基于中點電流的ANPC逆變器故障診斷策略與容錯控制

高光輝, 雷曉犇, 田景志, 俞銘宏

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安，710038；2.32207部隊，陜西榆林，719000)

三電平有源中點箝位型(ANPC)逆變器以其輸出電壓畸變率低、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，在航空電氣領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注[1-2]。但是，隨著輸出電平的增加，電路中開關(guān)器件的數(shù)量也隨之增大，任何一個開關(guān)器件發(fā)生故障都會影響逆變器的輸出性能。因此，通過故障診斷和容錯控制技術(shù)提高變換器的使用可靠性具有重要意義。

目前，開關(guān)器件開路故障診斷方法主要分為基于模型和基于知識兩類[3]，前者通過數(shù)學(xué)模型獲取估計的系統(tǒng)輸出，將估計值與系統(tǒng)實際輸出比較得到殘差，通過分析殘差實現(xiàn)診斷功能[4-8]，但這種診斷方法需要對系統(tǒng)進行較為精確地建模。基于知識的故障診斷技術(shù)將專家系統(tǒng)[9-10]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11-13]、支持向量機[14-15]等智能算法與診斷技術(shù)相結(jié)合。這種診斷方式需要利用大量的樣本對診斷系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練,同時對于負載變化較為敏感。逆變器的容錯控制主要有軟件容錯和硬件容錯兩種[16-17]。在部分故障類型下，軟件容錯利用ANPC逆變器較多的電平以及冗余開關(guān)狀態(tài)，通過軟件設(shè)計降低空間電壓矢量調(diào)制度，使逆變器工作于降額運行狀態(tài)[18-19]。硬件容錯是指通過增加硬件改變電路結(jié)構(gòu)，使逆變器具有較強的容錯能力。文獻[20]采用了斯科特連接方法，將兩個單相逆變電路的輸出通過兩組變壓器合成三相交流電，實現(xiàn)了單橋臂、多橋臂故障的容錯，但系統(tǒng)中包含兩組變壓器，極大增加了逆變器的體積。文獻[21]通過新增第四橋臂實現(xiàn)了中點電壓平衡控制，當逆變器其中一相發(fā)生故障時冗余橋臂可以替代故障橋臂實現(xiàn)容錯功能。這種容錯方式增加了較多的開關(guān)器件，大大增加了控制難度。

本文提出了一種基于中點電流的開路故障診斷方法，通過增加一個電流傳感器用于中點電流的測量，將中點電流的參考值與測量值進行對比，從而判斷出故障器件具體位置。同時，文章提出了一種新的容錯拓撲，通過增加一個前級橋臂，使得逆變器具有兩電平不降額容錯能力。

1 三電平ANPC逆變器故障分析

三電平ANPC逆變器主電路如圖1所示。定義每相開關(guān)器件Sx5、Sx6為箝位開關(guān)器件；Sx1、Sx2為上橋臂開關(guān)器件；Sx3、Sx4為下橋臂開關(guān)器件(x=a,b,c)。逆變器輸出電平與開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系如表1所示,本文以A相為例進行分析。

圖1 三電平ANPC逆變器電路

表1 三電平ANPC逆變器開關(guān)狀態(tài)表

圖2(a)為開關(guān)器件Sa1故障后，逆變器A相P狀態(tài)下電流流通路徑(圖中藍色為負向負載電流流通路徑，紅色為正向負載電流流通路徑)。當電流為負時，逆變器輸出電壓為+Vdc/2；當負載電流為正時，逆變器輸出電壓為0，即實際輸出為狀態(tài)O。圖2(b)為開關(guān)器件Sa5故障后，逆變器A相OU1或OU2狀態(tài)下的電流流通路徑。當電流為正時，逆變器實際輸出電壓為0；當電流為負時，逆變器實際輸出電壓為Vdc/2，即實際輸出為狀態(tài)P。

圖2 開路故障下電流流通路徑

圖3為開關(guān)器件Sa2故障后，逆變器A相P狀態(tài)、OU1或OU2狀態(tài)下電流流通路徑。在P狀態(tài)下，負向負載電流對應(yīng)的實際輸出的電壓為Vdc/2，負載電流為正時，逆變器實際輸出電壓為0，即實際輸出為狀態(tài)O。在OU1或OU2狀態(tài)下，負向電流對應(yīng)的實際輸出為0，而正向電流對應(yīng)實際輸出電壓為-Vdc/2，即實際輸出為狀態(tài)N。

