三電平APF中功率開(kāi)關(guān)管與箝位二極管開(kāi)路 故障診斷

喬 和，張國(guó)旗，李國(guó)華

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105）

0 引言

并聯(lián)型有源電力濾波器可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電網(wǎng)諧波電流，改善電網(wǎng)中電流波形[1].由于有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）系統(tǒng)中存在大量絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）功率開(kāi)關(guān)器件，在IGBT發(fā)生故障時(shí)如果不采取必要措施，則APF不僅不能起到改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的作用，反而會(huì)成為一個(gè)諧波源，使電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)一步降低[2]，甚至導(dǎo)致整個(gè)電路停止工作，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失.IGBT故障短路故障與開(kāi)路故障為主要故障類型，短路故障通常通過(guò)并聯(lián)熔絲等方式將其轉(zhuǎn)化為開(kāi)路故障，因此對(duì)開(kāi)路故障進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的診斷就顯得十分重要[3].

對(duì)APF系統(tǒng)的功率管開(kāi)路故障診斷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究.文獻(xiàn)[4]提出一種基于線電壓誤差標(biāo)準(zhǔn)化的故障診斷方法與定位方法，但在診斷過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)模糊定位，診斷效果不理想，且不具備對(duì)箝位二極管的故障診斷功能的現(xiàn)象.文獻(xiàn)[5]采用小波多尺度分解法提取特征信號(hào)，利用智能算法對(duì)故障特征進(jìn)行識(shí)別進(jìn)而對(duì)故障診斷確認(rèn)，該方法在應(yīng)用時(shí)實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜，且診斷的實(shí)時(shí)性較差.文獻(xiàn)[6]利用電流Park矢量相角的角度以及三相輸出電流的特性，定義故障診斷變量從而進(jìn)行故障診斷，由于諧波電流的存在這種方法會(huì)在診斷中產(chǎn)生誤判.

上述文獻(xiàn)所提出方法均未考慮箝位二極管發(fā)生故障時(shí)，對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)與定位.針對(duì)此問(wèn)題，本文提出一種新的診斷方法，進(jìn)一步在不同條件下進(jìn)行仿真和比較，以證明診斷方法的適用性和準(zhǔn)確性.

1 對(duì)APF正常與故障狀態(tài)進(jìn)行分析

圖1為三相三電平并聯(lián)型APF系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中每相橋臂有4個(gè)IGBT分別標(biāo)記為Sx1,Sx2, Sx3, Sx4（x為支路a，支路b或支路c），兩個(gè)箝位中點(diǎn)稱為中性點(diǎn)“O”.為了對(duì)提出的診斷方法進(jìn)行說(shuō)明，本文將每相橋臂分為4個(gè)故障區(qū)域即1xR，2xR，3xR，4xR見(jiàn)圖1.以a相為例進(jìn)行分析，本文中開(kāi)關(guān)器件的故障均為開(kāi)路故障.

圖1 三電平APF系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Fig.1 three level APF system topology

根據(jù)表1中列出的信息，每相橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)有3種分別為P，O和N.結(jié)合橋臂電流方向與開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行分析，每相橋臂有6個(gè)可用電流流通路徑，見(jiàn)圖2并總結(jié)在表1中.圖2中顯示在電流流經(jīng)路徑1、路徑2、路徑5和路徑6時(shí)使用IGBT，而在電流流經(jīng)路徑3和路徑4時(shí)使用續(xù)流二極管.

圖2 在不同電流方向與橋臂狀態(tài)下的路徑 Fig. 2 current paths according to the current direction and leg state

表1 每相橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及相應(yīng)的輸出電壓和電流路徑 Tab.1 switching state of every bridge arm and the corresponding output voltage and current path

表2列出了12種在不同故障狀態(tài)（OC）下不可使用的電流路徑，在表2中條件1為正常運(yùn)行（OK），條件2～條件5為單個(gè)IGBT故障，條件6～條件11是雙IGBT故障，條件12和條件13為箝位二極管故障.在不同故障情況下，根據(jù)每相橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流方向分析，電流會(huì)流過(guò)一條可用的替代路徑.表2列出了根據(jù)每相橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)與電流方向分析出的可用替代路徑，如橋臂中 1xS發(fā)生故障（表2中條件2），當(dāng)前路徑1不可使用，在這種情況下，當(dāng)橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)為P且電流ix＞ 1時(shí)，ix可以流經(jīng)路徑2，作為對(duì)1號(hào)電流路徑替代.在這種情況下，支路x的輸出連接到中間點(diǎn)O.如果 2xS生故障（表2中的條件3），則當(dāng)前路徑1和路徑2不可以使用.在這種情況下，要保持電流xi為正值，只有電流路徑3可用，相同的分析也適用于其他故障情況.

