一種三相重構(gòu)逆變器的故障診斷方法

黃剛，潘群瓊，張正曉，馮文碧，黎燕

（1．浙江溫州永嘉縣電力實(shí)業(yè)有限公司，浙江 溫州 325100；2．中南大學(xué)自動化學(xué)院，湖南 長沙 410083）

三相逆變器廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)、光伏產(chǎn)業(yè)、軌道交通等領(lǐng)域，其安全可靠性具有重要意義。但逆變器中的功率開關(guān)器件因多次通斷、電流諧波、負(fù)荷過大等原因很容易發(fā)生故障甚至損壞，一旦功率開關(guān)器件發(fā)生故障，輕則影響其輸出性能，嚴(yán)重時(shí)會威脅系統(tǒng)安全[1-4]。

為了避免故障所帶來的安全隱患及損失，故障診斷技術(shù)成為三相逆變器的研究熱點(diǎn)[5-9]。功率開關(guān)器件的故障主要是短路故障和開路故障。其中短路故障的發(fā)生過程非常短暫，在工程上通常會采用硬件電路先保護(hù)電路，即利用快速熔斷器將其轉(zhuǎn)換為開路故障。開路故障造成的影響不如短路故障激烈，但是如果不能夠快速地將故障檢測出并隔離，可能引起二次故障的發(fā)生，增加維修成本，嚴(yán)重的會造成重大事故。因此本文提出一種應(yīng)用于三相逆變器、成本低且能提高可靠性的故障診斷方法。

1 三相重構(gòu)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相重構(gòu)逆變器拓?fù)淙鐖D1所示。Udc是直流電源，V1-V6是功率開關(guān)器件。逆變器輸出側(cè)的濾波電路采用了LC濾波器，Lf和Cf為濾波器的電感和電容，Zline是負(fù)載等效阻抗。其中 TRac、TRab、TRa和TRo是可控雙向開關(guān)。在逆變器正常運(yùn)行時(shí)，TRac、TRab、TRo保持關(guān)閉，TRa保持導(dǎo)通。C1和 C2是直流側(cè)兩個(gè)容值相等的電容。逆變器正常工作時(shí)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是三相六開關(guān)型。當(dāng)逆變器中的功率開關(guān)器件發(fā)生開路故障時(shí)，通過可控雙向開關(guān)的通斷使逆變器電路重構(gòu)，直流側(cè)電容作為其中一相，形成三相四開關(guān)型。利用重構(gòu)后直流側(cè)中點(diǎn)電壓信息進(jìn)行故障診斷，確保逆變器故障后能繼續(xù)運(yùn)行，提高可靠性。

圖1 三相重構(gòu)逆變器電路

2 故障診斷過程及分析

首先定義本文所用的直流側(cè)中點(diǎn)電壓，即三相逆變器直流側(cè)中點(diǎn)o到負(fù)載側(cè)中點(diǎn)電壓之差，可表示為uon：

上式中的直流側(cè)中點(diǎn)電壓是逆變器正常工作時(shí)獲取的，可作為參考直流中點(diǎn)電壓。同時(shí)定義開關(guān)量Sx表示三相橋臂功率管的開關(guān)狀態(tài)：

式中，x＝｛a，b，c｝表示三相中的任一相。以 a相功率開關(guān)器件V1或V2發(fā)生開路故障為例進(jìn)行故障診斷過程分析，當(dāng)V1發(fā)生故障時(shí)，直流側(cè)中點(diǎn)電壓的值為：

而V2故障和V1故障的情況相反，因此V2故障后的直流側(cè)中點(diǎn)電壓可表示為：

為了清晰地觀察故障前后的直流側(cè)中點(diǎn)電壓變化，將直流側(cè)中點(diǎn)電壓測量值和參考值之間的偏差設(shè)為：

將六個(gè)開關(guān)狀態(tài)的值分別代入式（3）、（4）和（5）中，可以得到V1和V2故障時(shí)的直流側(cè)中點(diǎn)電壓及其相應(yīng)的偏差值，如表1所示。

