基于電量參數(shù)特征分析的逆變器開路故障診斷方法研究

劉志龍，李曈希，聶常華，湛 力，唐樟春，歐 柱，李嘉明，徐 堯

(1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610000；2.電子科技大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，四川 成都 611731；3.電子科技大學(xué)廣東電子信息工程研究院，廣東 東莞 523000)

0 引言

電壓源逆變器廣泛應(yīng)用于核能、航天、電力拖動(dòng)等領(lǐng)域，扮演著越來(lái)越重要的角色。電壓源逆變器故障診斷方法分為三類：基于電流信號(hào)的逆變器開路故障診斷方法[1-4]，基于電壓信號(hào)的逆變器開路故障診斷方法[5-7]，基于智能算法的逆變器開路故障診斷方法[8-12]。基于電壓信號(hào)的逆變器開路故障診斷方法有著其他診斷方法所不具備的優(yōu)勢(shì)，但是也存在著很多缺陷，例如需要額外的硬件傳感器或者電路進(jìn)行電壓采集。基于電流信號(hào)的逆變器開路故障診斷方案診斷成本低，但是其診斷效果不佳，例如各相電流信號(hào)容易受到噪聲的影響，因而影響到診斷結(jié)果。與此同時(shí)，這種診斷方法的診斷效果與逆變器負(fù)載的變化關(guān)系巨大，負(fù)載的變化會(huì)造成誤診斷。基于智能算法的逆變器開路故障診斷方法的診斷性能良好，但是往往計(jì)算量大。

針對(duì)以上基于電流信號(hào)的逆變器開路故障診斷方法和基于電壓信號(hào)的逆變器開路故障診斷方法的缺陷，本文提出了基于電量參數(shù)特征分析的逆變器開路故障診斷方法。該方法在保留基于電壓信號(hào)的逆變器開路故障診斷方法優(yōu)越性的同時(shí)，克服了基于電流信號(hào)的逆變器開路故障診斷方法可靠性低的缺陷。

1 三相逆變器線電壓特征分析

分析逆變器線電壓在非故障狀態(tài)下和故障狀態(tài)下的特點(diǎn)變化，即逆變器在運(yùn)行時(shí)電流流向以及各個(gè)功率開關(guān)管的狀態(tài)，從而得到線電壓變化特點(diǎn)。

1.1 逆變器在正常狀態(tài)下的線電壓特征

首先，分析逆變器正常狀態(tài)下，線電壓uab的變化特點(diǎn)，具體分為4種狀態(tài)。逆變器正常運(yùn)行如圖1所示。

圖1 逆變器正常運(yùn)行示意圖

ia、ib以圖1(b)所示方向?yàn)檎Ｒ誀顟B(tài)一為例：電流ia為正，電流ib為負(fù)，且開關(guān)管V3和開關(guān)管V2處于打開狀態(tài)。此時(shí)，電流ia流經(jīng)D2，電流ib流經(jīng)D3，如圖1(a)所示，線電壓uab的大小為-Udc。同理可得逆變器在非故障情況下其余線電壓(uab、ubc、uca)的變化特點(diǎn)。正常狀態(tài)下線電壓uab的變化特點(diǎn)如表1所示。

表1 正常狀態(tài)下線電壓uab的變化特點(diǎn)

1.2 逆變器在故障狀態(tài)下的線電壓特征

V1開路故障時(shí)逆變器運(yùn)行如圖2所示。

圖2 V1開路故障時(shí)逆變器運(yùn)行示意圖

首先，分析V1故障對(duì)線電壓uab造成的影響，具體分為八種狀態(tài)。以狀態(tài)一為例：電流ia為正，電流ib為正，并且V1、V3的控制信號(hào)均為“打開”，二極管D2開通且開關(guān)V3導(dǎo)通。在這種狀態(tài)下，電流ia流經(jīng)D2，電流ib流經(jīng)V3，此時(shí)線電壓uab的大小為-Udc。同理，可以得出V2故障情況下，uab的變化特點(diǎn)。ubc、uca的變化特點(diǎn)分析原理相同。V1故障前后線電壓uab的變化特點(diǎn)如表2所示。

表2 V1故障前后線電壓uab的變化特點(diǎn)

