基于電流殘差的有源電力濾波器故障診斷技術(shù)研究

張曉華 戴碧君 羅進(jìn) 郭源博

摘要：針對(duì)有源電力濾波器（active power filter，APF）的IGBT開路故障診斷問題，提出一種基于歸一化電流殘差的故障診斷方法。分析指令電流與輸出電流在正常運(yùn)行狀態(tài)下與IGBT開路故障狀態(tài)下的不同特征，提取指令電流和輸出電流的歸一化殘差值作為故障診斷的依據(jù)，利用歸一化殘差的幅值和極性來判斷故障的發(fā)生以及故障IGBT的位置。同時(shí)，給出了一套故障診斷算法的綜合評(píng)價(jià)方法，并從6個(gè)維度對(duì)算法進(jìn)行評(píng)估。分別建立了APF在IGBT開路故障下的離線與實(shí)時(shí)仿真模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提基于電流殘差的故障診斷方案具有診斷時(shí)間短、可靠性高、魯棒性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器;故障診斷;電流殘差;實(shí)時(shí)仿真

DoI：10.15938/j.emc.2019.08.007

中圖分類號(hào)：TM714.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-449x（2019）08-0050-0

0引言

有源電力濾波器（active power filter，APF）因具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)濾波和功率因數(shù)校正功能，已被廣泛地應(yīng)用于電網(wǎng)中。然而其核心功率開關(guān)器件（如IGBT等）由于長時(shí)間工作在高頻、高溫和高壓狀態(tài)下，容易發(fā)生短路、開路等故障。為了提高其可靠性，延長故障后的安全運(yùn)行時(shí)間以等待維修人員，APF的故障診斷與容錯(cuò)控制已成為電力電子領(lǐng)域一個(gè)重要課題。

為了實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，必須實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速的故障診斷。APF中的IGBT故障主要分為短路故障和開路故障：目前，短路故障已有成熟的故障診斷方案，且可以通過熔斷器切斷故障電路將其轉(zhuǎn)化成開路故障;而開路故障尚未見成熟高效的診斷方案，但是國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器提出的基于電流或電壓的診斷方法具有借鑒意義。

文獻(xiàn)[6]針對(duì)逆變器開路故障提出了簡單直流法，通過網(wǎng)側(cè)電流周期平均值是否為0來判斷開路故障的發(fā)生，但是該方法無法解決負(fù)載突變造成誤診斷的問題。文獻(xiàn)[7]提出了應(yīng)用電流矢量軌跡法檢測IGBT的開路故障，但該算法較為復(fù)雜，診斷時(shí)間較長。此外還有模糊邏輯法、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和母線電流頻譜法等。綜合來看，基于電流的診斷方法雖然在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下故障定位比較準(zhǔn)確，但是普遍存在診斷時(shí)間長、受負(fù)載擾動(dòng)影響大的問題。

文獻(xiàn)[11]提出了下管電壓法，正常運(yùn)行時(shí)下管電壓為0或Udc，而開路故障下則會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間介于O和Udc之間的中問電壓，通過提取此異常電壓來判斷故障的發(fā)生，但是該方法需要加電壓傳感器，且不能分辨出上下管故障。文獻(xiàn)[12]提出了開關(guān)邏輯法，通過開關(guān)信號(hào)和下管電壓在開路故障和正常運(yùn)行時(shí)邏輯的不同來判斷是否發(fā)生了故障?；陔妷旱墓收显\斷方法診斷速度快，但是需要額外添加電壓傳感器和相應(yīng)硬件電路，增加了設(shè)備體積和成本。

為了節(jié)約成本、縮小設(shè)備體積、縮短診斷時(shí)間并提高抗負(fù)載擾動(dòng)能力，本文提出了基于歸一化電流殘差的故障診斷方法。該方法通過分析正常運(yùn)行狀態(tài)下與IGBT開路故障運(yùn)行狀態(tài)下指令電流和輸出電流的特征，以指令電流和輸出電流歸一化殘差的幅值和極性作為故障判斷的依據(jù)，設(shè)置合理閾值來完成故障檢測和故障IGBT的定位。

同時(shí)采用MATLAB離線仿真與dSPACE硬件在回路（hardware-in-the-loop，HIL）實(shí)時(shí)仿真進(jìn)行故障診斷算法驗(yàn)證。HIL實(shí)時(shí)仿真已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域，服務(wù)于控制器的快速開發(fā)和算法測試，其測試結(jié)果的有效性已經(jīng)得到了工業(yè)界的廣泛認(rèn)可。離線和HIL實(shí)時(shí)仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提故障診斷算法的可行性和有效性。

1APF的IGBT開路故障分析

APF系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主電路為兩電平變流器，諧波源為三相不控二極管整流橋接阻感負(fù)載。

