三相電壓源型逆變器單傳感器相電流重構故障診斷策略

摘 要：為了解決三相電壓源型逆變器采用單電流傳感器進行故障診斷的可行性及診斷時間問題，通過調整互補非零矢量補償零矢量作用時間，確保載波周期內電流采樣時間大于最小采樣時間，并在一個載波周期內互補非零矢量作用時進行兩次電流采樣，重構出故障下的三相電流。通過將功率開關管開路故障類型進行區分，分析功率開關管在各類開路故障下的電流流向以及故障后電壓矢量的合成機理，構建以電流矢量相角、平均電流矢量模值及相角為判據的故障診斷方法，提出基于單傳感器相電流重構的故障診斷策略，實現單傳感器相電流重構下的開關管開路故障診斷。實驗結果驗證了該診斷策略的可行性，并得出當故障診斷時間為0.5 ms，可有效且快速對故障功率開關管定位。

關鍵詞：直流母線；單電流傳感器；互補非零矢量；最小采樣時間；相電流重構；開路故障；故障診斷

DOI：10.15938/j.emc.2024.10.013

中圖分類號：TM341

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）10-0135-12

收稿日期： 2023-04-21

基金項目：國家自然科學基金（62273313）；河南省重點研發專項（241111242300）；河南省高校科技創新人才支持計劃（24HASTIT046）；河南省高校科技創新團隊支持計劃（22IRTSTHN017）

作者簡介：申永鵬（1985—），男，博士，副教授，研究方向為電動汽車電驅動系統能量管理、控制與優化；

馬梓洋（1999—），男，碩士研究生，研究方向為交流電機控制及逆變器故障診斷；

金 楠（1982—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為新能源電能變換技術；

郭磊磊（1987—），男，博士，副教授，研究方向為逆變器及交流電機的模型預測控制；

齊文雷（1985—），男，碩士，工程師，研究方向為電力系統安全、交流電機控制。

通信作者：金 楠

Fault diagnosis strategy for three-phase voltage source inverter based on single sensor phase current reconstruction

SHEN Yongpeng¹， MA Ziyang¹， JIN Nan¹， GUO Leilei¹， QI Wenlei²

（1. College of Electrical and Information Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450002， China;2. State Grid Yili Yihe Power Supply Co.， Ltd.，Yining 835000， China）

Abstract：In view of feasibility and diagnosis time of fault diagnosis of three-phase voltage source inverter with single current sensor， the zero vector action time is compensated by adjusting the complementary nonzero vector to ensure that the current sampling time is greater than the minimum sampling time in the carrier period， and the fault phase current was reconstructed by sampling twice under the complementary nonzero vector action during a carrier period. By distinguishing the open-circuit fault types of power switch tubes， the current flow direction of power switch tube under various open-circuit faults and the synthesis mechanism of voltage vectors after faults were analyzed， and a fault diagnosis method based on the phase angle of the current vector， the average current vector amplitude， and the phase angle was constructed to realize open-circuit fault diagnosis under single sensor phase current reconstruction. A fault diagnosis strategy based on single-sensor phase current reconstruction was proposed， and the open-circuit fault diagnosis under single sensor phase current reconstruction was realized. The experimental results verify feasibility of the diagnosis strategy， and the fault diagnosis time is 0.5 ms， which can effectively and quickly locate the fault power switch tube.

Keywords：DC-link; single current sensor; complementary nonzero vector; minimum sampling time; phase current reconstruction; open-circuit fault; fault diagnosis

0 引 言

單傳感器三相電壓源型逆變器可降低系統成本、減小體積，同時還可消除多電流傳感器參數差異對控制系統性能造成的影響，但其核心器件功率開關管工作在高壓大電流狀態時，由于過電壓或過電流作用下受熱效應影響發生管腳內部引絲斷裂，引發開路故障^［1-3］。開展基于單傳感器相電流重構的逆變器故障診斷研究，實現故障的快速診斷及定位，對提升逆變器可靠性具有重要意義^［4］。

