基于電壓殘差的三相逆變器故障診斷

柯 炎， 樊 波

(空軍工程大學防空反導學院， 西安， 710051)

電力電子設備中，功率開關管由于高頻開關、損耗發熱，反復承受高壓、大電流沖擊、驅動信號丟失等因素，易于發生開路和短路故障[1]。實際的調研報告[2]也指出功率半導體器件是電力電子設備中最易發生故障的環節。因此快速準確地檢測出功率開關管故障對于及時采取保護措施、避免更大損失以及容錯驅動具有重要意義。短路故障從發生到產生過電流的時間較短、危害較大，多采用硬件電路進行保護[3-5]。保護電路對開關管短路故障進行保護后，開關管處于開路狀態，因此短路故障也可以歸結為開路故障,然后進行診斷定位。

目前，逆變電路的故障診斷理論研究較多，很多理論趨于完善，其相關技術可以分為3種基本類型：基于解析模型的方法、基于信號處理的方法和專家系統法[6]。基于解析模型的方法利用診斷系統的數學模型和電路狀態信息進行故障診斷。這種方法需要對系統建立精確的數學模型，診斷準確性易受模型準確性、系統參數及噪聲的影響。專家系統法通過模擬專家的經驗對診斷對象的信息進行推理實現故障診斷，但是不能從新的經驗數據中學習，較依賴于專家的經驗知識的獲取，龐大知識庫維護復雜。基于信號處理的診斷方法通過小波變換、電流Park矢量變換和頻譜分析等信號處理方法對系統的幅值、頻率等信息進行處理、分析進行故障診斷，再與神經網絡[7]、支持向量機[8]、深度神經網絡[9]、模糊邏輯[10]等智能方法相結合識別故障類型。這種方法雖然不需要建立系統的模型，但是其需要較多計算能力，時間較長，復雜性較高。

本文利用逆變器閉環控制系統現有的相電壓采樣信號結合殘差理論進行故障診斷，不需要額外的傳感器，而且可以集成到逆變器閉環控制程序中。電壓殘差法故障診斷是將延遲一個周期的相電壓信號作為動態參考，與當前的相電壓信號進行比較得到電壓殘差波形，通過設置合理的故障檢測閾值，實現逆變器開關管開路故障的準確診斷。具有實現容易，不增加硬件電路，診斷速度快，對負載變化魯棒性強等優點。

1 電壓殘差法故障診斷原理

在電路故障診斷中，殘差是指實際測量值與估計值之間的差值[6]。三相逆變器發生故障后，電路的輸出變量相比估計值通常會發生變化，表現為殘差顯著偏離零點。而正常狀態下，殘差在零點附近。因此可用電路故障之后殘差包含的故障信息進行故障診斷。

三相逆變器的拓撲結構如圖1所示。相電壓作為逆變器閉環控制系統的狀態量，通過一定的控制算法可以達到相電壓的無靜差控制，因此選取三相電壓構建狀態殘差。

圖1 三相逆變器電路拓撲圖

逆變器三相輸出電壓狀態殘差γx表達式如下：

(1)

(2)

采用固定電壓參考量時，如果輸出電壓幅值跌落，電壓殘差將不為零。而輸出電壓幅值跌落劇烈的情況，電壓殘差也將變大，甚至造成故障的誤診斷。針對固定電壓參考量生成的狀態殘差易受負載電壓突變影響的問題，采用一種動態電壓參考量，將輸出電壓上一個周期時的采樣值作為當前輸出電壓的參考量。

動態電壓參考量如式(3)所示，其中T為基波周期。

(3)

圖2 2種電壓參考下A相電壓殘差示意圖

類比可知，對于電路故障后輸出電壓發生畸變的情況，殘差跳變也只存在于故障之后的一個周期之內。本方法利用故障之后的電壓殘差突變進行故障診斷，因此故障診斷時間小于一個基波周期。

2 電壓殘差法的仿真分析及實現

在Matlab/Simuink環境建立電壓電流雙環控制的三相逆變器仿真模型如圖3所示。電路相關參數如下。輸入直流電壓為800 V，輸出三相電壓為220 V，50 Hz，輸出濾波電感為10 mH，0.5 Ω，輸出濾波電容數為10 μF，開關頻率為10 kHz。電壓環比例系數為0.3，電壓環積分系數為20，電流環比例系數為0.02，電流環積分系數為10，電壓環限幅值為±5，電流環限幅值為±0.95，電壓殘差檢測閾值取±290 V。