表2 每個(gè)橋臂故障后的情況分析 Tab.2 situation analysis after every bridge arm failure

2 診斷算法

本文提出根據(jù)各相橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、實(shí)際輸出電壓與輸出電流，構(gòu)造輔助變量來(lái)診斷APF控制系統(tǒng)中IGBT與箝位二極管故障的新方法.需要在橋臂輸出端子和中性點(diǎn)“O”之間測(cè)得的輸出電壓（vaO，vbO和vcO）.為獲得獨(dú)立于vxO的診斷方法，輸出電壓vxO的值根據(jù)式（1）進(jìn)行歸一化，k為樣本數(shù).

為實(shí)現(xiàn)診斷算法，使用診斷變量dx[k]并由式（2）定義.用來(lái)標(biāo)識(shí)歸一化之后實(shí)際輸出電壓值的范圍.考慮到現(xiàn)實(shí)情況下VDC發(fā)變化并清楚地確定輸出電壓范圍，使用一些閾值

以a相為例，在故障發(fā)時(shí)引用文獻(xiàn)[7]的結(jié)論，輸出電流ia[k]= 0（或ia[k]≈ 0）時(shí)，歸一化后得.在故障點(diǎn)為Sa1（或Sa2）輸出電流ia[k]= 0時(shí).為對(duì)此時(shí)的狀況進(jìn)行區(qū)分式（2）中選擇由上下橋臂的對(duì)稱性，Sa3（或Sa4）故障時(shí)，既式（2）選擇

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，測(cè)得的輸出電壓信號(hào)和相應(yīng)的橋臂控制狀態(tài)的延遲等于一個(gè)采樣時(shí)間Ts（本文中Ts= 20 μs）.因此，為補(bǔ)償存在的延遲，應(yīng)將樣本k處x橋臂的歸一化輸出電壓（vxO.n[k]）與樣本k-1（CSx[k- 1]）處x橋臂控制狀態(tài)CSx進(jìn)行比較.在正常工作條件下，dx[k]等于CSx[k- 1].如果IGBT或箝位二極管發(fā)生開(kāi)路故障，則dx[k]將不再與CSx[k- 1]相同.發(fā)生故障的元件所在的區(qū)域不僅取決于CSx[k- 1]的值，還取決于dx[k]的值.

診斷過(guò)程分為兩個(gè)步驟，第一步涉及故障檢測(cè)和故障區(qū)域的識(shí)別.表3為如何使用輔助診斷變量來(lái)識(shí)別故障區(qū)域和潛在故障元件，在故障診斷中，根據(jù)變量exz[k]與exf[k]的值判斷區(qū)域Rx1和Rx3的狀態(tài).根據(jù)變量gx[k]的值判斷Rx2和Rx4的狀態(tài).當(dāng)APF控制系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，和的值在-1和0之間變化，而gx[k]的值為空值.

在診斷過(guò)程第二步中，為從表3給出的2個(gè)候選元件中識(shí)別出故障元件，需要附加變量exO[k]和fx[k]為

變量fx[k]=1表示線電流ix大于0，而fx[k] = -1表示線電流ix小于0.考慮到現(xiàn)實(shí)測(cè)量過(guò)程中存在噪聲，在式（7）中使用-0.1和0.1的閾值.根據(jù)表3提供的故障區(qū)域診斷條件和表4內(nèi)輔助診斷變量的值，最終可以確定故障元件，圖3為這種新故障診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的流程.

圖3 故障診斷流程 Fig.3 fault diagnosis flowchart

表3 故障區(qū)域定位 Tab.3 fault area location

表4 故障元件定位 Tab.4 fault component location

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提出故障診斷方法的正確性與可靠性，基于MATLAB/Simulink的環(huán)境下搭建三電平APF系統(tǒng)真，仿真參數(shù)為：三相電源380 V/50 Hz，直流側(cè)電容C1=C2= 3.3mF ，直流側(cè)電源電壓為800 V，濾波電感和等效電阻分別為0.1 mH和0.1 Ω，非線性負(fù)載為帶有整流設(shè)備的阻感負(fù)載，R= 5Ω，L=5mH ，模型采樣時(shí)間Ts=20μs.在3種情況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，分別為單IGBT故障、多IGBT故障和箝位二級(jí)管故障.