三相電流信息是逆變器故障診斷的重要參數。單傳感器相電流重構的核心問題是消除電流不可觀測區域的影響^［5-6］。目前已有的研究方法包括矢量脈沖插入法^［7-9］、移相法^［10］、互補非零矢量法^［11-13］等。文獻［7-9］提出混合脈沖寬度調制方法，確保重構電流穩定跟隨實際電流，改善電流畸變問題。文獻［10］采用移相法增加非零電壓矢量下的采樣時間，但不可觀測區域內脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）波形不對稱將導致電流畸變。文獻［11-13］提出非零電壓矢量與傳統空間電壓矢量脈沖寬度調制（space vector pulse width modulation，SVPWM）混合調制方法，在減少電流失真的同時擴大重構范圍。文獻［14］提出具有誤差自校正功能的混合脈沖寬度調制方法，在消除電流不可觀測區域的同時，還實現了電流零點漂移量的自檢測和自校正。文獻［15］提出基于自適應觀測器的單電流傳感器矢量控制策略，減小電流總諧波和轉矩誤差，但增加了處理單元的運算負擔。文獻［16］針對電流紋波對重構精度的影響，提出中點值隨機空間矢量脈沖寬度調制相電流重構策略，該方法不需要插入冗余電壓矢量和大量計算，提高電流重構精度。

對于三相電壓源型逆變器，直流母線處的單電流傳感器可反映任意功率開關管故障下的相電流。傳統逆變器故障診斷的方法以相電流故障特征值的提取為主^［17］。文獻［18］提出基于電流矢量軌跡斜率的故障診斷方法，該方法通過電流矢量軌跡的李薩育圖，提取矢量相角特征，進而實現故障功率管的定位，但所檢測的故障類型較少且存在誤診斷風險。文獻［19］提出基于傅里葉變換的歸一化逆變器開路故障診斷方法，采用傅里葉變換分離出單相電流的直流分量以及奇次諧波，并依據歸一化直流分量來定位故障器件，但不適用于雙功率管開路故障診斷。文獻［20］提出電流誤差與相電流基波周期平均值結合的歸一化法，并通過設定經驗閾值實現故障功率管的定位，但診斷時間需要兩個以上的基波周期。文獻［21］根據Park變換后電流矢量相角特征，當某功率開關管故障時，故障所在扇區的掃描時間將會發生變化，從而實現不同故障位置的定位。文獻［22］提出基于非線性觀測器的故障診斷方法，利用非線性觀測器所得定子電流和殘差進行故障檢測和定位，但診斷精度受殘差影響較大。文獻［23］通過對直流側電流進行雙傅里葉變換頻譜分析，實現單管開路故障以及單相開路故障的診斷，但診斷結果受噪聲擾動的影響。文獻［24］基于譜估計和神經網絡確定故障開關元件及其故障性質，但計算量較大，實時性差。文獻［25］通過滑模觀測器對正常狀態下的電流值進行估計，并依據實際系統和觀測器的殘差進行故障定位，提高系統魯棒性，但對殘差參數較敏感。

針對單傳感器相電流重構的三相電壓源型逆變器開路故障診斷的可行性及診斷時間問題，提出基于單傳感器相電流重構的故障診斷策略。首先，分析直流母線單傳感器電流不可觀測區域的存在機理，以及單管開路、異相同側雙管開路、異相異側雙管開路、同相雙管開路四類故障下的電壓矢量合成機制；然后，由兩個互補有效電壓矢量代替零矢量，實現電流不可觀測區域內的故障相電流可靠重構；進一步地，構建由電流矢量相角、平均電流矢量模值及相角3種診斷判據組成的逆變器故障診斷方法，實現單電流傳感器下的三相電壓源型逆變器的故障診斷。論文創新在于實現單傳感器下故障三相電流的重構，并實現多類型開路故障的快速診斷，提高三相電壓源型逆變器的可靠性。

1 直流母線相電流重構與故障分析

1.1 直流母線單電流傳感器相電流重構原理

直流母線單電流傳感器相電流重構系統通過在一個載波周期內對各電壓矢量作用時所對應的直流母線電流信息進行分時采集，進而重構出三相電流，其系統結構如圖1所示。

在SVPWM調制方式下，各相橋臂開關器件的開關狀態可由變量S_p（p∈{a，b，c}）表示，上橋臂導通時用S_p=1表示，下橋臂導通時用S_p=0來表示。空間電壓矢量及各區域分布圖如圖2所示，空間電壓矢量u_i（S_a，S_b，S_c），i∈{0，1，2，3，4，5，6，7}表示8個不同的開關狀態，包含6個有效電壓矢量與2個零電壓矢量。可將整個工作區域劃分為6個扇區，每個扇區內包含正常區域、扇區邊界和低調制區域，其中正常區域屬于可觀測區域，扇區邊界與低調制區域屬于不可觀測區域。

設載波周期為T_s，以I扇區為例，正常區域內，參考電壓矢量u_ref可由有效電壓矢量u₁、u₂以及零電壓矢量u₀、u₇合成。正常區域相電流采樣及重構原理如圖3所示，根據有效電壓矢量u₁、u₂作用時間，分別對T_sam1和T_sam2處直流母線電流i_dc進行采樣，可得兩相電流i_{re_a}和-i_{re_c}，第三相電流i_{re_b}可由基爾霍夫電流定律得出。