1.3 逆變器開路故障前后的電流特征

某一功率開關(guān)管發(fā)生開路故障后，負(fù)載電流的變化會(huì)有一定的特點(diǎn)。V2故障后三相電流波形如圖3所示。

圖3 V2故障后三相電流波形

每個(gè)周期內(nèi)，有半個(gè)周期逆變器電流變?yōu)榱悖硗獍雮€(gè)周期逆變器電流并沒(méi)有發(fā)生變化。如果逆變器a相橋臂開關(guān)管V2發(fā)生故障，那么在故障后的每個(gè)周期內(nèi)，半個(gè)周期逆變器a相電流ia變?yōu)?，而另外半個(gè)周期逆變器a相電流ia并沒(méi)有發(fā)生變化。

2 故障診斷方案

逆變器開路故障診斷方法總體方案如圖4所示。

圖4 逆變器開路故障診斷方法總體方案

根據(jù)逆變器線電壓在功率開關(guān)管出現(xiàn)開路故障的情況下各相之間線電壓的變化特點(diǎn)，提出基于線電壓變化的故障相檢測(cè)與定位方法。在基于電壓變化分析的基礎(chǔ)上，檢測(cè)出故障相。接著，分析逆變器電流變化特點(diǎn)，提出基于電流的額外的診斷變量，利用電流診斷量進(jìn)行最終的故障定位。

2.1 基于線電壓的故障相檢測(cè)與定位

線電壓測(cè)量如圖5所示。由圖5可以看出，只用兩個(gè)傳感器測(cè)量得到的電壓為Um12、Um23。其中，第三個(gè)電壓Um31可以通過(guò)測(cè)量的Um12、Um23計(jì)算得到。

圖5 線電壓測(cè)量示意圖

故障診斷所需要的預(yù)測(cè)電壓可根據(jù)逆變器運(yùn)行原理計(jì)算得到，計(jì)算式如式(1)所示。

(1)

式中：e1、e3、e5為逆變器開關(guān)管驅(qū)動(dòng)變量，即每個(gè)橋臂上開關(guān)管的控制信號(hào)，其值為0或者1，若為1表明開關(guān)管被打開，反之則表明開關(guān)管被關(guān)閉；U12es、U23es、U31es為線電壓預(yù)測(cè)值。

整個(gè)診斷系統(tǒng)由故障檢測(cè)模塊和故障識(shí)別模塊組成。故障相檢測(cè)定位如圖6所示。三個(gè)故障檢測(cè)模塊分別為FD12、FD23、FD31。它們分別針對(duì)a相、b相、c相，輸入直流電壓Udc、開關(guān)管控制信號(hào)以及測(cè)量的電壓信號(hào)，最終將得到的信號(hào)輸出到故障識(shí)別模塊。故障檢測(cè)模塊僅負(fù)責(zé)各相開路故障的檢測(cè)。故障識(shí)別模塊的作用是定位故障相位置。

圖6 故障相檢測(cè)定位框圖

故障檢測(cè)模塊FD12內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 故障檢測(cè)模塊FD12內(nèi)部結(jié)構(gòu)

另外兩相的故障檢測(cè)模塊FD23、FD31與FD12的結(jié)構(gòu)一致。首先，利用逆變器運(yùn)行原理，結(jié)合直流輸入U(xiǎn)dc以及開關(guān)管控制信號(hào)e1、e3，預(yù)測(cè)兩相之間的電壓。然后，將預(yù)測(cè)電壓和測(cè)量電壓作比較，得到差值u。將差值u和定義好的故障閾值作比較，并將比較結(jié)果輸入低通濾波器消除干擾帶誤差。和傳統(tǒng)的逆變器開路故障診斷方法不同的是，本文提出的故障檢測(cè)模塊不僅設(shè)置了偏差大小閾值，還利用低通濾波器消除干擾以及誤差。低通濾波器消除了在非故障情況下由于死區(qū)和開關(guān)開通關(guān)斷延時(shí)等因素造成的誤診斷現(xiàn)象，提高了可靠性。

故障識(shí)別模塊結(jié)構(gòu)如圖8所示。由圖8可以看出，它的輸入為故障檢測(cè)模塊得到的輸出。根據(jù)分析易知，一旦逆變器某一相的開關(guān)管發(fā)生了開路故障，將會(huì)影響相鄰兩相的測(cè)點(diǎn)電壓數(shù)值，使兩個(gè)故障檢測(cè)模塊同時(shí)出現(xiàn)故障信號(hào)。

圖8 故障識(shí)別模塊結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)一步將各相故障標(biāo)志信號(hào)定義為：

(2)

2.2 基于電流診斷變量的故障開關(guān)管定位

為了診斷出哪一相發(fā)生了開路故障并定位逆變器故障開關(guān)管，提出了根據(jù)電流變化特點(diǎn)的診斷變量進(jìn)行逆變器開路故障開關(guān)管定位的方法。首先，給出三相電壓源逆變器(voltage source inverter,VSI)的診斷變量：