表1 正常模式和V1，V2故障時(shí)的直流側(cè)中點(diǎn)電壓及其偏差

從表1中可知，當(dāng)Sa＝0，即當(dāng)開關(guān)狀態(tài)為100、101、110時(shí)，由于V1故障時(shí)的直流側(cè)中點(diǎn)電壓和正常模式一樣，其偏差值保持為0；當(dāng)Sa＝1時(shí)，即開關(guān)狀態(tài)為001、010、011時(shí)，V1故障會使直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏差出現(xiàn)正值。而V2故障后的直流側(cè)中點(diǎn)電壓在Sa＝1時(shí)為0，在Sa＝1時(shí)為負(fù)，即上橋臂故障后的直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏差總會出現(xiàn)正值，而下橋臂故障時(shí)則為負(fù)值。因此利用直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏差的極性便可以實(shí)現(xiàn)功率管開路故障的檢測并且診斷出故障管為上橋臂或者下橋臂。于是直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏差的極性定義為：

當(dāng)J的值為Z時(shí)，代表逆變器運(yùn)行正常；當(dāng)J＝P時(shí)，表示上橋臂發(fā)生故障；當(dāng)J＝N時(shí)，表示下橋臂發(fā)生故障。需要注意的是，由于中性點(diǎn)電壓偏差絕對值有 udc／6、udc／3 兩個(gè)取值，且皆大于 udc／6，因此式（6）的閾值 Uth在本文中設(shè)為 udc／6。

由于逆變器的三相相互獨(dú)立并且呈對稱關(guān)系，因此b、c兩相單個(gè)功率管故障后的直流中點(diǎn)電壓及偏差有類似的推導(dǎo)過程。

表2 功率管故障后直流中點(diǎn)電壓偏差

因此利用直流中點(diǎn)電壓偏差便可以實(shí)現(xiàn)功率管開路故障的檢測并且診斷出故障管為上橋臂或者下橋臂。

若已檢測到故障位于上橋臂，進(jìn)行第一次拓?fù)渲貥?gòu)，關(guān)閉TRa、導(dǎo)通TRo、使a相被直流側(cè)電容代替，其等效電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中的a＇代表重構(gòu)后的新相位。需要注意的是由于三相逆變器的拓?fù)渥儞Q會使等效電路發(fā)生變化，從而導(dǎo)致直流側(cè)中點(diǎn)電壓的參考值也隨之變化，因此在每次變換后都需要重新對新電路中直流側(cè)中點(diǎn)電壓進(jìn)行分析。

圖2 重構(gòu)后的逆變簡化電路

圖2中，假定故障位于a相，重構(gòu)后直流側(cè)中點(diǎn)電壓的參考值為：

重構(gòu)后直流側(cè)中點(diǎn)電壓與式（7）一致，即：

因此直流側(cè)中點(diǎn)電壓的偏差極性為0，判定V1故障。可以得到當(dāng)上橋臂發(fā)生故障時(shí)逆變器重構(gòu)后的直流側(cè)中點(diǎn)電壓，從而獲得其極性，進(jìn)行故障所在相的診斷。

為了能清晰地描述逆變器拓?fù)渲貥?gòu)后直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏差的變化情況，同樣設(shè)定診斷標(biāo)志Ji（i＝1，2）來分別代表第一、二次變換時(shí)的直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏差極性：

這里的偏差閾值Uth1，2是考慮了誤差范圍，所以不為0。利用拓?fù)渲貥?gòu)方法可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)故障管的診斷過程，如圖3所示。

圖3 基于拓?fù)渲貥?gòu)的故障診斷方法

在圖3中，當(dāng)逆變器發(fā)生故障，首先通過直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏差的極性J判斷出故障功率管在上橋臂還是下橋臂；然后進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)，重新獲取直流側(cè)中點(diǎn)電壓，獲取其極性J1，若J1為Z，可以判斷出故障發(fā)生在a相，從而診斷出故障功率器件；若J1不為Z，故障相不在a相，進(jìn)行第二次重構(gòu)，重新獲取直流側(cè)中點(diǎn)電壓，獲取其極性J2，若J2為Z，可以判斷出故障發(fā)生在b相，反之在c相，從而診斷出故障功率器件。

