基于電流殘差的有源電力濾波器故障診斷技術研究

張曉華 戴碧君 羅進 郭源博

摘要：針對有源電力濾波器（active power filter，APF）的IGBT開路故障診斷問題，提出一種基于歸一化電流殘差的故障診斷方法。分析指令電流與輸出電流在正常運行狀態下與IGBT開路故障狀態下的不同特征，提取指令電流和輸出電流的歸一化殘差值作為故障診斷的依據，利用歸一化殘差的幅值和極性來判斷故障的發生以及故障IGBT的位置。同時，給出了一套故障診斷算法的綜合評價方法，并從6個維度對算法進行評估。分別建立了APF在IGBT開路故障下的離線與實時仿真模型，實驗結果表明所提基于電流殘差的故障診斷方案具有診斷時間短、可靠性高、魯棒性強、準確度高等優點。

關鍵詞：有源電力濾波器;故障診斷;電流殘差;實時仿真

DoI：10.15938/j.emc.2019.08.007

中圖分類號：TM714.1文獻標志碼：A 文章編號：1007-449x（2019）08-0050-0

0引言

有源電力濾波器（active power filter，APF）因具有優異的動態濾波和功率因數校正功能，已被廣泛地應用于電網中。然而其核心功率開關器件（如IGBT等）由于長時間工作在高頻、高溫和高壓狀態下，容易發生短路、開路等故障。為了提高其可靠性，延長故障后的安全運行時間以等待維修人員，APF的故障診斷與容錯控制已成為電力電子領域一個重要課題。

為了實現容錯控制，必須實現準確快速的故障診斷。APF中的IGBT故障主要分為短路故障和開路故障：目前，短路故障已有成熟的故障診斷方案，且可以通過熔斷器切斷故障電路將其轉化成開路故障;而開路故障尚未見成熟高效的診斷方案，但是國內外學者針對電機驅動逆變器提出的基于電流或電壓的診斷方法具有借鑒意義。

文獻[6]針對逆變器開路故障提出了簡單直流法，通過網側電流周期平均值是否為0來判斷開路故障的發生，但是該方法無法解決負載突變造成誤診斷的問題。文獻[7]提出了應用電流矢量軌跡法檢測IGBT的開路故障，但該算法較為復雜，診斷時間較長。此外還有模糊邏輯法、小波神經網絡法和母線電流頻譜法等。綜合來看，基于電流的診斷方法雖然在系統穩定運行狀態下故障定位比較準確，但是普遍存在診斷時間長、受負載擾動影響大的問題。

文獻[11]提出了下管電壓法，正常運行時下管電壓為0或Udc，而開路故障下則會出現長時間介于O和Udc之間的中問電壓，通過提取此異常電壓來判斷故障的發生，但是該方法需要加電壓傳感器，且不能分辨出上下管故障。文獻[12]提出了開關邏輯法，通過開關信號和下管電壓在開路故障和正常運行時邏輯的不同來判斷是否發生了故障。基于電壓的故障診斷方法診斷速度快，但是需要額外添加電壓傳感器和相應硬件電路，增加了設備體積和成本。

為了節約成本、縮小設備體積、縮短診斷時間并提高抗負載擾動能力，本文提出了基于歸一化電流殘差的故障診斷方法。該方法通過分析正常運行狀態下與IGBT開路故障運行狀態下指令電流和輸出電流的特征，以指令電流和輸出電流歸一化殘差的幅值和極性作為故障判斷的依據，設置合理閾值來完成故障檢測和故障IGBT的定位。

同時采用MATLAB離線仿真與dSPACE硬件在回路（hardware-in-the-loop，HIL）實時仿真進行故障診斷算法驗證。HIL實時仿真已經廣泛的應用于電力電子領域，服務于控制器的快速開發和算法測試，其測試結果的有效性已經得到了工業界的廣泛認可。離線和HIL實時仿真結果驗證了本文所提故障診斷算法的可行性和有效性。