(3)

(4)

式中：n為三相橋臂,n=a、b、c;T為電流周期;〈in〉為取電流平均值；Ln(t)為診斷變量。

由式(4)可以看出,所定義的故障定位變量是基于周期平均電流量的。有了診斷變量L并不能完成定位，還需定義診斷變量P。診斷變量P定義如式(5)所示。

(5)

式中:n為三相橋臂，n=a、b、c;k為閥值。

在診斷出哪一相發(fā)生故障后，利用診斷變量P進(jìn)行橋臂開關(guān)管故障定位。然后，可根據(jù)診斷變量P的大小判斷出故障點(diǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

使用MATLAB/Simulink軟件搭建仿真模型，對(duì)故障診斷方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。以a相橋臂下開關(guān)管開路故障為例進(jìn)行分析。圖9為故障前后線電壓uab的波形。由仿真波形可以看出，在0.315 s發(fā)生故障后，線電壓uab產(chǎn)生了畸變，其波形的特點(diǎn)是周期性出現(xiàn)畸變。

圖9 故障前后線電壓uab的波形

圖10為故障前后線電壓ubc的波形。由仿真波形可以看出，在0.315 s發(fā)生故障后，線電壓ubc并沒(méi)有產(chǎn)生畸變，說(shuō)明開關(guān)管的故障并沒(méi)有影響到線電壓ubc。

圖10 故障前后線電壓ubc的波形

圖11為故障前后線電壓uca的波形。由仿真波形可以看出，在0.315 s發(fā)生故障后，線電壓uca產(chǎn)生了畸變，并且波形的特點(diǎn)是周期性出現(xiàn)畸變。

圖11 故障前后線電壓uca的波形

圖12為逆變器診斷信號(hào)f12波形。由圖12可以看出，在0.315 s發(fā)生故障后，f12發(fā)生突變，表明出現(xiàn)故障。

圖12 逆變器診斷信號(hào)f12波形

圖13為逆變器診斷信號(hào)f23波形。由圖13可以看出，在0.315 s發(fā)生故障后，f23并未發(fā)生變化，V1發(fā)生開路故障并沒(méi)有影響到診斷檢測(cè)模塊FD23，和上文分析一致。

圖13 逆變器診斷信號(hào)f23波形

圖14為逆變器診斷信號(hào)f31波形。由圖14可以看出，在0.315 s發(fā)生故障后，f31發(fā)生突變，表明出現(xiàn)故障。

圖14 逆變器診斷信號(hào)f31波形

圖15為逆變器故障標(biāo)志信號(hào)Wa波形。由圖15可以看出，在0.315 s發(fā)生故障后，Wa發(fā)生突變，其值由0變?yōu)?，表明a相出現(xiàn)故障。這是因?yàn)椴ㄐ蝔31和波形f12都大于閾值，根據(jù)式(2)，a相發(fā)生故障，Wa值突變?yōu)?。

圖15 逆變器故障標(biāo)志信號(hào)Wa波形

圖16為逆變器故障分析變量La波形。由圖16可以看出，在0.315 s發(fā)生故障后，La發(fā)生突變，其值由0變?yōu)榻咏?的值，并且大于閾值k。

圖16 逆變器故障分析變量La波形

圖17為逆變器故障信號(hào)Pa波形。由圖17可以看出，在0.315 s發(fā)生故障后，Pa發(fā)生突變，其值由0變?yōu)?。根據(jù)上文對(duì)診斷變量Pa的分析，可推斷出V2出現(xiàn)了開路故障。

圖17 逆變器故障信號(hào)Pa波形

4 結(jié)論

本文提出的基于電量參數(shù)特征分析的逆變器開路故障診斷方法，在保留基于電壓信號(hào)的逆變器開路故障診斷方法的優(yōu)越性的同時(shí)，克服了基于電流信號(hào)的逆變器開路故障診斷方法的可靠性低的缺陷。首先，分析了光伏逆變器在故障前線電壓的變化特點(diǎn)；接著，提出了逆變器故障檢測(cè)模塊與故障識(shí)別模塊；最后，提出了使用電流診斷變量進(jìn)行開路故障開關(guān)管的定位。仿真試驗(yàn)證明了本文提出的診斷方法的有效性。該診斷方法可以減少由于逆變器開路故障帶來(lái)的損失，能夠在一定程度上提高電力、電動(dòng)汽車、核電、航天等行業(yè)的安全性和可靠性。