3 仿真與分析

為了驗(yàn)證本文所提故障診斷方法在三相逆變器上的有效性，在Matlab／Simulink上進(jìn)行仿真。本節(jié)將以上橋臂V1、V3、V5故障為例進(jìn)行分析，仿真時(shí)間為0．5s，相關(guān)的參數(shù)如表3所示。

表3 仿真參數(shù)

本小節(jié)對本文所提故障診斷算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，但需要注意的是以下的仿真均沒有使用容錯控制策略，因此三相電壓并不會恢復(fù)正弦。圖4為使用電容法時(shí)功率管V1發(fā)生開路故障后的仿真結(jié)果，設(shè)置在 t＝0．246s時(shí)發(fā)生故障。

圖4 V1故障時(shí)的仿真結(jié)果

從圖4（a）可以看出，當(dāng)V1發(fā)生開路故障后，由于在第一次變換時(shí)直流側(cè)電容會替代a相橋臂從而將V1故障從電路中排除，三相電壓中的b、c兩相電壓會保持穩(wěn)定，且由于沒有使用容錯控制策略，a相電壓會在零值上下浮動。圖4（b）顯示診斷所需時(shí)間為0．21ms，證明電容法能快速診斷出a相故障。

圖5為功率管V3發(fā)生開路故障后的仿真結(jié)果，設(shè)置在 t＝0．24s時(shí)發(fā)生故障。

圖5 V3故障時(shí)的仿真結(jié)果

從圖5（a）可以看出，由于當(dāng)V3發(fā)生開路故障、在第一次重構(gòu)時(shí)a相橋臂被直流側(cè)電容替代，并沒有定位到故障管，在第二次重構(gòu)時(shí)才用原始a相替代了b相，從而將V3故障排除在電路之外，因此b，c兩相電壓在發(fā)生一定的電壓畸變后同樣會保持穩(wěn)定且a相電壓會在零值上下浮動。圖5（b）顯示電容法能成功診斷出b相故障，診斷所需時(shí)間為0．395ms，比診斷V1故障所花的時(shí)間要長。

圖6為功率管V5發(fā)生開路故障后的仿真結(jié)果，設(shè)置在 t＝0．253s時(shí)發(fā)生故障。

圖6 V5故障時(shí)的仿真結(jié)果

圖6（a）顯示最后的三相電壓和圖5（a）的類似，但是期間發(fā)生的電壓畸變持續(xù)時(shí)間較之圖5（a）要更長，這是由于當(dāng)V5發(fā)生開路故障時(shí)，在兩次變換過程中，V5始終存在于電路之中，直到在第三次重構(gòu)時(shí)才會將V5排除。圖6（b）顯示電容法可以診斷出c相故障，診斷所需時(shí)間為0．45ms。

以上的仿真結(jié)果表明電容法可以快速地定位故障管，其診斷a相故障的速度要快于診斷b相和c相故障，且由于該方法在進(jìn)行拓?fù)渥儞Q時(shí)總會將電路重構(gòu)為三相四開關(guān)結(jié)構(gòu)，因此其在結(jié)合容錯控制策略后可以實(shí)現(xiàn)故障逆變器的快速容錯，提升了逆變器的可靠性。

4 結(jié)論

本文提出一種三相重構(gòu)逆變器的故障診斷方法，當(dāng)逆變器中的功率開關(guān)器件發(fā)生開路故障，通過計(jì)算直流側(cè)中點(diǎn)電壓并重構(gòu)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使其從三相六開關(guān)拓?fù)滢D(zhuǎn)換成三相四開關(guān)結(jié)構(gòu)，再利用直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏差極性進(jìn)行故障診斷。且本文的逆變器重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，結(jié)合控制算法實(shí)現(xiàn)了逆變器故障后的容錯運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的安全可靠性，通過仿真驗(yàn)證了該方法能快速診斷出逆變器中任一故障功率開關(guān)。