（10）可得當(dāng)Tia1發(fā)生開路故障時(shí)網(wǎng)側(cè)電流殘差的表達(dá)式為：

當(dāng)Tia2發(fā)生開路故障時(shí)，sia2等效為0，由式（5）可得開關(guān)函數(shù)的表達(dá)式為：

將式（13）代入（10）可得當(dāng)Tia2發(fā)生開路故障時(shí)網(wǎng)側(cè)電流殘差的表達(dá)式為：

其余IGBT 開路故障分析過程可類似Tia1、Tia2，本文不再贅述。各個(gè)開關(guān)管發(fā)生開路故障時(shí)的i～˙N如表1所示。

表1 不同IGBT發(fā)生開路故障時(shí)的電流殘差變化率Table 1 Change rate of current residual for open circuit faults of different IGBTs

2.2 網(wǎng)側(cè)電流傳感器故障分析

網(wǎng)側(cè)電流傳感器故障類型分為增益故障、偏差故障、漂移故障3類，相應(yīng)的表達(dá)式為：

式中：y0為網(wǎng)側(cè)電流實(shí)際值；y為電流傳感器測(cè)量值；a、b、c分別為故障增益系數(shù)、偏差系數(shù)和漂移系數(shù)；Δt0為故障持續(xù)時(shí)間。

由式（15）可知，當(dāng)傳感器發(fā)生上述3 種故障之一時(shí)，傳感器采集得到的網(wǎng)側(cè)電流值會(huì)與真實(shí)值存在一定的誤差，所以通過混合邏輯動(dòng)態(tài)模型得到的電流估計(jì)值和傳感器采集得到的實(shí)際值不相等。網(wǎng)側(cè)電流傳感器發(fā)生增益故障時(shí)電流傳感器實(shí)測(cè)值iN、電流估計(jì)值以及電流殘差的變化規(guī)律如圖4所示。網(wǎng)側(cè)電流傳感器發(fā)生增益故障時(shí)iN、以及的變化規(guī)律如附錄A 圖A7 所示。t=0.5 s 時(shí)，分別設(shè)置傳感器增益故障和偏差故障，在故障發(fā)生前，電流殘差在0 附近波動(dòng)。在電流傳感器發(fā)生增益故障后，電流實(shí)測(cè)值是電流估計(jì)值的a倍，電流殘差數(shù)學(xué)表達(dá)式為正弦函數(shù)，頻率與電流實(shí)際值相同；在電流傳感器發(fā)生偏移故障后，電流實(shí)測(cè)值與電流實(shí)際值相差常數(shù)b，電流殘差數(shù)學(xué)表達(dá)式為一常數(shù)。

圖4 電流傳感器發(fā)生增益故障時(shí)的網(wǎng)側(cè)電流和電流殘差Fig.4 Grid-side current and current residual for gain fault of current sensor

3 SPCNPCR的多類故障診斷算法

3.1 故障類型區(qū)分

本文的多類故障診斷算法可區(qū)分IGBT 開路故障和網(wǎng)側(cè)電流傳感器故障。當(dāng)IGBT 發(fā)生開路故障時(shí)，所提算法可通過故障特征定位到具體的故障模塊以及發(fā)生開路故障的IGBT；當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流傳感器發(fā)生開路故障時(shí)，所提算法可區(qū)分電流傳感器故障類型。定義診斷變量Ei的表達(dá)式為：

同時(shí)定義診斷閾值h1、h2以及r1的表達(dá)式為：

式中：ε1、ε2、ε3為較小的誤差容錯(cuò)值。

3.2 IGBT開路故障診斷算法

3.3 網(wǎng)側(cè)電流傳感器故障診斷算法

設(shè)f為SPCNPCR 系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電流的頻率，fi為電流傳感器采集數(shù)據(jù)的頻率，則網(wǎng)側(cè)電流傳感器每個(gè)周期采樣的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為C=f/fi，定義函數(shù)m(k)和n(k)分別為：

同時(shí)為了提高該診斷算法的抗干擾性和穩(wěn)定性，定義函數(shù)M(k)和N(k)分別為：

式中：Z(k)、P(k)、F(k)分別為電流傳感器發(fā)生增益故障、偏移故障和偏移故障的故障診斷結(jié)果，初始時(shí)默認(rèn)取值為0，當(dāng)診斷算法區(qū)分出相應(yīng)的電流傳感器故障類型時(shí)置為1。傳感器故障診斷算法流程圖如附錄A圖A10所示。

4 硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 SPCNPCR正常運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證SPCNPCR 的IGBT 和傳感器的故障診斷效果，本文搭建的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)如附錄A 圖A11 所示。單相2 級(jí)聯(lián)NPC 整流器搭建在Starsim 中作為虛擬被控對(duì)象?？刂破鳛門MS320F28335 DSP，采樣頻率為20 kHz。Starsim實(shí)時(shí)仿真器和控制器通過接口機(jī)箱實(shí)現(xiàn)硬件連接完成模擬／數(shù)字信號(hào)的輸入輸出、數(shù)據(jù)交互等功能。應(yīng)用于硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的SPCNPCR參數(shù)如附錄A表A1所示。