圖3 Sa2開路故障下電流流通路徑

定義ANPC逆變器的4種故障特征：①P→O：P狀態(tài)對應(yīng)開關(guān)序列作用下，逆變器實際輸出為0(O狀態(tài))；②N→O：N狀態(tài)對應(yīng)開關(guān)序列作用下，逆變器實際輸出為0(O狀態(tài))；③O→P：O狀態(tài)對應(yīng)開關(guān)序列作用下，逆變器實際輸出為Vdc/2(P狀態(tài))；④O→N：O狀態(tài)對應(yīng)開關(guān)序列作用下，逆變器實際輸出為-Vdc/2(N狀態(tài))。

2 基于中點電流的故障診斷方法

2.1 三電平ANPC逆變器中點電流分析

對于三電平ANPC逆變器，中點電流與三相開關(guān)狀態(tài)、輸出電流之間的關(guān)系可表示為：

i0=-(|Sa|ia+|Sb|ib+|Sc|ic)

(1)

式中：i0為中點電流；ia、ib、ic分別為逆變器A、B、C三相輸出電流；Sx(x=a,b,c)為逆變器開關(guān)狀態(tài)，逆變器輸出高電平時Sx=1，輸出低電平時Sx=-1，輸出0電平時Sx=0。

三電平ANPC逆變器中點電流與空間電壓矢量分布如圖4所示。從圖中可以看到，大矢量、零矢量作用下逆變器不形成中點電流，小矢量及中矢量作用下形成的中點電流等于逆變器某相的輸出電流。

圖4 三電平空間電壓矢量分布

2.2 基于中點電流的故障診斷方法

定義無故障情況下逆變器的輸出電壓為參考輸出電壓，逆變器的中點電流稱為參考中點電流。根據(jù)前文分析可以得到：①逆變器某個開關(guān)器件故障后會引起實際輸出電平與參考輸出電平不一致的現(xiàn)象；②逆變器大矢量、零矢量作用下中點電流為0；③逆變器中矢量作用下的中點電流為開關(guān)狀態(tài)為O的相的輸出相電流。

1.3.1 優(yōu)化醫(yī)學(xué)院校圖書館的視角分析。大數(shù)據(jù)將結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中的海量數(shù)字、圖像等形式轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，為其分析和研究，將數(shù)據(jù)深層挖掘，進行合理整合，使資源優(yōu)化，摒棄錯誤冗余數(shù)據(jù)，具有大容量。

定義矢量集合如表2所示：

表2 矢量集定義及其描述

以A相為例，在正常情況下矢量集Vap、Van中各矢量作用下的中點電流為0；矢量集Vao作用下的中點電流為ia。逆變器發(fā)生開路故障后，會出現(xiàn)實際輸出電壓與參考輸出電壓不一致的現(xiàn)象，輸出電壓矢量也會發(fā)生變化，中點電流隨之改變。A相單器件故障下各矢量集合對應(yīng)的中點電流變化情況如表3所示。

表3 A相故障下矢量集合與中點電流對應(yīng)關(guān)系

由表3可知，通過對比中矢量、大矢量、零矢量作用下的實際中點電流與參考中點電流，就可以判斷出具體故障器件。在SVPWM調(diào)制策略下，當調(diào)制比k≤0.577時，根據(jù)最近三矢量合成原則，需要用到的矢量包括零矢量、小矢量，不包含中矢量、大矢量，只需要根據(jù)零矢量作用下的中點電流判斷故障器件。對于調(diào)制比k>0.577時，逆變器需要輸出的電壓矢量包括小矢量、中矢量、大矢量，不包含零矢量，只需要根據(jù)中矢量、大矢量作用下的中點電流判斷故障器件。圖5(a)為調(diào)制比k>0.577時，基于中點電流的故障診斷過程；圖5(b)為調(diào)制比k≤0.577時，基于中點電流的故障診斷過程。根據(jù)診斷結(jié)果，結(jié)合表4可以推斷出具體故障器件。