根據上述方法，對各扇區不同電壓矢量作用下的直流母線電流進行采樣，可得到如表1所示的采樣結果，進而實現相電流重構。

而在實際電路中，由于開關器件導通時間T_on、PWM死區時間T_db的存在，直流母線在矢量作用時并不能立即出現相電流。同時，受AD轉換時間T_con、采樣電路電流上升時間T_rise、運算放大器電壓擺率T_sr限制，母線電流采樣結果通常需要一定時間才能穩定。因此，定義能夠準確完成直流母線電流采集所需的最短時間為最小采樣時間T_min^［11-13］，表達式為

T_min=T_on+T_db+T_rise+T_sr+T_con。（1）

在扇區邊界、低調制區域等電流不可觀測區域內，存在至少一個有效電壓矢量不滿足T_min，無法準確進行電流采樣。因此，單傳感器相電流重構的關鍵是確保各載波周期內均存在2個或以上符合T_min的不同有效電壓矢量。

1.2 逆變器故障下的電壓矢量分析

三相電壓源型逆變器常見開路故障包括單管開路故障、異相同側雙管開路故障、異相異側雙管開路故障和同相雙管開路故障，共4類21種故障狀態^［26］，如表2所示。

1）單管開路故障。

以S₂開路故障為例，此時b相分壓為U_dc/2，c相分壓為-U_dc/2。特定負載時，故障狀態下電流流向如圖4（a）、圖4（b）所示。此時，u₁、u₂、u₆、u₀和u₇不受影響；等幅值變換下，u₃（010）變為u_3S2（010）=33U_dce^π2，如圖4（c）所示；u₅（001）變為u_5S2（001）=33U_dce^－π2，如圖4（d）所示；u₄（011）變為零矢量。該故障狀態下，僅可由u₁、u₂、u₆、u_3S2和u_5S2合成目標矢量，如圖4（e）所示。

2）異相同側雙管開路故障。

以S₁S₃開路故障為例，特定負載時，故障狀態下電流流向如圖5（a）、圖5（b）所示。此時，u₅、u₀和u₇不受影響；同理，u₄（011）變為u_4S13（011）=33U_dce^－5π6，如圖5（c）所示；u₆（101）變為u_6S13（101）=33U_dce^－π2，如圖5（d）所示；u₁（100）、u₂（110）、u₃（010）變為零矢量。該故障狀態下，僅可由u₅、u_4S13和u_6S13合成目標矢量，如圖5（e）所示。

3）異相異側雙管開路故障。

以S₁S₄開路故障為例，特定負載時，故障狀態下電流流向如圖6（a）、圖6（b）所示。此時，u₃、u₄、u₀和u₇不受影響；同理，u₂（110）變為u_2S14（110）=33U_dce^π2，如圖6（c）所示；u₅（001）變為u_5S14（001）=33U_dce^－5π6，如圖6（d）所示；u₁（100）、u₆（101）變為零矢量。該故障狀態下，僅可由u₃、u₄、u_2S14和u_5S14合成目標矢量，如圖6（e）所示。

4）同相雙管開路故障。

以S₁S₂開路故障為例，特定負載時，故障狀態下電流流向如圖7（a）、圖7（b）和圖8（a）、圖8（b）所示。此時，u₀和u₇不受影響；同理，u₂（110）變為u_2S1amp;2（110）=33U_dce^π2，如圖7（c）所示；u₃（010）變為u_3S1amp;2（010）=33U_dce^π2，如圖7（d）所示；u₅（001）變為u_5S1amp;2（001）=33U_dce^－π2，如圖8（c）所示；u₆（101）變為u_6S1amp;2（101）=33U_dce^－π2，如圖8（d）所示。該故障狀態下，僅可由u_2S12、u_3S12、u_5S12和u_6S12合成目標矢量，如圖7（e）和圖8（e）所示。

由上述分析可知，當發生開路故障時，目標矢量的相角范圍θ如表3所示，同時電流矢量的相角范圍φ與θ相同。由表3可知，不同開路故障的電流矢量相角范圍存在重疊。因此，僅以相角范圍作為故障診斷判據不可行。

2 互補非零矢量補償及故障診斷原理

2.1 互補非零矢量補償

當u_ref位于可觀測區域時，以I扇區為例，如圖9（a）所示，其中有效電壓矢量u₁、u₂和零矢量作用時間T₁、T₂和T₀分別為：

T₁=T_s（1－2Msinθ）；

T₂=T_s［2Msin（π3+θ）－1］；

T₀=T_s［1－2Msin（π3－θ）］。 （2）

M=|u_ref|2πU_dc。（3）

式中：T_s為載波周期；θ為電壓矢量相角；M為調制度，線性調制下當|u_ref|=U_dc/3時，M的最大值M_max=π/23≈0.906，即M∈［0，0.906］^［27］。

