基于小波分析的二重三相電壓型逆變器開路故障診斷

周晨陽　沈艷霞

摘 要：針對風力發電系統中串聯二重三相電壓型逆變器不同類型故障下輸出電壓波形差異小、故障難以檢測的問題，提出基于小波包分析的逆變器故障檢測方法。首先闡述采用串聯二重三相電壓型逆變器作為并網逆變器的意義;得到在開關元件IGBT各類開路故障狀態下逆變器的輸出電壓信號;然后利用小波包對輸出電壓信號進行分解;最后采用功率譜方法分析小波包分解后輸出電壓信號的細節。通過頻譜特征和功率譜識別出逆變器的各類故障，從而解決了二重三相電壓型逆變器故障檢測困難的問題。仿真實驗驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：風力發電系統;并網逆變器;串聯二重三相電壓型逆變器;開路故障;小波包;能量譜;功率譜

DOI：10.15938/j.emc.2020.09.008

中圖分類號：TM 464

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2020）09-0065-11

Open circuit fault diagnosis of dual three-phase voltage source inverter based on wavelet analysis

ZHOU Chen-yang， SHEN Yan-xia

（College of Internet of Things Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122，China）

Abstract：

Aiming at the small difference in fault output voltage waveforms of series dual three-phase voltage source inverters using in wind power generation system， a fault identification method of inverters based on wavelet packet analysis was proposed. Firstly， the reason of using series double three-phase voltage source inverters as grid-connected inverters was expounded and the output voltage signals of the inverters under various open-circuit faults of IGBT switching elements were obtained. Then the output voltage signals were decomposed by wavelet packet. Finally， the output voltages signal after decomposition was analyzed by power spectrum method. The details of voltage signal are identified by spectrum characteristics， which solves the problem of fault detection caused by double three-phase voltage source inverters. The purpose of identifying various faults of series two-phase three-phase inverters by power spectrum was realized. The simulation experiment proves that this method has the advantages of high fault-tolerant performance.

Keywords：wind power generation system; grid connected inverter; series dual three-phase voltage inverter; open-circuit fault; wavelet packet; energy spectrum; power spectrum

0 引 言

風電是發展最快、最有前景的可再生能源之一，是解決目前世界能源危機不可或缺的重要力量[1-3]。風力發電系統為了保證供電的穩定性和可靠性，通常需要和電網相連，作為風力發電機組并網的接口電路——并網逆變器的性能決定了風力發電設備向電網輸送電能的質量。因此，對風電并網逆變器進行故障檢測，保證并網逆變器的穩定運行是風力發電系統日常維護的首要目標之一[4]。

根據輸出波形不同，風電系統并網逆變器可分為方波逆變器、六階梯波逆變器、正弦波PWM逆變器和組合式逆變器等。方波和六階梯波逆變器的輸出電壓波形與要求的正弦波形有較大差距。與正弦波逆變器相比，串聯二重三相電壓型組合式逆變器采用1800導電方式，開關頻率低，控制更簡單，其正常的輸出為多階梯狀波形，非常接近于正弦波。由于其獨有的多重結構，當逆變器開關管出現故障時，除了少部分故障類型的輸出波形和正常波形相比差別較大外，大部分故障類型輸出的波形和正常波形相比差別不大，容錯性好，常應用于各種對容錯性能要求較高的場合，如在野外自然環境下長時間工作的風力發電系統等，但同時其故障檢測的難度也增大。