表4 診斷結(jié)果與故障器件關(guān)系

圖5 基于中點電流的故障診斷流程

3 三電平ANPC逆變器容錯控制

3.1 箝位開關(guān)器件開路故障

由于ANPC逆變器特殊的電路結(jié)構(gòu)，即便同一橋臂2個箝位器件同時發(fā)生故障，也可以將逆變器故障相視為NPC型電路結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整故障相開關(guān)序列，使逆變器故障相工作于三電平狀態(tài)，逆變器輸出空間電壓矢量圖不變。

3.2 橋臂開關(guān)器件開路故障

當橋臂器件Sx1、Sx2、Sx3、Sx4發(fā)生開路故障后，逆變器故障相僅具備輸出一個0電平和一個高電平或低電平的能力，此時逆變器輸出空間電壓矢量部分丟失，如圖6所示。

圖6 Sa1/Sa2故障下逆變器輸出電壓空間矢量分布

可以看出，當逆變器某相橋臂器件發(fā)生開路故障后，逆變器最大調(diào)制比縮減為0.577。針對這種情況，可以選擇降額容錯策略。圖7為提出的容錯電路結(jié)構(gòu)，與ANPC逆變器相比增加了一個前級橋臂。前級橋臂共包含3個開關(guān)器件，當逆變器正常運行時，S1、S2關(guān)斷S3導(dǎo)通，逆變器中點O與中點O*等電位。當診斷出某上側(cè)橋臂器件開路故障后，S2保持關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)斷S3，將S1導(dǎo)通，中點O的電位與直流電源正極相等。當診斷出某下側(cè)橋臂器件開路故障后，S1保持關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)斷S3，將S2導(dǎo)通，中點O的電位與直流電源負極相等。如圖8所示，此時逆變器工作于兩電平模式，共包含8個輸出電壓矢量，最大調(diào)制比為1.15，可保證逆變器在容錯模式下輸出電壓幅值不變，提高了容錯模式下的直流電壓利用率。

圖7 三電平ANPC逆變器容錯電路結(jié)構(gòu)

圖8 兩電平容錯模式電流路徑及空間電壓矢量分布

4 仿真與實驗

4.1 故障診斷與容錯控制仿真

從圖9(a)可以看出，Sa1開路后，矢量集Vap作用下的中點電流出現(xiàn)了大于參考值0的情況，診斷結(jié)果顯示FP→O。矢量集Vao、Van作用下的中點電流與參考電流一致。根據(jù)表4可以判斷出故障器件為Sa1。從圖10(b)可以看出，Sa2開路后，矢量集Vap、Vao作用下的中點電流均出現(xiàn)了與參考值不一致的現(xiàn)象，診斷結(jié)果顯示FP→O、FO→N。矢量集Van作用下的中點電流與參考電流一致。根據(jù)表4可以判斷出故障器件為Sa2。從圖9(c)可以看出，Sa5開路后，矢量集Vao作用下的中點電流出現(xiàn)了與參考值不一致的現(xiàn)象，診斷結(jié)果顯示FO→P。矢量集Vap、Van作用下的中點電流與參考電流一致。根據(jù)表5可以判斷出故障器件為Sa5。診斷結(jié)果表明了基于中點電流的故障診斷方法能夠迅速準確地診斷出故障所在位置。由于同一時刻逆變器輸出電壓矢量只有一個，因此診斷出FP→O和FO→N之間存在一定的時間差，但這個時間差被限制在一個電壓周期之內(nèi)，診斷過程仍具有快速性。

圖9 不同開關(guān)器件開路故障特征及診斷結(jié)果

圖10、圖11分別為兩電平容錯和三電平容錯模式下的輸出電壓波形，圖中uAB為輸出線電壓；ua、ub、uc分別為A、B、C三相濾波輸出電壓。故障時刻為t=5 ms，容錯時刻為t=10 ms。由于Sa1與Sa2故障下的容錯電路及開關(guān)狀態(tài)配置是相同的，本文對Sa1、Sa2同時故障進行了仿真。

圖10 兩電平容錯仿真(Sa1、Sa2故障)

圖11 三電平容錯仿真(Sa5故障)