3.1 單個(gè)IGBT故障

以a相橋臂中2個(gè)不同單個(gè)IGBT開(kāi)路故障的診斷過(guò)程為例，測(cè)試在瞬態(tài)條件下進(jìn)行，并在t=0.2 s時(shí)引入Sa1開(kāi)路故障，故障施加的時(shí)刻用垂直線標(biāo)記.圖4為APF輸出電流波形，圖5（a）顯示了支路a的CS（CSx[k-1]）和歸一化的輸出電壓（vaO.n[k]），其輔助診斷變量的值.診斷時(shí)間線見(jiàn)圖5（b），時(shí)間線值為0時(shí)表示故障發(fā)生，時(shí)間線值為負(fù)時(shí)表示故障發(fā)生前，時(shí)間線值為正時(shí)表示故障發(fā)生后時(shí)間.在發(fā)生故障后，根據(jù)圖3診斷流程進(jìn)行故障診斷，檢測(cè)其值見(jiàn)圖5（b）.不同于故障之前的值發(fā)生變化，并出現(xiàn)的大于0的值，t=0.03ms 時(shí)的值首次取值1，查表3確認(rèn)故障區(qū)域?yàn)镽a1.故障進(jìn)行下一步診斷，根據(jù)診斷流程，檢測(cè)eaO[k]的值，圖5中eaO[k] ≠ 1，排除元件Ra2故障，當(dāng)出現(xiàn)eaO[k]=0（t=0.041ms）時(shí)對(duì)fa[k]進(jìn)行檢測(cè)，并判斷fa[k]=1是否成立，圖5（b）中fa[k]=1判斷條件成立，故障診斷 1aS為故障元件，查表4，故障診斷算法識(shí)別出故障區(qū)域編號(hào)為1故障設(shè)備編號(hào)為1.

圖4 Sa1正常及故障情況下輸出電流波形 Fig.4 waveform of output current before and after 1aS fault

圖5 1aS 故障狀態(tài)下故障診斷仿真 Fig.5 fault diagnosis Simulation under 1aS fault

考慮另一種故障情況，設(shè)以t=0.2 s時(shí)a相橋臂中Sa2故障.圖6給出了APF系統(tǒng)中a相橋臂輸出電流波形，表明在t=0.2 s發(fā)生故障后，由于系統(tǒng)為感性狀態(tài)輸出電流ia不能發(fā)生突變，故障之后極短時(shí)間會(huì)衰減為0，此后輸出電流在控制狀態(tài)非N時(shí)的值為0.故障的診斷結(jié)果于圖7中給出，在故障發(fā)生后，根據(jù)圖3診斷流程進(jìn)行故障診斷，檢測(cè)其值見(jiàn)圖7（b），不同于故障之前的值發(fā)生變化，t=0.04ms 時(shí)首次取值1，查表3確認(rèn)故障區(qū)域?yàn)?aR.故障進(jìn)行下一步診斷，根據(jù)診斷流程，檢測(cè)eaO[k]的值，圖7（b）中eaO[k] ≠ 0所以排除元件Sa1故障，當(dāng)出現(xiàn)eaO[k] =1（t=0.062ms）時(shí)對(duì)fa[k]進(jìn)行檢測(cè)，并判斷fa[k]=1是否成立，圖7（b）中fa[k]=1滿足判斷條件，故障診斷Sa2為故障元件，查表4，故障診斷算法識(shí)別出故障區(qū)域編號(hào)為1，故障設(shè)備編號(hào)為2.

圖6 S a 2正常及故障情況下輸出電流波形 Fig.6 waveform of output current before and after S a 2fault

