基于誤差電壓協方差的兩電平開路故障診斷

摘要：提出一種基于誤差電壓協方差來診斷兩電平變流器IGBT開路故障的方法，具體如下：通過兩種途徑（脈沖電壓預測法和真實電路求解法）求出IGBT正常和開路時對應輸出線電壓誤差。其中脈沖電壓預測法假設某橋臂兩個IGBT分別開路，并根據脈沖和電流回路，推導對應的故障線電壓誤差表達式；真實電路求解法通過電路理論求出真實的電壓誤差解析式。引入協方差相關系數來分析和比較兩種途徑得出的電壓誤差的相似度，并根據相似度最大值判定具體開路故障位置。最終通過實驗驗證了此方法的有效性。

關鍵詞：故障診斷；兩電平；開路故障；協方差

中圖分類號：TM461? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）12-0010-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.003

0? ? 引言

隨著功率模塊集成化技術和工藝的日趨完善，基于IGBT等開關器件的功率變換器被廣泛應用于工業領域。功率變換器的核心單元由大量IGBT等開關器件構成，且開關器件的開關頻率經常在千赫茲以上，這就對功率變換器的可靠性和穩定性提出了很高的要求[1]，一旦開關器件發生開路或短路故障，會大大影響變流器的正常工作[2]。因此，賦予開關器件自診斷功能可以大大提升檢修效率，這已經逐漸成為一種發展趨勢。

開路故障診斷方法主要分為兩種：基于電流的診斷方法和基于電壓的診斷方法。基于電流的開路故障診斷方法一般不需要額外的傳感器[3]，不受系統參數影響[4-5]。基于電壓的開路故障診斷方法一般具有更快的響應速度[6-7]，但有些需要額外的硬件，且對器件本身參數依賴性較強[8]。

已有的開路故障診斷方法，很多利用開關器件的脈沖狀態協助判斷故障，但是很少通過對脈沖狀態的長時間觀測來輔助故障診斷。基于此，提出一種基于輸出線電壓誤差協方差對比的兩電平變流器開路故障診斷方法。其創新性在于假設所有IGBT都分別發生開路，通過對脈沖狀態持續監測，預測出所有潛在開路對應的輸出線電壓曲線，并與實際電壓進行比較。如果某IGBT確實開路，則預測電壓中有且僅有一個與真實的電壓相似，從而完成定位。其中，潛在故障電壓曲線通過脈沖電壓預測法獲取，實際電壓通過真實電路求解法獲取。該方法的優點在于，診斷不受負載突變的影響，在輕載時也可以保證定位的精確度和可靠性。

1? ? 故障診斷算法的具體實現

兩電平變流器拓撲圖如圖1所示。定義每相的開關器件為SX1、SX2、DX1、DX2（X=A、B或C，下同），定義脈沖狀態為SX={1，0}。

1.1? ? 開路故障對輸出點電壓影響

定義VXM為正常態輸出點X對參考點M的電位，定義V′XM為故障相輸出點X對參考點M的電位。比如器件SX1開路，脈沖狀態SX=1，且電流iX＞0，此時輸出點X不再續流到上母線“+”，而是通過M→DX2→X路徑續流，對應輸出電壓V′XM=0；同理所有畸變情況可以概括如表1所示。

當開路故障發生時，故障相電流有可能跌為零。此時故障相可以認為懸空，輸出電壓不再滿足表1中數值，此時需要額外推導。

零電流情況下A相輸出點懸空時的等效電路如圖2所示。

開路故障發生時，輸出點X對M點的相電壓表達式誤差可以通過圖2中電路推導得出：

式中：ΔV* XM為故障態輸出點X對M點的相電壓誤差；VXM和V′ XM 分別為正常態和故障態下的輸出點X對M點的相電壓；eX為相電壓；iX為相電流；ε為很小正值（比如0.5）。

在式（1）基礎上，可以進一步推導線電壓誤差表達式ΔV* A-Line。以A相為例，有：

式中：ΔV* A-Line為A相線電壓誤差；VAM和VBM分別為正常態輸出點A和B對M點的相電壓；V* AM和V* BM分別為考慮零電流時故障態輸出點A和B對M點的相電壓。