當(dāng)APF正常運(yùn)行時(shí)，若A相指令電流大于0，則APF通過T1的導(dǎo)通和D2的續(xù)流交替工作來跟蹤指令電流。同理，若A相指令電流小于0，則APF通過T2的導(dǎo)通和D1的續(xù)流交替工作來跟蹤指令電流。正常運(yùn)行情況下，A相輸出電流的工作狀態(tài)如圖3（a）、（b）、（c）、（d）所示。

當(dāng)T1發(fā)生開路故障時(shí)，T1開路故障情況下APF的輸出電流如圖3（e）和圖3（f）所示。忽略二極管管壓降，若Una小于0時(shí)，D2不導(dǎo)通，a相電流為0，不能跟蹤指令電流;若una大于0時(shí)，D2可以導(dǎo)通，電流可以部分或者全部跟蹤指令電流。當(dāng)una<0時(shí)，D，由于電感的續(xù)流作用繼續(xù)保持導(dǎo)通，但電流逐漸減小，此時(shí)輸出電流能否跟蹤上指令電流，取決于una<0保持的時(shí)間。

當(dāng)T1發(fā)生開路故障時(shí)，b、c兩相由于缺失了一半的工作模式（100，101，110，111），也會(huì)出現(xiàn)電流畸變的情況，形成B相和C相的電流殘差。以B相為例，工作模式為100時(shí)，T1不能導(dǎo)通使三相電流無法形成回路，導(dǎo)致a相電流為0，使b相輸出電流在這一時(shí)刻無法跟蹤指令電流。T1開路故障時(shí)三相指令電流和輸出電流波形如圖4所示。

2故障診斷方法設(shè)計(jì)

通過以上對(duì)開路故障后系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的分析可知，指令電流由諧波源決定，不受故障影響;而APF輸出電流則由于IGBT的開路故障發(fā)生畸變，無法完全跟隨指令電流，因此可以用指令電流與輸出電流的差值作為故障診斷的判斷依據(jù)。

通過以上分析，可以得到電流殘差法的診斷流程如圖6所示：

1）提取三相指令電流與電流傳感器采集回來的三相輸出電流作差，得到電流殘差△ik，進(jìn)而計(jì)算得到歸一化的電流殘差Uk。

2）將Uk與觸發(fā)閾值日進(jìn)行比較，完成閾值判斷。觸發(fā)后將信號(hào)鎖存，以備邏輯判斷使用。

3）通過邏輯判斷是否發(fā)生故障，當(dāng)yk值滿足表1所示判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，診斷出對(duì)應(yīng)的開路故障信號(hào)。

電流殘差法的最大診斷時(shí)間如圖7所示，以T，開路故障為例，考慮診斷時(shí)問最長的情況，大約為0.75個(gè)工頻周期，即15ms。

3故障診斷的綜合評(píng)價(jià)體系

電力電子系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)是近年來電力電子領(lǐng)域的新興熱點(diǎn)問題，許多研究學(xué)者從應(yīng)用對(duì)象的特點(diǎn)出發(fā)提出了多種故障診斷方法，但相關(guān)基礎(chǔ)理論體系尚有待加強(qiáng)，所以有必要建立一套故障診斷算法的綜合評(píng)價(jià)體系對(duì)故障診斷算法進(jìn)行全面評(píng)估。電力電子系統(tǒng)故障診斷算法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括：

1）可靠性：診斷系統(tǒng)靈敏且不會(huì)誤動(dòng)作。本方案根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況設(shè)置閾值H，在最大正常運(yùn)行情況電流殘差的基礎(chǔ)上留出50%的裕量，由于電流殘差上升速度很快，所以既保證了靈敏度，又保證了可靠性。

2）魯棒性：對(duì)負(fù)載、電網(wǎng)等擾動(dòng)是否敏感。本方案采用歸一化方法，可最大限度降低負(fù)載擾動(dòng)和噪聲對(duì)電流殘差的影響。

3）準(zhǔn)確性：故障定位是否準(zhǔn)確。該方案包括6種故障判定邏輯，每種均與某一單管開路故障一一對(duì)應(yīng)，定位準(zhǔn)確度高。

4）適用性：診斷算法復(fù)雜度或計(jì)算負(fù)擔(dān)。該方案只包含加減運(yùn)算、邏輯判斷等簡單的計(jì)算過程，算法復(fù)雜度低。

5）經(jīng)濟(jì)性：故障診斷系統(tǒng)的成本。該方案測量值均來自原有傳感器，無需增加電壓傳感器等硬件設(shè)備。

6）實(shí)時(shí)陛：算法的診斷速度。該方案的最大故障診斷時(shí)間為故障發(fā)生時(shí)刻到三相均觸發(fā)閾值日時(shí)間間隔的最大值，最大約為0.75個(gè)工頻周期，即15ms，低于其他基于電流的故障診斷方法，但略高于基于電壓的故障診斷方法（但該方法需額外配置多路電壓傳感器）。