當參考矢量u_ref位于扇區邊界、低調制區域等電流不可觀測區域時，通過采用互補非零矢量替換原有零矢量，在載波周期內提供兩個新的滿足T_min的采樣窗口，消除了不可觀測區域影響。如圖9（b）所示，通過將零電壓矢量u₀、u₇代替為互補非零矢量u₃、u₆，其作用時間為

T₃=T₆=T₀2。（4）

在原SVPWM載波周期中，有

u_refT_s=u₁T₁+u₂T₂+u₀T₀2+u₇T₀2。（5）

式中T₁、T₂和T₀分別為電壓矢量u₁、u₂和零矢量u₀、u₇作用時間，而在互補非零矢量補償中，令該扇區的合成電壓矢量為u^′_ref，則有

u^′_refT_s=u₁T₁+u₂T₂+u₃T₃+u₆T₆。（6）

式中T₃和T₆分別為電壓矢量u₃和u₄作用時間。又因

u₃=－u₆；

u₀=u₇=0。（7）

則合成矢量u^′_ref滿足

u^′_refT_s=u₁T₁+u₂T₂=u_refT_s。（8）

可見，u^′_ref的大小和方向沒有改變，符合伏秒平衡原理。

互補非零矢量補償下的PWM波形如圖10所示，有效電壓矢量u₁（100）作用時間滿足T_min，位于可觀測區域，可產生采樣點T_sam1。u₂（110）不滿足T_min，位于不可觀測區域。此時，根據互補非零矢量補償原理，將零電壓矢量u₀、u₇替換為互補非零矢量u₃、u₆，作用時間均為T₀/2，并在u₆作用時進行電流采樣，采樣點為T_sam2。T_sam1和T_sam2分別獲得A相和C相電流i_{re_a}、-i_{re_b}，從而實現三相電流重構。

2.2 平均電流矢量故障診斷

重構三相電流i_{re_a}、i_{re_b}、i_{re_c}通過Park變換，可獲得αβ坐標系下的兩相分量為：

i_α=i_{re_a}e^j0；

i_β=［（i_{re_b}－i_{re_c}）/3］e^jπ2；

i=i_α+i_β。（9）

i_α、i_β在1個電流周期的內平均電流矢量i_v（v=α，β）及平均電流矢量合成公式為：

i_v=1N^*∑N^*n=1i_v（n）；

i=i_α+i_β。（10）

式中：N^*為1個電流周期內的電流采樣點數；i_α為α軸平均電流分量；i_β為β軸平均電流分量；i為合成后的平均電流矢量。

通過反三角函數可得電流矢量相角φ、平均電流矢量模值|i|和平均電流矢量相角φ分別為：

φ=arctan（|i_β|/|i_α|）；

|i|=|i_α|²+|i_β|²；

φ=arctan（|i_β|/|i_α|）。（11）

三相電壓源型逆變器穩態正常工作時，經過Park變換后的i_α和i_β在兩相坐標系下的合成電流矢量i以圓形軌跡轉動，即φ∈［-180°，180°］，兩相電流i_α和i_β在任一電流周期內的平均電流矢量i為0。當單個或兩個功率開關管發生開路故障時，因部分有效電壓矢量無法參與矢量合成，使得電流矢量i的運動軌跡發生變化，平均電流矢量i的模值|i|以及相角φ不恒為0。

通過對每一種故障狀態下的電流矢量平均值進行計算，可得如表4所示的診斷判據區間，并根據故障位置來定義故障定位變量F_dio。分析發現，平均電流矢量i的模值|i|可作為區分故障類型的診斷判據，同時其相角φ細分了故障位置所在區間。

具體的故障診斷流程如圖11所示。首先，計算電流矢量i的相角φ，以判斷其運動軌跡；其次，根據平均電流矢量i的模值|i|及相角φ定位出故障位置；最后，輸出故障定位變量F_dio得到診斷結果。其中：φ_sk（k=1，2）為電流矢量相角閾值；|i_s|為平均電流矢量模值閾值；φ_sk（k=1，2）為平均電流矢量相角閾值；下標s為故障位置。