從圖11可以看出，Sa1、Sa2故障后，輸出電平等級降低，濾波輸出電壓嚴重畸變。進入容錯模式后，逆變器工作于兩電平模式，濾波輸出電壓恢復(fù)三相正弦波，且幅值不變，驗證了兩電平容錯模式的有效性。從圖12可以看出，Sa5故障后，輸出線電壓部分變形，但仍具有一定的對稱性，濾波輸出電壓發(fā)生較小的畸變。進入容錯模式后，故障相避免輸出OU1、OU2兩種狀態(tài)，逆變器恢復(fù)正常運行。

4.2 實驗驗證

為進一步驗證提出的故障診斷方法和容錯電路的有效性，搭建三電平ANPC逆變器的實驗平臺，如圖12所示。

圖12 實驗平臺

圖13為開關(guān)器件Sa1故障時刻的中點電流及輸出電流波形。根據(jù)表3可知，矢量集Vap中的矢量作用下的中點電流參考值為0。從圖中可以看到，虛線橢圓內(nèi)，Vap集合中某個矢量作用下的中點電流與ia相等，因此，診斷結(jié)果為FP→O。根據(jù)表4可以判斷出故障器件為Sa1。

圖13 Sa1故障診斷實驗結(jié)果

圖14為開關(guān)器件Sa2故障后的中點電流和輸出電流波形。圖14(a)中的高電平脈沖表示Vap中的矢量作用時段，其對應(yīng)的中點電流參考值為0。故障后，圖中虛線橢圓內(nèi)的中點電流與ia相等，因此，診斷結(jié)果為FP→O。圖14(b)中的高電平脈沖表示Vao中的矢量作用時段，其對應(yīng)的中點電流參考值為ia。故障后，圖中虛線橢圓內(nèi)的中點電流為0，且此時ia大于0，因此，診斷結(jié)果為FO→N。根據(jù)表4可以最終判斷出故障器件為Sa2。

圖14 Sa2故障診斷實驗結(jié)果

圖15為開關(guān)器件Sa5故障下的中點電流及輸出電流波形。圖中高電平脈沖表示Vap中的矢量作用時段，其對應(yīng)的中點電流參考值為ia。故障后，圖中虛線橢圓內(nèi)的中點電流為0，此時ia小于零，因此，診斷結(jié)果為FO→P。根據(jù)表4可以最終判斷出故障器件為Sa5。

圖15 Sa5故障診斷實驗結(jié)果

圖16為開關(guān)器件Sa1、Sa2故障后逆變器進入兩電平容錯模式的輸出電壓波形，故障后A相濾波輸出電壓波形嚴重畸變，進入兩電平容錯模式后三相濾波輸出電壓波形恢復(fù)三相正弦波形，且逆變器濾波輸出電壓幅值不變。實驗結(jié)果與仿真一致，驗證了兩電平容錯電路的有效性。

圖16 兩電平容錯實驗(Sa1、Sa2故障)

圖17為開關(guān)器件Sa5故障下的電壓波形及其容錯后的電壓波形。圖中Sa5故障期間，線電壓uAB存在從0電平切換至-Vdc電平的現(xiàn)象，逆變器輸出線電壓波形具有一定的對稱性，濾波輸出電壓波形變化變化較小。實驗波形與仿真波形一致。

圖17 三電平容錯實驗(Sa5故障)

5 結(jié)論

本文首先分析了三電平ANPC逆變器各器件開路故障下的電流路徑，總結(jié)出了各器件故障對中點電流的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了基于中點電流的三電平ANPC逆變器故障診斷方法，該方法能在線診斷出具體故障器件。針對故障器件所處的不同位置，將其分為上橋臂器件、下橋臂器件、箝位器件，利用冗余O狀態(tài)實現(xiàn)橋臂器件的容錯運行，通過前級橋臂改變中性點的電位并重新配置開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)橋臂器件故障的容錯運行。提出的容錯電路只需增加4個開關(guān)器件，這4個開關(guān)器件處于長期導(dǎo)通或長期關(guān)斷狀態(tài)，損耗低，可靠性高。提出的容錯電路不會降低逆變器輸出容量，最大調(diào)制比不變。