三相四開關有源電力濾波器故障診斷研究

張滿, 王濤, 李志新

(中國礦業大學 信息與電氣工程學院, 江蘇 徐州 221008)

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三相四開關有源電力濾波器故障診斷研究

張滿, 王濤, 李志新

(中國礦業大學 信息與電氣工程學院, 江蘇 徐州 221008)

為解決三相四開關有源電力濾波器系統中IGBT開路故障診斷問題，提出了一種基于電壓檢測的IGBT開路故障診斷方法。該方法只需采集一個線電壓信號，再結合系統控制器已經檢測出的電流和IGBT開關信號，便可快速準確地診斷出故障并能確定故障位置。該方法適用于單管和多管的開路故障診斷。仿真和實驗結果驗證了該方法的有效性和可靠性。

三相四開關； 有源電力濾波器； 故障診斷； 電壓檢測

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology Xuzhou 221008, China)

0 引言

隨著電力電子技術的不斷發展，電力電子設備得到了廣泛的應用，諧波所產生的危害也越來越嚴重[1]。現在抑制諧波的一個有效措施是采用有源電力濾波器[1](Active Power Filter,APF)。與三相六開關APF相比，三相四開關APF的一個橋臂由一對電容代替，成本和損耗得到了降低，也簡化了驅動電路[2]。因此,三相四開關APF有很高的研究價值。IGBT作為APF的開關器件，它的可靠性直接影響到APF的正常運行[3]。IGBT作為逆變器件，長時間工作在高溫、高頻狀態，因此，其很容易發生故障。APF在運行過程中，可能出現IGBT開路故障和短路故障，尤其在發生開路故障時，往往會選擇不迅速停機，這將有可能造成更嚴重的后果[4]。在開關器件發生開路故障時，如何迅速診斷出故障并判斷出故障位置，然后采取有效措施，避免更嚴重的損壞，得到越來越多學者的關注[5]。

對于IGBT開路故障，國內外已有很多研究，也提出了很多故障診斷的方法。參考文獻[6-7]提出了平均電流Park矢量法，通過對比正常狀態和故障狀態時三相平均電流Park矢量的幅值和相位確定故障位置，但該方法在負載突變時容易出現誤診斷。參考文獻[8]提出了基于離散傅里葉變換的歸一化方法，利用電動機電流平均值對基波分量進行歸一化，從而避免負載突變時的誤診斷。參考文獻[9]提出了直流側電流頻譜分析法，根據直流側電流頻譜的低頻部分判斷故障，但該方法無法確定故障位置。參考文獻[10]提出了一種電流矢量瞬時頻率診斷法，根據瞬時頻率值判斷故障，該方法雖然簡單、易實現，但不能判斷出故障的具體位置。參考文獻[11]提出了一種小波分析法，先對電流信號進行小波變換，然后根據提取的特征信號判斷故障，這種方法相對復雜，實現起來比較困難。參考文獻[12]提出了基于IGBT 輸出功率的開路故障診斷方法，由于APF系統電流中含有大量諧波，導致該方法出現誤診斷。參考文獻[13]根據變頻器故障時與正常狀態時電壓的不同，通過誤差值判斷故障，其診斷時間很短。參考文獻[3,14]通過增加額外的硬件電路來診斷故障，雖然該方法操作簡單，容易實現，診斷時間短，但增加了成本。參考文獻[15-16]提出將專家系統法用于故障診斷，該方法的缺點是很難建立完整的知識庫。

考慮到APF系統中含有大量諧波，上述參考文獻中基于電流診斷的方法很容易出現誤診斷。為解決三相四開關APF系統中IGBT開路故障診斷問題，結合三相四開關有源電力濾波器的拓撲結構，本文提出了一種基于電壓檢測的IGBT開路故障診斷方法。該方法只需采集一個線電壓信號，結合系統控制器已經使用的信號，便可快速準確地診斷出三相四開關APF系統中的IGBT開路故障。

1 APF開關函數模型

三相四開關APF主電路拓撲結構如圖1所示，由圖1可以看出，與傳統三相六開關APF主電路拓撲相比，第3個橋臂由2個電容器C1和C2組成，其中點接c相。

圖1 三相四開關APF主電路拓撲結構

Sa、Sb分別表示a、b兩相橋臂開關管的開關狀態，Sa=1，表示T1導通，T3關斷；Sa=0，表示T1關斷，T3導通。

由基爾霍夫電壓定律可以得到有源電力濾波器輸出線電壓uac、ubc的表達式：

(1)

式中Udc為母線電壓。

同時也可以得出輸出線電壓uab與uac、ubc的關系：

(2)

由式(1)可以看出，線電壓uac、ubc與開關狀態相關，可以直接通過調節IGBT的開關狀態來調節線電壓。將式(1)代入式(2)，可以得到uab瞬時值與開關管狀態的關系，見表1。

表1 uab瞬時值與開關管狀態的關系

2 故障診斷原理

通過對比分析IGBT出現單管故障及多管故障時APF輸出線電壓uab的真實值與正常模式下的理論值的關系，總結出電流方向、開關信號、輸出線電壓uab與故障診斷信號的關系，確定為三相四開關有源電力濾波器IGBT開路故障診斷規則，見表3。表3中，Fault為1，2，3，4時，表示T1，T2，T3，T4故障；Fault為5時，表示T1，T4故障；Fault為6時，表示T2，T3故障。