根據式（1）（2）可以得出，開路故障時，輸出相電壓誤差和輸出線電壓誤差相等，即：

1.2? ? 真實電路求解法

真實電路求解法，是通過真實回路的KVL方程求得故障相實際輸出線電壓，定義為VCircuit X-Line。以A相為例，其回路如圖3所示。

假設忽略回路電阻影響，可得：

式中：VCircuit A-Line為故障態A相實際輸出線電壓；eAB為線電壓；L為電感；iA和iB為相電流。

式中：ΔVCircuit A-Line為故障態A相輸出線電壓誤差；VAB為正常態A相輸出線電壓。

同理，對于B、C相有：

1.3? ? 基于協方差的開路故障檢測方法

首先根據真實電路求解法求出輸出線電壓誤差ΔVCircuit X-Line，并通過Butterworth濾波器濾波得ΔVCircuit X-Line-f={ΔVCircuit A-Line-f，ΔVCircuit B-Line-f，ΔVCircuit C-Line-f}，其中ΔVCircuit X-Line-f為真實電路求解法得出的輸出線電壓誤差濾波后表達式。當某相ΔVCircuit X-Line-f超過設定閾值λ（比如λ=0.5）時，則判定X相出現開路故障。然后根據前面脈沖電壓預測法求出

ΔV* X-Line-f={ΔV* X-Line-f-SX1，ΔV* X-Line-f-SX2}，其中ΔV* X-Line-f為脈沖電壓預測法得出開路故障時對應輸出線電壓誤差濾波后表達式，ΔV* X-Line-f-SX1對應SX1開路故障，ΔV* X-Line-f-SX2對應SX2開路故障。

ΔV* X-Line-f和ΔVCircuit X-Line-f相關系數，其中Cov和Var為協方差和方差。

求解ΔV* X-Line-f-SX1、ΔV* X-Line-f-SX2和ΔVCircuit X-Line-f的相關系數

μSXi={μSX1，μSX2}（i=1，2），則最大值max（μSXi）對應的SXi器件即為開路故障器件。為提高診斷的抗干擾性和精確性，如max（μSXi）＜0.7，則舍棄此次判定。

2? ? 實驗結果與分析

搭建兩電平變流器實驗平臺來驗證該開路故障定位策略的準確性，如圖4所示。IGBT采用SEMICON的T型三電平模塊（封鎖脈沖等效兩電平模塊），驅動為CONCEPT公司0435T模塊。通過封鎖驅動模塊脈沖實現對開路故障的模擬。

變流器容性電流工況下A相SA1和SA2兩個器件分別開路時的定位過程如圖5和圖6所示。

首先，SA1發生實際開路故障，如圖5所示。根據基于協方差的開路故障檢測運算過程，最終求得SA1開路對應預測電壓和真實電壓的相似度等于0.923，SA2對應相似度等于0.128。前者值最大且大于0.7，說明預測電壓和實際電壓相似，即判定SA1開路故障，其結果與實際開路情況一致。

然后，SA2發生實際開路故障，如圖6所示。經過運算過程，最終求得SA1對應相似度等于0.165，SA2對應相似度等于0.914。后者值最大且大于0.7，即完成SA2的開路定位。

開路定位響應時間在20～40 ms，其中最少需要20 ms用于參數采集和運算，另外20 ms由開路故障時刻決定。以上實驗證明了該故障定位策略的可行性和準確性。

3? ? 結束語

本文提出了一種基于誤差電壓協方差相似度定位兩電平變流器IGBT開路故障的方法，通過脈沖電壓預測法和真實電路求解法來獲取系統正常和開路故障時對應的輸出線電壓誤差，并引入協方差相關系數來分析兩種方法得出的電壓誤差的相似度，根據相似度最大值判定具體單管開路故障位置。其優點在于，診斷精度高，不需要引入額外的傳感器。

[參考文獻]

[1] 馬銘遙，凌峰，孫雅蓉，等.三相電壓型逆變器智能化故障診斷方法綜述[J].中國電機工程學報，2020，40（23）：7683-7699.

[2] 劉闖，寇磊，蔡國偉，等.基于人工智能的電力電子變換器開路故障診斷研究綜述[J].電網技術，2020，44（8）：2957-2970.

[3] 王伯榮.T型逆變器功率開關管開路故障診斷方法和容錯策略研究[D].杭州：浙江大學，2022.

[4] 陳濤.三相電壓源逆變器功率管開路故障診斷方法研究[D].北京：北京科技大學，2021.

[5] 李龔睿子，陳超波，張彬彬，等.基于改進電流法的PMSM繞組開路診斷方法[J].電機與控制應用，2022，49（7）：63-69.

[6] 劉座辰，林磊，殷天翔，等.一種模塊化多電平換流器子模塊開路故障的快速檢測與診斷方法[J].電工技術學報，2022，37（19）：4883-4894.

[7] 陳濤，劉志剛，胡軻珽，等.一種雙重化脈沖整流器多管開路故障快速診斷方法[J].電工技術學報，2020，35（10）：2226-2238.

[8] 邢紋碩.基于機器學習的模塊化多電平換流器子模塊開路故障診斷方法研究[D].杭州：浙江大學，2022.

收稿日期：2023-03-03

作者簡介：王珂（1985—），男，江蘇人，講師，研究方向：電力電子與電力傳動。