基于五電平NPC的IGBT開路故障診斷方法

莊茂東，高愛杰

1.國網宿州供電公司電力經濟技術研究所，安徽宿州，234000；2.中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州，221008；

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基于五電平NPC的IGBT開路故障診斷方法

莊茂東1，高愛杰2

1.國網宿州供電公司電力經濟技術研究所，安徽宿州，234000；2.中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州，221008；

以五電平NPC變換器為研究對象，對變換器中IGBT發生開路故障時的故障特征進行了研究，分別對變換器在正常工作時和存在故障時相電壓與門極信號之間的變化關系情況進行分析，建立了一種基于相電壓的積分算法，并根據此積分算法提出了故障診斷和定位的方法。最后，在Matlab/Simulink中建立五電平NPC逆變器的仿真模型，通過仿真對本文所提出方法的可行性進行了驗證，結果表明，該方法能準確地檢測到故障的位置。

NPC；IGBT開路；相電壓積分

近年來，由于電力電子技術飛速發展，節能減排、智能電網這樣的字眼頻繁地出現在人們的生活中，隨之而來的是對各種大功率開關器件的需求日益增大。然而，由于開關器件制造工藝存在局限性，大功率開關器件的功率處理能力和開關頻率之間往往存在極大的矛盾，多電平變換器無疑是解決此矛盾最好的選擇。然而，多電平變換器系統的可靠性隨著開關器件數量的增多而降低，另外，周圍環境如電磁容易對變換器造成損壞，進而使得功率開關器件可靠性降低，使用時存在潛在故障[1]。功率器件短路故障已有眾多學者提出相應的對策[2]。而IGBT在發生開路故障后，系統往往能繼續運行，故障不易被發現，最終造成過流故障。因此，對IGBT的開路故障進行深入研究具有重大意義。利用診斷結果觸發保護動作，最終能達到故障隔離的效果[3-5]。

國內外診斷IGBT開路故障的方法有很多種，目前最為常用的是利用電壓進行故障診斷和利用電流進行故障診斷。

電流故障診斷法主要利用非故障與故障電流的偏移來實現診斷。文獻[6]采用三相電流平均值的帕克矢量變換來診斷開關管的故障，但在負載突然改變時容易出現誤診。文獻[7]提出一種瞬時頻率法來診斷功率管故障，通過計算瞬時頻率的值來判斷故障的發生與否，方便快捷，但故障的具體位置較難定位。文獻[2]提出了一種基于傅里葉變換的歸一化方法來診斷功率管故障，這種方法在負載突然改變的情況下可以較好地對故障進行診斷，缺點是只能對單個IGBT的開路進行檢測和定位。文獻[8]提出一種小波分析法來診斷功率管故障，但實現難度較大，不易推廣應用，且不適用于NPC。

電壓診斷法是通過比較非故障與故障下負載相電壓、線電壓、中性點電壓的偏移來對故障進行識別和診斷。文獻[9-10]分別采用檢測逆變器的相電壓或中性點電壓與正常工作電壓之間存在的偏差和下管電壓檢測法，但此方法需要增加電壓傳感器，增加硬件成本。

針對上述問題，本文提出了一種相電壓積分的故障診斷方法。該方法不僅不會在負載變化時造成誤診，而且還可以進行雙管故障的檢測。最后，在Matlab/Simulink中建立五電平NPC逆變器仿真模型，通過仿真，對本文新提出方法的正確性和有效性進行驗證。

1　NPC正常工作模式分析

五電平二極管鉗位型多電平變換器的拓撲結構如圖1所示。從圖1可以看出，直流側由4個電容串聯而成，每個電容所承擔的電壓值均為Udc/4。該拓撲每相利用4個反向并聯二極管對相應的開關器件進行鉗位，6個橋臂由門極信號(Si，i=1,2,3,4)來控制功率器件的通斷情況，當Si=1時，IGBT為導通狀態，當Si=0時，IGBT為關斷狀態。