表2 T1正常和開路故障時的輸出線電壓

表3 電流方向、開關信號、輸出線電壓uab與

因此，在原有系統的基礎上，增加一個電壓傳感器，檢測APF輸出線電壓uab，再配合電流方向和開關信號，便可按照表3判斷出故障位置。

3 仿真驗證

根據故障診斷原理，采用Matlab搭建故障診斷仿真模型。仿真參數：電網線電壓有效值為60 V，頻率為50 Hz，APF輸出電感為1.5 mH，母線電容C1=4.4 mF，C2=4.4 mF，直流側電壓參考值為200 V，三相不控整流橋帶2.67 Ω電阻作為公共諧波源。故障診斷仿真模型如圖2所示，通過封脈沖模擬IGBT開路故障。

圖2 故障診斷仿真模型

為了防止同一橋臂的上下2個管子同時導通，仿真中設定了死區。在故障診斷的過程中，死區時間段內，不對故障進行判斷。按照圖2進行仿真驗證，所有IGBT均正常工作，但是在仿真進行時，由于T1和T3導通延遲，導致線電壓uab在1.491 35 ms 時未變為0，出現了誤診斷信號，如圖3所示(Sa+和Sa-分別為a橋臂的上管脈沖和下管脈沖，Sb+和Sb-分別為b橋臂的上管脈沖和下管脈沖)。經過分析，IGBT關斷延時不會影響到故障診斷的準確性。因此，為了防止IGBT導通延時導致的誤診斷，在圖2中，對4路PWM脈沖波進行延遲，再送入Matlab Function中進行故障判斷。

圖3 IGBT導通延遲導致的誤診斷信號

(1) 單管故障。T1開路故障時的仿真波形如圖4所示，在APF運行到0.001 s時，T1封脈沖。觀察仿真波形可知，在0.001 33 s時，Fault為1，故障信號顯示為T1出現開路。

圖4 T1開路故障時的仿真波形

(2) 雙管故障。T1和T2開路故障時的仿真波形如圖5所示，T1和 T2分別在0.001 s和0.002 s封脈沖，觀察仿真波形可知，在0.013 s時，Fault顯示為1，故障信號顯示為T1開路，在0.023 s時，Fault顯示為2，故障信號顯示為T2開路。

圖5 T1和T2開路故障時的仿真波形

T1和T2開路故障時的仿真波形如圖6所示，T1和 T3分別在0.001 s和0.002 s封脈沖，在0.017 s 時，Fault顯示為1，故障信號顯示為T1開路。在0.022 s 時，Fault顯示為3，故障信號顯示為T3開路。

上述仿真結果驗證了所提診斷方法在單管和雙管故障下的診斷性能。由故障診斷原理可得出，該方法可以診斷出三管故障及4個IGBT全部發生開路故障。

4 實驗結果

搭建三相四開關有源電力濾波器實驗平臺，實驗平臺主要參數如下：電網線電壓為60 V，頻率為50 Hz，三相不控整流橋帶2.67 Ω(3個8 Ω電阻并聯)電阻作為公共諧波源，直流側上下電容值均為4.4 mF，直流側電壓參考值為200 V，輸出電感為1.5 mH，開關頻率為12.5 kHz。

圖6 T1和T3開路故障時的仿真波形

在實驗中，通過封脈沖模擬IGBT開路故障，實驗波形1如圖7所示。當對T4封脈沖時，APF發出的補償諧波出現變化，在17 ms后，uab<0，ia<0，ib<0，診斷出T4故障，Fault=4。

圖7 實驗波形1

實驗波形2如圖8所示，當對T4封脈沖時，IGBT不能正常導通，APF無法正常工作，補償后的電流出現了嚴重的畸變。在8 ms后，診斷出T4故障，Fault=4。

圖8 實驗波形2

5 結語

基于電壓檢測的IGBT開路故障診斷方法根據APF的兩相電流，4路IGBT脈沖信號，再結合1個線電壓信號，按照故障診斷規則，便可診斷出故障位置。仿真和實驗結果表明，該方法可準確診斷出三相四開關APF單管開路故障和多管開路故障,故障診斷簡單，易于實現。

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Study on fault diagnosis of three-phase four-switch active power filters

ZHANG Man, WANG Tao， LI Zhixin

In order to solve problem of fault diagnosis of IGBT open-circuit of three-phase four-switch active power filter system, a fault diagnosis method of IGBT open-circuit based on voltage detection was put forward. This method only need to sample a line voltage signal, and combines with current and IGBT switching signals detected by system controllers, then it can quickly and accurately diagnose failure and determine the fault location. Meanwhile, the diagnosis method is suitable for IGBT open-circuit fault diagnosis of single tube and multi-tube. The simulation and experimental results verify the validity and reliability of the diagnosis method.

three-phase four-switch; active power filter; fault diagnosis; voltage detection

1671-251X(2016)11-0059-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.014

張滿,王濤,李志新.三相四開關有源電力濾波器故障診斷研究[J].工礦自動化，2016,42(11)：59-63.

2016-05-27;

2016-07-19；責任編輯：張強。

張滿(1990-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子技術在電力系統中的應用、電網電能質量動態補償技術，E-mail：zhangman2809@163.com。

TD611

A

時間：2016-10-28 16:29

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1629.014.html