電力變流器的故障大多數是開關器件的故障，主要有短路故障和開路故障兩種類型。對于IGBT短路故障，目前可以通過驅動模塊集成的保護電路來監控，但IGBT開路故障的識別則需要進行專門研究[5]。故障檢測的方法有很多[6]，文獻[7]針對變流器發生開路故障后系統的運行特性，提出利用電流的Park矢量模值對電流絕對值的平均值進行歸一化，用歸一化后的數值和電流平均值的正負對風電系統變流器的單開路故障進行診斷。文獻[8]提出一種基于電流信號直流分量和總諧波畸變率的分層故障診斷方法。但是這些開路故障的檢測方法容易發生誤判[9-10]，為此小波分析方法被越來越多地使用。文獻[11-12]以風力發電系統中背靠背式PWM三相整流器為研究對象，分析了在IGBT出現各類開路故障情況下整流器的輸出電壓信號，分別提出了基于能量譜的小波分析故障檢測方法，以及基于小波包分析與 SVM（支持向量機）分類算法相結合的故障診斷方法。文獻[7-8]、[11-12]所討論的三相變流器均由6只IGBT管組成，電路結構簡單，故障類型少，便于故障診斷，但其容錯性、可靠性有待改進。文獻[13]介紹了三電平逆變器開關管故障的診斷，該診斷方法將在線診斷和離線診斷相結合，實現三電平逆變器的簡單開路故障診斷。該診斷方法利用橋臂相電壓的平均值進行故障檢測，針對時域內可以區分的故障類型，利用負載相電壓的極值定位故障開關管;針對時域內難以區分的故障類型，利用FFT （快速傅里葉變換）提取故障信號諧波的幅值，經3個BP神經網絡實現NPC三電平逆變器的開路故障診斷。三電平逆變器由12個IGBT管構成，雖然故障類型多。但該逆變器故障波形差別明顯，故障容易檢測。三電平逆變器諧波成分比組合式逆變器多，可靠性、容錯性能也不如有多重結構的組合式逆變器好。

為了提高風電系統的可靠性、容錯性，本文采用串聯二重三相電壓型逆變器作為并網逆變器。串聯二重三相組合式逆變器電路由12個IGBT管組成，故障類型多;由于采用了多重化技術，可靠性高，容錯性能好，故障波形差別小，其故障檢測難度大。更需要采用小波分析故障檢測方法。

本文首先分析串聯二重三相電壓型逆變器的工作原理，歸納總結逆變器的故障類型;其次，根據不同故障狀態下逆變器的輸出電壓波形的特點，選擇故障檢測方法，確定采用小波包分解與重構算法確定故障信息所在的頻帶范圍;最后采用基于能量譜和功率譜相結合的故障檢測方法，實現了風力發電系統中變流器的故障識別。

1 串聯二重三相電壓型逆變器的結構與故障分類

1.1 串聯二重三相電壓型逆變電路的結構

圖1是串聯二重三相電壓型逆變電路的電路原理圖和理論分析波形[14]。

串聯二重三相電壓型逆變電路的拓撲結構如圖1（a）所示，它由2個以IGBT作為開關元件的三相橋式逆變電路組成，逆變器的輸入直流電源共用，每個逆變電路的輸出交流電壓都是1800導電型的六階梯波，波形中含有較多的諧波成分，影響并網效果。通過變壓器T1和T2的串聯合成，使某些主要諧波分量相互抵消，得到較為接近正弦波的波形，如圖1（b）所示。由圖可見，UUN比UU2更接近正弦波。

圖2是三電平逆變器輸出電壓的諧波分析圖。

對比圖2和圖3可見，串聯二重三相電壓型逆變器諧波成分小。另一方面，為了減小開關損耗，用于風力發電系統的大容量三電平逆變器的開關頻率不是很高，和串聯二重三相電壓型逆變器的最低諧波頻率基本上在同一數量級。為此，組合式逆變器所需的濾波元件亦不會比三電平逆變器的濾波元件大很多。綜合考慮諧波成分和濾波效果，組合式逆變器適合作為并網逆變器。

1.2 串聯二重三相電壓型逆變器的故障分類

逆變器的故障主要是逆變器開關器件的故障，而器件故障無非是開路和短路故障。開關器件一般都串聯了熔斷器，為此短路故障可以轉化為開路故障，因此本文以開路故障類型作為研究對象。實際運行過程中，最常見的故障類型有單個IGBT開路、2個 IGBT開路及3個IGBT開路等情況（超過3個的情況極少發生）。串聯二重三相電壓型逆變器的IGBT元件開路故障可以分為6類26種類型，如表1所示。

對應表1中逆變器的故障分類，各種故障時串聯二重三相電壓型逆變器輸出電壓波形如圖5～圖9所示。其中，圖4是IGBT無故障時的輸出電壓波形。仿真參數設置：直流電壓幅值Ud=10 V，選擇ode23tb仿真算法，相對誤差設為1×10-6，仿真開始時間為0.02 s，結束時間為0.08 s。

由以上故障波形可看出，在26種不同類型的IGBT元件開路故障中，除了圖9（f）、圖9（n）兩種故障輸出電壓波形明顯與無故障狀態下波形不同外，其余各種類型故障的輸出電壓波形與無故障狀態下波形很相似，難以判斷逆變器的故障類型，需要借助專門的故障識別技術來進行故障檢測。