1APF的IGBT開路故障分析

APF系統的拓撲結構如圖1所示，主電路為兩電平變流器，諧波源為三相不控二極管整流橋接阻感負載。

當APF正常運行時，若A相指令電流大于0，則APF通過T1的導通和D2的續流交替工作來跟蹤指令電流。同理，若A相指令電流小于0，則APF通過T2的導通和D1的續流交替工作來跟蹤指令電流。正常運行情況下，A相輸出電流的工作狀態如圖3（a）、（b）、（c）、（d）所示。

當T1發生開路故障時，T1開路故障情況下APF的輸出電流如圖3（e）和圖3（f）所示。忽略二極管管壓降，若Una小于0時，D2不導通，a相電流為0，不能跟蹤指令電流;若una大于0時，D2可以導通，電流可以部分或者全部跟蹤指令電流。當una<0時，D，由于電感的續流作用繼續保持導通，但電流逐漸減小，此時輸出電流能否跟蹤上指令電流，取決于una<0保持的時間。

當T1發生開路故障時，b、c兩相由于缺失了一半的工作模式（100，101，110，111），也會出現電流畸變的情況，形成B相和C相的電流殘差。以B相為例，工作模式為100時，T1不能導通使三相電流無法形成回路，導致a相電流為0，使b相輸出電流在這一時刻無法跟蹤指令電流。T1開路故障時三相指令電流和輸出電流波形如圖4所示。

2故障診斷方法設計

通過以上對開路故障后系統運行狀態的分析可知，指令電流由諧波源決定，不受故障影響;而APF輸出電流則由于IGBT的開路故障發生畸變，無法完全跟隨指令電流，因此可以用指令電流與輸出電流的差值作為故障診斷的判斷依據。

通過以上分析，可以得到電流殘差法的診斷流程如圖6所示：

1）提取三相指令電流與電流傳感器采集回來的三相輸出電流作差，得到電流殘差△ik，進而計算得到歸一化的電流殘差Uk。

2）將Uk與觸發閾值日進行比較，完成閾值判斷。觸發后將信號鎖存，以備邏輯判斷使用。

3）通過邏輯判斷是否發生故障，當yk值滿足表1所示判定標準時，診斷出對應的開路故障信號。

電流殘差法的最大診斷時間如圖7所示，以T，開路故障為例，考慮診斷時問最長的情況，大約為0.75個工頻周期，即15ms。

3故障診斷的綜合評價體系

電力電子系統的故障診斷技術是近年來電力電子領域的新興熱點問題，許多研究學者從應用對象的特點出發提出了多種故障診斷方法，但相關基礎理論體系尚有待加強，所以有必要建立一套故障診斷算法的綜合評價體系對故障診斷算法進行全面評估。電力電子系統故障診斷算法的評價標準包括：

1）可靠性：診斷系統靈敏且不會誤動作。本方案根據系統的實際情況設置閾值H，在最大正常運行情況電流殘差的基礎上留出50%的裕量，由于電流殘差上升速度很快，所以既保證了靈敏度，又保證了可靠性。

2）魯棒性：對負載、電網等擾動是否敏感。本方案采用歸一化方法，可最大限度降低負載擾動和噪聲對電流殘差的影響。

3）準確性：故障定位是否準確。該方案包括6種故障判定邏輯，每種均與某一單管開路故障一一對應，定位準確度高。

4）適用性：診斷算法復雜度或計算負擔。該方案只包含加減運算、邏輯判斷等簡單的計算過程，算法復雜度低。

5）經濟性：故障診斷系統的成本。該方案測量值均來自原有傳感器，無需增加電壓傳感器等硬件設備。

6）實時陛：算法的診斷速度。該方案的最大故障診斷時間為故障發生時刻到三相均觸發閾值日時間間隔的最大值，最大約為0.75個工頻周期，即15ms，低于其他基于電流的故障診斷方法，但略高于基于電壓的故障診斷方法（但該方法需額外配置多路電壓傳感器）。