3 實驗與結果分析

實驗平臺如圖12所示。

實驗中，PWM載波頻率設置為10 kHz。三相電流重構時，采樣信號每載波周期進行兩次采樣，采樣頻率為20 kHz。單電流傳感器由采樣電阻與信號處理電路組成，采樣電阻阻值為0.02 Ω、精度為±1%、溫漂為±50 ppm/℃。信號處理電路采用由OPA2350高速單電源軌至軌運算放大器構成的同相放大電路，其帶寬為38 MHz、轉換速率為22 V/μs、最大輸入失調電壓為±1 mV。實驗采用三相感應電機MODVK48T17D200K，其參數如表5所示。實驗數據由CP150電流探頭和MDA805A電驅動分析儀采集，其中探頭測量精度為±1%、探頭上升時間小于等于3.5 ns、帶寬為10 MHz。

3.1 故障相電流重構實驗結果

各扇區PWM信號和采樣脈沖如圖13（a）～圖13（f）所示，可見扇區邊界在不同電壓矢量下，分別進行兩次采樣得到不同相電流，且采樣點的位置隨電流觀測窗口動態變化，同時，采樣窗口均滿足直流母線處電流采樣時間大于最小采樣時間T_min的要求。

為了驗證故障后的相電流重構效果，在實驗中分別設置S₂、S₁S₃、S₁S₂開路故障。實驗結果如圖14～圖16所示，在互補非零矢量補償電流重構方法中，利用單電流傳感器分時采樣并計算得到故障相重構電流，各窗口上部分為重構電流，下部分為實際電流。可見，故障后的重構三相電流仍可準確追蹤到實際電流變化，可適用于基于電流信息的故障診斷方法。

3.2 故障診斷實驗結果

為更直觀表現電流矢量的相角范圍，兩相坐標系下的電流矢量如圖17（a）所示，其中電流矢量i下標為故障位置。

將故障后重構的三相電流進行Park變換得到可發現電流矢量均在相應的相角范圍內旋轉。圖17（a）中電流矢量以電流周期進行平均可得故障后平均電流矢量圖，如圖17（b）所示。

圖18為反三角函數得到的各故障下矢量相角φ，當電流矢量位于坐標軸邊界時，會導致反三角函數運算出現錯誤，即φ僅能作為電流矢量運動軌跡的診斷判據。

設置實驗中各類故障發生時間t_on=0.067 s，平均電流矢量模值|i|以及相角φ，如圖19、圖20所示，兩者數值平穩，均可響應并區分故障類型，可作為診斷判據，其中平均電流矢量模值|i|以及相角φ下標為故障位置。

由診斷判據及故障診斷流程可得故障診斷結果，如圖21所示，可見t=0.067 5 s時系統響應了故障，并正確區分了故障類型，其中F_dio=13，即表示S₁S₃處發生異相同側雙管開路故障，其余故障診斷結果同理，相比歸一化電流估計方法，所提出的診斷方法不含有電流估計的額外計算量，診斷時間更短，為5個載波周期，即0.5 ms^［4］。

4 結 論

針對三相電壓源型逆變器單傳感器下逆變器開路故障診斷的可行性及診斷時間問題，提出基于互補非零矢量補償和平均電流矢量單傳感器相電流重構逆變器故障診斷策略。通過實驗驗證，所提出策略的有效性體現在：

1）采用兩個互補有效非零矢量來代替零矢量，確保直流母線處電流采樣時間大于最小采樣時間T_min，實現電流不可觀測區域內的故障相電流可靠重構。

2）以電流矢量相角、平均電流矢量模值及相角為診斷判據，實現單傳感器相電流重構下的功率開關管開路故障快速定位，診斷時間由檢測設備精度、設備響應時間和診斷算法等參數決定，當載波頻率為10 kHz時，實驗所得診斷時間為5個載波周期，即0.5 ms。與歸一化電流估計方法相比，實現了故障功率開關管的快速定位。

論文主要貢獻在于驗證了基于單傳感器相電流重構進行三相電壓源型逆變器開路故障診斷的可行性和快速性，具體包括分析單管開路、異相同側雙管開路、異相異側雙管開路、同相雙管開路四類故障下的電壓矢量合成機制；實現電流不可觀測區域內的故障相電流可靠重構；構建由電流矢量相角、平均電流矢量模值及相角3種診斷判據組成的故障診斷方法。診斷時間是逆變器故障診斷策略的重要指標，更短的診斷時間可避免故障的進一步擴大，因此如何進一步縮短診斷響應時間，是下一步的研究工作之一。此外，當故障發生后，如何通過容錯控制確保逆變器的持續運行，對于高可靠性應用場景至關重要，因此，如何使用單電流傳感器相電流重構實現逆變器容錯控制，是下一步的研究工作之二。

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（編輯：邱赫男）