圖3 三相逆變電路仿真模型

圖4為A相上管發生故障前后三相電壓輸出波形和各相殘差波形，A相波形畸變最嚴重，上周基本缺失，殘差大于0，殘差極值絕對值最大。B、C相由于沒有發生故障，波形雖有變形，仍然呈正負交變狀態，且殘差絕對值比A相小，B相殘差絕對值大于C相。通過對單管開路故障進行仿真，得到6種故障各相輸出電壓殘差極值，見表1。

圖4 A相上管故障前后三相電壓及殘差圖

從表1可以看出，故障相的電壓殘差極值最大，且上管開路故障時，故障相電壓殘差極值為正，下管故障時，故障相電壓殘差極值為負。因此可以通過設置合理的檢測閾值及殘差的極性來判斷故障的位置。上管故障電壓殘差閾值的可選范圍為(310，272)，下管故障電壓殘差閾值的可選范圍為(-310，-272)。

表1 故障后各相電壓殘差極值

殘差檢測閾值影響故障檢測的速度和準確性裕度。例如當A相上管發生故障時，B相電壓殘差極值相對較大，若將故障檢測閾值設置過小，離B相電壓殘差極值較近，易發生誤診斷。圖4所示為A相上管發生故障前后三相輸出電壓波形和各相殘差波形。當殘差的故障檢測閾值設置為280時，故障發生后3.5 ms，A相電壓殘差達到檢測閾值，故障檢出，故障檢測的準確性裕度為3 V。當殘差的故障檢測閾值設置為300時，故障發生后4.4 ms，A相電壓殘差達到檢測閾值，故障檢出，故障檢測的準確性裕度為23 V。因此選取較小的故障檢測閾值可以更快地檢測出故障，但是故障檢測的準確性裕度相對變小，反之亦然。綜合考慮本文選取故障檢測閾值為300 V。

3 抗干擾性分析

3.1 抗不平衡負載干擾分析

在實際三相逆變電路中會出現三相不平衡負載的情況。為了檢驗本方法在三相不平衡負載下的故障檢測的有效性，分別設置逆變器仿真模型的負載Ra、Rb、Rc為33 Ω、60 Ω、100 Ω。

圖5為三相不平衡負載0.105 s時，A相電壓波形峰值處上管開路情況下三相電壓、電流、殘差和故障信號波形。三相電壓波形和平衡負載時相比變化不大。由于故障發生在峰值時刻，此時A相電壓高于閾值，因此故障信號沒有跳變。在波形下一個正半周的0.104 2 s時刻，A相電壓殘差達到閾值時，故障信號跳變，系統檢測到故障。故障檢測時間為9.2 ms。

圖5 三相不平衡負載下A相峰值時刻上管開路故障

圖6為三相不平衡負載下，0.095 s A相電壓波谷時刻上管開路故障三相電壓、電流及殘差波形，故障信號在0.124 2 s跳變，指示A相上管發生故障，故障診斷時間為19.2 ms。其他故障情況的分析結果類似，說明本方法能適應不平衡負載情況，有效診斷出開路故障。

3.2 抗負載切換干擾分析

為檢驗本方法對負載切換的抗干擾能力，考慮極端情況，空載切換滿載和滿載切換空載。圖7、圖8分別為0.1 s電路空載切換滿載和滿載切換空載情況下三相電壓和三相殘差波形。觀察可知在負載切換情況下殘差波動較小，遠小于診斷閾值，故障診斷準確性不受負載切換影響。

圖6 三相不平衡負載下A相波谷時刻上管開路故障

圖7 電路空載切換滿載情況

圖8 電路滿載切換空載情況

4 結語

基于電壓殘差的故障診斷方法通過將上一個周期的電壓采樣量作為參考量，與當前時刻的采樣值比較得到電壓殘差，利用故障后的電壓殘差信號突變進行故障診斷。仿真分析結果表明，對于電壓閉環控制的三相逆變器系統，該方法有較好的抗三相不平衡負載及負載突變的能力，且診斷時間較快，小于一個周期，診斷所需的電壓檢測量可以從電壓閉環控制系統中得到，不需要額外的傳感器，故障診斷程序可以集成到閉環控制系統中。該方法具有成本低、容易實現、診斷時間短、抗干擾性強等優點。