通過綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)電流殘差法在上述6個(gè)方面均有較好性能。為了證明其性能的優(yōu)越性，本文選取了目前最常用的幾種故障診斷方法與其進(jìn)行對(duì)比分析。5種IGBT開路故障診斷方案對(duì)比如圖8所示。

4仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證基于電流殘差的IGBT開路故障診斷方案的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，分別搭建了基于MATLAB/Simulink的離線仿真模型和基于dSPACE半實(shí)物仿真系統(tǒng)的HIL實(shí)時(shí)仿真模型。HIL實(shí)時(shí)仿真模型是將系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)地運(yùn)行在處理器中，模擬系統(tǒng)在不同情況下的運(yùn)行狀態(tài)，用于控制系統(tǒng)的開發(fā)和測試，其仿真結(jié)果的有效性已經(jīng)得到了工業(yè)界的廣泛認(rèn)可，并在電力電子領(lǐng)域得到了諸多應(yīng)用。離線仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提診斷算法的可行性，實(shí)時(shí)仿真結(jié)果則驗(yàn)證了算法的實(shí)時(shí)性和有效性。APF系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表2所示。

APF系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)載電流iL，APF輸出電流ic和歸一化電流殘差uk的波形如圖9所示，歸一化電流殘差uk穩(wěn)定在±0.25范圍內(nèi)。

當(dāng)負(fù)載電阻Ro在0.125s時(shí)刻由10Ω突變成5Ω時(shí)，APF輸出電流發(fā)生較大變化，但由于對(duì)殘差電流進(jìn)行了歸一化處理，電流殘差的突變量遠(yuǎn)低于閾值，因此負(fù)載突變不會(huì)對(duì)故障診斷產(chǎn)生影響，負(fù)載突變條件下負(fù)載電流iL、APF輸出電流ic和歸一化電流殘差uk如圖10所示。

T1在0.17s時(shí)刻發(fā)生開路故障時(shí)，由于二極管D2的續(xù)流作用，三相電流歸一化電流殘差uk在一段時(shí)間內(nèi)不發(fā)生突變，直到二極管D2無法續(xù)流時(shí)才會(huì)發(fā)生突變，如圖11所示。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)，將閾值日設(shè)置為0.75，當(dāng)三相歸一化電流殘差uk滿足表l的判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，輸出故障位置，故障診斷的時(shí)間約為14ms。

為了模擬實(shí)際裝置運(yùn)行時(shí)電流傳感器受到的干擾，在輸出電流中加入了15%的白噪聲，如圖12所示。仿真結(jié)果表明，白噪聲的加入會(huì)增加歸一化電流殘差uk的波動(dòng)范圍，但仍遠(yuǎn)低于故障后突變幅值，所設(shè)置的閾值能有效抑制噪聲對(duì)診斷結(jié)果的干擾。

為了更好驗(yàn)證所提算法的有效性和實(shí)時(shí)性，建立了基于dSPACE半實(shí)物仿真平臺(tái)的硬件在回路實(shí)時(shí)仿真模型，dSPACE半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖13所示。上位機(jī)通過以太網(wǎng)和DS911模塊與dSPACE平臺(tái)通信，用于下載仿真模型及實(shí)時(shí)顯示仿真變量。DSl006為處理器板卡，這里用來作為APF系統(tǒng)的控制器;DS5203為FPGA板卡，用來實(shí)時(shí)模擬APF主電路。

APF在正常情況下的實(shí)時(shí)仿真結(jié)果如圖14所示，可以看到輸出電流波形與MATLAB離線仿真結(jié)果基本相同，驗(yàn)證了實(shí)時(shí)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)時(shí)仿真中，歸一化電流殘差uk的波動(dòng)范圍相比MATLAB離線仿真有所增加，與加入白噪聲后的離線仿真結(jié)果相似，這也說明實(shí)時(shí)仿真結(jié)果更接近實(shí)際裝置的運(yùn)行情況，具有較高真實(shí)性。

圖15為T，管開路情況下的硬件在回路實(shí)時(shí)仿真結(jié)果，T1管在0.01s發(fā)生開路故障后，殘差uk發(fā)生突變，約9ms診斷出故障位置（如圖15所示）。同理，對(duì)其他5個(gè)IGBT發(fā)生開路故障的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明電流殘差的邏輯分布完全符合前述理論分析。

5結(jié)論

本文針對(duì)APF中的IGBT開路故障診斷問題，通過對(duì)指令電流和輸出電流在正常情況下和故障情況下的波形分析，提出了一種基于歸一化電流殘差的故障診斷方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于電流殘差的故障診斷方案具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、魯棒性強(qiáng)、適用性廣、準(zhǔn)確度高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。隨著APF的廣泛應(yīng)用以及對(duì)容錯(cuò)性能要求的不斷提高，該方法在APF故障診斷研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。