圖1　五電平NPC拓撲結構

在逆變器正常工作的情況下，研究三相相電流和相電壓之間的關系。由于每一相中上下兩個功率管工作方式為互補狀態，所以僅需考慮上橋臂開關管的門極信號S1、S2、S3、S4,因此，a相上橋臂一共存在5種開關模式。又由于相電流ia的正反向問題，所以每個橋臂有10種工作模式。通過不同的開關組合可以在逆變器的交流側產生5種不同的相電壓等級(Udc/2，Udc/4,0，-Udc/4,-Udc/2)。10種模式下的相電壓等級為表1所示。

表1　正常工作方式下ia≥0的開關模式和相電壓

由表1可以看出，在NPC正常工作狀態時，開關狀態與相電流正負無關，無論相電流大于0還是小于0，一種開關狀態只對應一個相電壓值。

2　NPC故障工作特征

2.1開關管開路故障行為特征

假設VTa1發生開路，其故障特征主要體現在ia<0的周期內，則故障狀態下的a相工作模式如圖2所示。

圖2　ia<0時VTa1開路故障工作模式

在圖2中，紅線表示電流流過的通道，坐標軸中，虛線表示故障狀態下的相電壓，實線表示正常工作情況下的相電壓。由圖2可知，當ia<0，S1=1時，由于VTa1出現開路故障，電流不能通過VTa1流向VTa2，只能通過鉗位二極管流向VTa2，此時相電壓由ua=+Udc/2變為ua=+Udc/4。

2.2故障診斷方法

該方法需要增加額外的診斷電路來實現故障診斷，既增加了系統的復雜性，又增加了系統的投資。由于正常情況下相電壓的積分近似于0，當出現故障后，相電壓的積分值會越來越偏離0。例如，當a相上橋臂VTa1發生故障時，相電壓由ua=+Udc/2變為ua=+Udc/4，使得相電壓ua的積分值向負無窮移動；同理，當a相下橋臂VTa4發生故障時，相電壓由ua=-Udc/2變為ua=-Udc/4，使得相電壓ua的積分值向正無窮移動。以此類推，可得到b、c兩相的故障診斷情況(表2)。

表2　電壓積分法故障定位表

3　仿真結果分析

為驗證本文提出的IGBT開路故障診斷方法的正確與否，在Matlab/Simulink平臺上建立五電平NPC逆變器仿真模型。通過對仿真過程中模擬逆變器突然出現故障后的狀態進行相電壓積分，檢驗本文所提出方法的可行性。

假設a相上橋臂VTa1在0.03 s發生開路故障，則三相電壓積分仿真圖如圖3所示。

從理論分析中可以得出ua的積分出現負的最大值，從圖3中可以看出ua的積分值在1 s時達到了-1.2左右，而ub，uc積分值在1 s時達到0.6左右，從圖中明顯可以看出a相上橋臂VTa1發生開路故障，與理論分析吻合，診斷正確。

圖3 VTa1開路故障時三相電壓積分圖

圖4　VTa1、VTb4故障時三相電壓積分圖

假設a相上橋臂VTa1,b相下橋臂VTb4在0.03 s發生開路故障，則三相電壓積分仿真圖如圖3所示。

從理論分析中可以得出ua的積分出現負的最大值，ub的積分出現正的最大值。從圖4中可以看出，ua的積分值在1 s時達到-1.2左右，ub的積分值在1 s時達到1.2左右；而uc積分值在1 s時在0左右。從圖中明顯可以看出a相上橋臂VTa1發生開路故障，b相下橋臂VTb4發生了故障，與理論分析吻合，診斷正確。

4　結 語

本文提出了一種針對五電平NPC逆變器中IGBT出現開路故障的診斷方法,該方法不僅不會在負載變化時誤診,而且還可以進行雙管故障的檢測。該方法比較正常和故障工作方式下門極信號對應相電壓之間的偏移,建立基于相電壓的積分算法,并根據此進行故障的診斷與定位。仿真結果顯示,本文提出的方法可以準確地檢測出故障的具體位置,為故障診斷的后續工作提供可能。

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(責任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.10.029

2016-07-21

莊茂東(1984-)，江蘇徐州人，工程師，主要研究方向：變電設計、故障診斷與智能控制。

TM464

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1673-2006(2016)10-0113-03