SPCNPCR 正常運(yùn)行的波形如附錄A 圖A12 所示。從圖中可看出，交流側(cè)電壓uN和交流側(cè)電流iN同相位，功率因數(shù)為1。交流側(cè)電流估計(jì)值和實(shí)測(cè)值iN的誤差較小，直流側(cè)電壓udci穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 SPCNPCR的IGBT故障實(shí)驗(yàn)結(jié)果

SPCNPCR的模塊1發(fā)生故障時(shí)的診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果如5 所示。從圖中可看出：當(dāng)模塊1 沒有發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)側(cè)輸入電壓的實(shí)際值ucon和估計(jì)值之間的殘差在0 附近波動(dòng)；||＞r1時(shí)，表明NPC 整流器模塊1內(nèi)發(fā)生IGBT開路故障。

圖5 SPCNPCR的模塊1故障診斷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of cell1 fault diagnosis in SPCNPCR

模塊1中T1a2和T1b1發(fā)生IGBT開路故障時(shí)的診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如附錄A 圖A13 和A14 所示。當(dāng)T1a2發(fā)生開路故障時(shí)，由表1 可知在不同開關(guān)信號(hào)組合下網(wǎng)側(cè)電流殘差變化率分別為udc/LN和udc/（2LN），且在牽引模式下網(wǎng)側(cè)電流在一個(gè)周期內(nèi)經(jīng)過T1a2的時(shí)間較多，所以變化較為明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果相同。當(dāng)T1b4發(fā)生開路故障時(shí)，由表1可知為udc/（2LN），且在牽引模式下網(wǎng)側(cè)電流在一個(gè)周期內(nèi)流過T1b4的時(shí)間較少，所以變化較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果相同。模塊1 中T1a2和T1b1發(fā)生IGBT 開路故障時(shí)的測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。從圖中可以看出，當(dāng)模塊1 中T1a2和T1b1發(fā)生IGBT 開路故障時(shí)，＞h1，系統(tǒng)注入信號(hào)［1 1 0 0 0 0 0 0 0］，此時(shí)＞h2，3 個(gè)控制周期后故障診斷標(biāo)志F1a2跳變?yōu)?，表明模塊1中T1a2發(fā)生開路故障。然后，系統(tǒng)注入信號(hào)［0 0 0 0 0 0 1 1］，此時(shí)介于h1和h2之間，3個(gè)控制周期后故障標(biāo)志F1b4跳變?yōu)?，表明模塊1中T1b1發(fā)生開路故障。

圖6 模塊1的T1a2和T1b1故障診斷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of T1a2 and T1b1 fault diagnosis in cell1

4.3 SPCNPCR的傳感器故障實(shí)驗(yàn)結(jié)果

網(wǎng)側(cè)電流傳感器發(fā)生增益故障時(shí)的診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。設(shè)定增益參數(shù)為1.1，從圖中可知當(dāng)診斷出網(wǎng)側(cè)電流傳感器發(fā)生故障后，M(k)＜d1，N(k)＜d2，網(wǎng)側(cè)電流傳感器增益故障標(biāo)志位Z(k)發(fā)生跳變，即可知網(wǎng)側(cè)電流傳感器發(fā)生增益故障。

圖7 網(wǎng)側(cè)電流傳感器增益故障診斷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of gain fault diagnosis of grid-side current sensor

附錄A 圖A15 給出了網(wǎng)側(cè)電流傳感器發(fā)生偏移故障時(shí)的診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果。設(shè)定偏移參數(shù)為15，從圖中可知當(dāng)診斷出網(wǎng)側(cè)電流傳感器發(fā)生故障后，M(k)＞d1，L(k)＞d4，網(wǎng)側(cè)電流傳感器增益故障標(biāo)志位P(k)發(fā)生跳變，即可知網(wǎng)側(cè)電流傳感器發(fā)生偏移故障。

網(wǎng)側(cè)電流傳感器發(fā)生漂移故障時(shí)的診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果如附錄A 圖A16 所示。設(shè)定漂移參數(shù)為10，從圖中可知當(dāng)診斷出網(wǎng)側(cè)電流傳感器發(fā)生故障后，M(k)＞d1，d3＜L(k)＜d4，網(wǎng)側(cè)電流傳感器漂移故障標(biāo)志位F(k)發(fā)生跳變，即可知網(wǎng)側(cè)電流傳感器發(fā)生漂移故障。

5 結(jié)論

本文研究了一種基于模型的SPCNPCR 的故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)了SPCNPCR 的IGBT 開路故障和網(wǎng)側(cè)電流傳感器的增益、偏移、漂移故障的綜合診斷，通過MATLAB 以及硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性，所得結(jié)論如下：

1）針對(duì)SPCNPCR 中模塊數(shù)量多的問題，提出了一種基于輸入電壓殘差定位發(fā)生IGBT 開路故障的模塊的方法，該方法只需在輸入端增加1 個(gè)電壓傳感器；

2）針對(duì)SPCNPCR 中IGBT 數(shù)量為兩電平整流器的2 倍、模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，通過電流殘差變化率結(jié)合信號(hào)注入的方法可實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)IGBT 開路故障定位；

3）通過電流殘差檢測(cè)故障，基于電壓殘差可區(qū)分IGBT 和電流傳感器故障類型，并且通過對(duì)電流殘差信號(hào)進(jìn)行處理可實(shí)現(xiàn)電流傳感器的增益、偏移和漂移故障類型區(qū)分。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。