2 逆變器開路故障的小波包識別方法

小波分析具有“信號顯微鏡”的作用。在信號低頻區，頻率的分辨率較高而時間的分辨率較低;在高頻區，則頻率的分辨率較低而時間的分辨率較高。該特性使得小波分析十分適合處理正常信號中夾帶少量瞬態異常信號的情況，能夠符合逆變器故障檢測的需求。

由于逆變器故障情況通常體現為電信號的異常變化，因此可以采用小波分析對逆變器故障情況進行深入細致的研究?？蓮念l域的角度出發采用小波包分析方法，對逆變器的故障電壓信號進行小尺度細微分析，對小波包重構后的系數進行歸類、對比，再用能量譜、功率譜方法對故障輸出電壓波形進行小波分析，從而達到對變流器故障進行識別的目的。

2.1 小波包分解的原理

小波包分解的原理是將原信號在不同頻帶上進行投影，再對這些頻帶內的信號進行分析。從信號濾波的角度來看，小波包分解是期待分解信號通過一組高低通組的共軛正交鏡面濾波器，將信號不斷分割到不同的頻帶上。濾波器組每工作一次，信號減少一半，當對某一頻段內的信號感興趣，則可以對該頻帶的信號進行分析[15-16]。圖10所示是3層小波包的分解過程。S為原始信號;將S分解得到第1層低頻信號A1和第1層高頻信號D1;同理，將A1分解得到低頻信號AA2和高頻信號DA2;將D1分解為低頻信號AD2和高頻信號DD2，1層有2個節點，2層有4個節點。以此類推，3層小波包分解有8個節點，4層小波包分解有16個節點。

每一個節點都為小波包系數dj，nl，小波包分解公式為

dj，2nl=∑kak-2ldj+1，nk，（1）

dj，2n+1l=∑kbk-2ldj+1，nk。（2）

式中ak-2l，bk-2l為低通濾波器系數。

小波包重構公式為

dj，2n+1l=∑k[hl-2kdj，2nk+gl-2kdj，2n+1k]。（3）

式中hl-2k、gl-2k為高通濾波器系數。

2.2 小波包的能量譜分析

逆變器發生故障時，通常會引起輸出信號的幅頻特性和相頻特性產生改變，故障會對各頻率成分進行抑制或加強。因此，如果出現故障，相同頻帶內信號的能量會同樣出現增大或減小。

定義信號能量為其Euclid范數[17]的平方‖S0‖2，且根據Parseval能量積分恒等式，得

‖S0‖2=‖S1，0‖2+‖S1，1‖2;

以此類推，‖S0‖2=‖Sj，0‖2+‖Sj，1‖2+……+‖Sj，n‖2

可以看出，小波包分解后，信號的能量信息依然可以保持完整。因而以能量譜為基礎分析小波包分解后系數的能量值，可以確定故障集中的頻段。

2.3 小波包系數的功率譜分析

小波包既可將信號按任意時、頻分辨率分解，又可保證重構的信號與原來的信號長度一樣，同時，由于時域信號的差異往往在頻域中表現得更為明顯，而小波系數表示在特定頻率段內的時間序列信號，故考慮對重構后的小波系數進行功率譜分析，從而確定信號的特征頻率。

通過前文所述原理，可以利用小波包分析理論對并網逆變器進行特征提取，將故障信號的能量特征作為故障的輸入向量，其具體步驟如下：

1）對并網逆變器各種故障情況下的輸出電壓采樣序列進行小波包分解，得到2n個頻帶的信號特征;

2）對小波包分解系數進行單支重構;

3）求各頻帶的總能量;

4）構造特征向量。

3 仿真結果及分析

一旦逆變器的開關元件IGBT發生故障，其輸出電壓的頻譜中就會含有異常信號。對逆變器的輸出電壓信號進行小波包分析即可檢測出各種典型故障。為此，選取“db10”為小波基函數，進行4層小波包分解和重構。得出圖11所示的開路故障時的能量直方圖。

圖11的縱坐標代表能量，橫坐標代表小波包分解的節點。4層小波包有16個節點，這16個節點均分了橫軸[0，0.4]區間，每個節點占據0.025間隔。第1個節點區間為[0，0.025]、第2個節點區間[0.025，0.05]……以此類推，第16個節點區間為[0.375，0.4]。