通過綜合評價，發現電流殘差法在上述6個方面均有較好性能。為了證明其性能的優越性，本文選取了目前最常用的幾種故障診斷方法與其進行對比分析。5種IGBT開路故障診斷方案對比如圖8所示。

4仿真實驗

為驗證基于電流殘差的IGBT開路故障診斷方案的準確性和實時性，分別搭建了基于MATLAB/Simulink的離線仿真模型和基于dSPACE半實物仿真系統的HIL實時仿真模型。HIL實時仿真模型是將系統的數學模型實時地運行在處理器中，模擬系統在不同情況下的運行狀態，用于控制系統的開發和測試，其仿真結果的有效性已經得到了工業界的廣泛認可，并在電力電子領域得到了諸多應用。離線仿真結果驗證了所提診斷算法的可行性，實時仿真結果則驗證了算法的實時性和有效性。APF系統的仿真參數如表2所示。

APF系統正常運行時的負載電流iL，APF輸出電流ic和歸一化電流殘差uk的波形如圖9所示，歸一化電流殘差uk穩定在±0.25范圍內。

當負載電阻Ro在0.125s時刻由10Ω突變成5Ω時，APF輸出電流發生較大變化，但由于對殘差電流進行了歸一化處理，電流殘差的突變量遠低于閾值，因此負載突變不會對故障診斷產生影響，負載突變條件下負載電流iL、APF輸出電流ic和歸一化電流殘差uk如圖10所示。

T1在0.17s時刻發生開路故障時，由于二極管D2的續流作用，三相電流歸一化電流殘差uk在一段時間內不發生突變，直到二極管D2無法續流時才會發生突變，如圖11所示。根據仿真實驗，將閾值日設置為0.75，當三相歸一化電流殘差uk滿足表l的判定標準時，輸出故障位置，故障診斷的時間約為14ms。

為了模擬實際裝置運行時電流傳感器受到的干擾，在輸出電流中加入了15%的白噪聲，如圖12所示。仿真結果表明，白噪聲的加入會增加歸一化電流殘差uk的波動范圍，但仍遠低于故障后突變幅值，所設置的閾值能有效抑制噪聲對診斷結果的干擾。

為了更好驗證所提算法的有效性和實時性，建立了基于dSPACE半實物仿真平臺的硬件在回路實時仿真模型，dSPACE半實物實時仿真平臺結構如圖13所示。上位機通過以太網和DS911模塊與dSPACE平臺通信，用于下載仿真模型及實時顯示仿真變量。DSl006為處理器板卡，這里用來作為APF系統的控制器;DS5203為FPGA板卡，用來實時模擬APF主電路。

APF在正常情況下的實時仿真結果如圖14所示，可以看到輸出電流波形與MATLAB離線仿真結果基本相同，驗證了實時仿真結果的準確性。在實時仿真中，歸一化電流殘差uk的波動范圍相比MATLAB離線仿真有所增加，與加入白噪聲后的離線仿真結果相似，這也說明實時仿真結果更接近實際裝置的運行情況，具有較高真實性。

圖15為T，管開路情況下的硬件在回路實時仿真結果，T1管在0.01s發生開路故障后，殘差uk發生突變，約9ms診斷出故障位置（如圖15所示）。同理，對其他5個IGBT發生開路故障的情況進行實驗，結果證明電流殘差的邏輯分布完全符合前述理論分析。

5結論

本文針對APF中的IGBT開路故障診斷問題，通過對指令電流和輸出電流在正常情況下和故障情況下的波形分析，提出了一種基于歸一化電流殘差的故障診斷方案。實驗結果表明，基于電流殘差的故障診斷方案具有實時性好、可靠性高、魯棒性強、適用性廣、準確度高、經濟性好等優點。隨著APF的廣泛應用以及對容錯性能要求的不斷提高，該方法在APF故障診斷研究領域具有廣闊的應用前景。