圖7 2aS 故障狀態(tài)下故障診斷仿真 Fig.7 fault diagnosis Simulation under 2aS fault

3.2 多個(gè)IGBT開(kāi)路故障診斷結(jié)果

針對(duì)IGBT以橋臂支路（支路a和支路b）中不同位置上的IGBT開(kāi)路故障為例.第一個(gè)故障在t=0.2s 時(shí)施加到Sa1，第二個(gè)故障在t=0.201ms時(shí)施加到Sb3，故障電流和診斷過(guò)程見(jiàn)圖8和圖9.故障時(shí)刻分別用F1和F2標(biāo)出.圖8中APF輸出電流波形顯示，在故障發(fā)生后，消除了ia一部分正值和ib在控制狀態(tài)非P時(shí)的所有負(fù)值.對(duì)第一個(gè)故障進(jìn)行診斷，診斷結(jié)果于圖9（a）和圖9（c）中給出.在故障發(fā)生后根據(jù)圖3診斷流程進(jìn)行故障診斷，檢測(cè)的值，第一次取1值（t=0.025ms）時(shí)，查表3故障區(qū)域標(biāo)識(shí)為Ra1.故障進(jìn)行下一步診斷，根據(jù)診斷流程，檢測(cè)eaO[k]= 1的值，eaO[k] ≠ 1所以排除元件Ra2故障，當(dāng)出現(xiàn)eaO[k] =0（t=0.035ms）時(shí)對(duì)fa[k]進(jìn)行檢測(cè)，并判斷fa[k]=1是否成立，圖9（a）中fa[k]=1判斷條件成立，故障診斷1aS為故障元件，查表4，故障診斷算法識(shí)別出故障區(qū)域編號(hào)1和故障設(shè)備編號(hào)1.

圖8 1aS 3bS 故障狀態(tài)下故障診斷仿真 Fig.8 fault diagnosis Simulation under 3bS fault

圖9 Sa1、Sb3故障狀態(tài)下故障診斷仿真 Fig.9 fault diagnosis Simulation under Sa1and Sb3 fault

3.3 箝位二極管開(kāi)路故障結(jié)果

以箝位二極管Da5中開(kāi)路故障的診斷過(guò)程為例.圖10為APF輸出電流波形，當(dāng)APF以高調(diào)制指數(shù)運(yùn)行時(shí)，橋臂控制狀態(tài)CS在P和N的駐留時(shí)間高于狀態(tài)O的駐留時(shí)間，橋臂輸出電流路大部分時(shí)間流經(jīng)路徑1和路徑6（圖2），對(duì)于這種故障情況的診斷結(jié)果在圖11（a）和圖11（b）中給出.在故障發(fā)生后，根據(jù)圖3診斷流程進(jìn)行故障診斷，檢測(cè)ga[k]的值，t=0.05ms 時(shí)ga[k]首次取值-1，查表3故障區(qū)域?yàn)镽a2，故障進(jìn)行下一步診斷，根據(jù)診斷流程，檢測(cè)的值，圖11（b）中所以排除元件Sa2故障，當(dāng)出現(xiàn)時(shí)對(duì)fa[k]進(jìn)行檢測(cè)，并判斷根據(jù)fa[k]=1是否成立，圖11中fa[k]=1滿足判斷條件，故障診斷Da5為故障元件，查表4，故障診斷算法識(shí)別出故障區(qū)域編號(hào)為2，故障設(shè)備編號(hào)為5.

圖10 5aD 故障狀態(tài)下故障診斷仿真 Fig.10 fault diagnosis Simulation under 5aD fault

圖11 5aD 故障狀態(tài)下故障診斷仿真 Fig.11 fault diagnosis Simulation under 5aD fault

3.4 方法比較

將本文提出的故障診斷方法與現(xiàn)有診斷方法進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表5.文獻(xiàn)[8]與本文的診斷方法都是針對(duì)三相三電平并聯(lián)APF功率開(kāi)關(guān)管故障提出的，然而，文獻(xiàn)[9]在診斷過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)模糊定位，診斷效果不理想，且不具備對(duì)箝位二極管故障的診斷能力.對(duì)比表明，本文提出的診斷技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種故障進(jìn)行診斷的目標(biāo)，優(yōu)于現(xiàn)有診斷方法.

表5 本文診斷方法與參考文獻(xiàn)方法比較 Tab.5 comparison of diagnostic methods and references methods in this paper

4 結(jié)論

為解決三相三線制三電平有源電力濾波器系統(tǒng)中IGBT與箝位二極管開(kāi)路故障診斷問(wèn)題，提出一種新的診斷方法.

（1）基于橋臂輸出電壓和輸出電流分析的診斷方法，診斷過(guò)程中首先對(duì)所需檢測(cè)的元件進(jìn)行區(qū)域劃分，通過(guò)構(gòu)造診斷變量，來(lái)判斷故障所在區(qū)域，之后再通過(guò)診斷變量的構(gòu)造，識(shí)別出故障區(qū)域內(nèi)的故障元件.

（2）該方法能夠在以采樣周期為量級(jí)的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位功率開(kāi)關(guān)和箝位二極管中的多個(gè)開(kāi)路故障.

（3）診斷算法在瞬態(tài)條件下的結(jié)果表明：該方法適應(yīng)范圍廣，且所提出的診斷方法的性能與采用的調(diào)制方案無(wú)關(guān).