由圖11可見，故障輸出信號的能量基本集中在第4層第1，2個節點，信號的能量均接近1。小波包低序號的節點能量代表了輸出信號的總體形狀，高序號節點的能量代表了輸出信號形狀的差異。由于本文并網逆變器故障輸出電壓波形形狀相差不大，所以無故障和各種故障狀態下的能量譜差別也不大。單純靠能量譜方法判別各種故障狀態有困難，還需要進一步采用小波包功率譜方法分析各種故障發生時的輸出信號。第4層16個節點的各種故障輸出細節信號功率譜如圖12～圖15所示。

圖12為正常信號的功率譜圖，圖13為只有1個IGBT出現開路故障時信號的功率譜。通過對比上述第4層16個節點信號的功率譜，可以看出低序號節點的功率譜變化不大，而高序號節點則有明顯變化，這也符合本文實驗中各種故障情況波形形狀的實際情況。因為各種故障情況波形形狀大致相同，所以低序號節點的功率譜變化不大;而各種故障情況波形形狀的差異則體現在高序號節點功率譜的變化上。下面選取下列幾種情況作故障分析：I型故障——1個IGBT出現開路故障，例如IGBT 1出現故障;II型故障——2個處于不同橋的IGBT出現開路故障，例如IGBT 1，7出現故障;III型故障——IGBT處于不同橋的開路故障，例如IGBT 1，2和7出現故障。

1）當發生I型故障時，在8、9、11、12和13節點處可觀測到明顯的功率譜圖形變化，如圖13所示。例如節點8的主頻率由2個變為1個，即160 Hz附近，節點9的3處主頻率對應幅值明顯減小;節點11在380 Hz主頻率處幅值減小;節點12主頻率由3處減少為2處，并有10 Hz左右程度的偏移;節點13主頻率由260 Hz變為250 Hz。

2）當發生II型故障時，與I型故障相比，可觀察到節點8、10和12有明顯變化，如圖14所示。例如節點8主頻處幅值增大;節點10主頻率由440 Hz移動到460 Hz處;節點12處主頻率從410 Hz附近偏移到440 Hz附近，同時幅值明顯增大到0.5。

與III型故障相比，節點6、8、9、10、12和16有明顯變化，如圖14所示。其中節點6的2個主頻發生偏移、節點8主頻由160增大為165 Hz、節點9主頻處幅值明顯減小，節點10主頻由440變為460 Hz，節點12主頻由2個變為1個，節點16在340 Hz處幅值大幅上升。

3）當發生III型故障時，與I型故障對比，可見節點8、9、11、12、13和16有明顯變化。節點8主頻率增大并且對應幅值上升;節點9主頻處幅值明顯減小;節點11處主頻數量減小并且對應幅值減小;節點12主頻率數目由1增加為2，且幅值減小，節點13、16主頻對應幅值增大。

通過對輸出信號應用小波包分解與重構細節輸出信號后，發現故障特征頻率與正常運行時有明顯差異。在能量集中的頻帶上，將故障時輸出電壓與正常時的輸出電壓相比較，其功率譜中的特征頻率可以用來判定變流器的故障類型，從而識別各種類型的開路故障。

4 結 論

本文根據串聯二重三相電壓型并網逆變器的特點，提出基于小波包分析的開路故障檢測方法。得到了以下結論：

1）通過對傳統并網逆變器的分析，發現傳統的方波逆變器、六階梯波逆變器存在容錯性能差的缺點;正弦PWM逆變器相對于本文提出的逆變器控制復雜;而三電平逆變器存在輸出電壓諧波成分大的不足。為此研究組合式逆變器很有必要。

2）通過對串聯二重三相組合式逆變器的26種故障狀態的分析，發現該逆變器有可靠性高，容錯性能好，故障波形差別小的優點，同時也得知其不同故障狀態有區分難度大的缺點。

3）通過對輸出信號應用小波包分解與重構細節輸出信號進行比較，發現故障特征頻率與正常運行時的差異。在能量集中的頻帶上，將故障時輸出電壓與正常時的輸出電壓相比較，其功率譜中的特征頻率可以用來判定變流器的故障類型，從而達到區分各種類型的開路故障的目的。

參 考 文 獻：

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收稿日期： 2019-09-10

基金項目：國家自然科學基金（51707078）

作者簡介：周晨陽（1988—），男，博士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動、智能控制算法;

沈艷霞（1975—），女，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力電子與電力傳動、智能控制算法。

通信作者：沈艷霞