基于最近電平逼近調制的IGBT開路故障診斷方法

榮飛，孫克強

(湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

由于“碳達峰、碳中和”目標的提出，“十四五”期間以風力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電技術仍將繼續(xù)快速發(fā)展，裝機容量和發(fā)電量占比仍將持續(xù)提高。隨著風電裝機容量的不斷攀升，多電平變換器成為風機并網(wǎng)研究的熱點[1－4]。

文獻[5]提出了一種新型六邊形模塊化多電平變流器(H－MMC)并闡述了其工作原理。HMMC只使用6個橋臂直接連接兩個不同頻率和電壓幅值的三相交流系統(tǒng)，大大降低了設備體積和生產成本。文獻[6]采用雙pr控制跟蹤兩種頻率的電流，實現(xiàn)風機最大功率跟蹤控制，利用環(huán)流和中性點電壓實現(xiàn)無功平衡。多電平變換器全橋子模塊(FBSM)中IGBT頻繁開通和關斷，使得IGBT容易發(fā)生短路或開路故障。IGBT短路故障需要在10μs內完成故障檢測并關斷IGBT，以避免直通故障，所以短路故障一般都由硬件電路完成檢測及實施保護。開路故障不會導致系統(tǒng)立刻崩潰，但會使電流失真，甚至其他組件發(fā)生二次故障。因此故障診斷定位技術能夠提高系統(tǒng)可靠性[7－10]。

文獻[11]采用簡單硬件電路檢測子模塊運行工況結合驅動信號快速完成故障診斷。文獻[12]提出了一種利用棧式稀疏自動編碼器作為學習網(wǎng)絡，利用深度學習方式分類、提取原始故障數(shù)據(jù)特征，輸入Softmax分類器得到故障分類結果。文獻[13]運用小波包分解(WPD)與主成分分析(PCA)的方法，提取子模塊電容電壓為故障參量，利用改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)故障定位。文獻[14－15]高度依賴大量歷史數(shù)據(jù)進行訓練，計算成本很高，增加了控制器計算負擔，在線實現(xiàn)困難。文獻[16]提出了一種基于自適應觀測器的故障檢測方法。文獻[17－19]采用卡爾曼濾波器理論，將預測估計值與檢測值進行比較，判斷IGBT是否發(fā)生開路故障，但是設計過程較為復雜且計算量比較大。

綜上所述，本文對全橋子模塊中IGBT開路故障特性進行分析，提出基于NLM調制策略的IGBT開路故障診斷定位方法。根據(jù)NLM調制策略對子模塊電容電壓采樣值的排序，計算其中位數(shù)作為同一橋臂子模塊電容電壓預測值，與實測值對比，獲得診斷判據(jù)，在診斷出FBSM發(fā)生故障后，改變FBSM工作狀態(tài)，根據(jù)子模塊電容電壓值的變化進行故障IGBT定位。

1 全橋子模塊結構與工作原理

全橋子模塊結構如圖1所示，T1—T4為可關斷器件(IGBT)，D1—D4為反并聯(lián)二極管，UC為子模塊電容電壓，ip為輸入電流。通過改變FBSM四個IGBT的開關信號，可以控制FBSM輸出3種工作狀態(tài)。

圖1 全橋子模塊示意圖

1) 正投入:T1＝1，T2＝0，T3＝0，T4＝1(“1”為IGBT導通，“0”為IGBT斷開)，輸出電壓為＋UC。

2)負投入:T1＝0，T2＝1，T3＝1，T4＝0，輸出電壓為－UC。

3)切除:T1＝1，T2＝1，T3＝0，T4＝0或T1＝0，T2＝0，T3＝1，T4＝1，輸出電壓為0。

調制策略采用最近電平逼近調制策略(NLM)實現(xiàn)子模塊電容電壓平衡控制，橋臂投入子模塊個數(shù)Num為:

式中，round為四舍五入取整函數(shù)；Ucref為FBSM電容電壓參考值，V；uref為橋臂參考電壓，V。

Num為正時FBSM正投入，Num為負時FBSM負投入，跟據(jù)ip方向和子模塊電容電壓排序結果，選擇性投切子模塊，實現(xiàn)子模塊電容電壓的平衡[20]。

2 故障特性診斷定位方法

2.1 故障特性分析

FBSM中IGBT開路故障分為以下3種:正投入狀態(tài)下發(fā)生故障；負投入狀態(tài)下發(fā)生故障；切除狀態(tài)下發(fā)生故障(以下簡稱“正投入故障”“負投入故障”“切除故障”)。IGBT開路故障運行狀態(tài)見表1。

表1 IGBT開路故障運行狀態(tài)

1)正投入故障:當ip>0時，F(xiàn)BSM正常運行；當ip<0時，T1或T4發(fā)生開路故障，F(xiàn)BSM電容放電失敗，F(xiàn)BSM電容電壓值保持不變。

2)負投入故障:當ip>0時，T2或T3發(fā)生開路故障，F(xiàn)BSM電容放電失敗，F(xiàn)BSM電容電壓值保持不變；當ip<0時，F(xiàn)BSM正常運行。

3)切除故障:當ip>0時，T2或T3發(fā)生開路故障，F(xiàn)BSM電容切除失敗，電容充電造成電壓值快速升高；當ip<0時，與T1或T4發(fā)生開路故障時同理。

2.2 故障診斷方法

由故障特性分析可知，IGBT開路故障對系統(tǒng)產生影響，都發(fā)生在橋臂子模塊放電周期。故障FBSM電容電壓值UC會因放電失敗保持不變或切除狀態(tài)下充電使FBSM電容電壓實際值高于正常工作狀態(tài)下UC。因此可以通過監(jiān)測FBSM實際UC與期望電壓值的差異程度，當差值超過所設定閾值β時，判定該FBSM發(fā)生故障。

根據(jù)NLM調制策略的原理可知，采用NLM調制策略可以使同一橋臂各FBSM的UC保持高度一致。因此可以利用NLM調制策略對子模塊電容電壓值的排序，計算其中位數(shù)作為FBSM期望電壓值α，不需要占用過多的計算資源。

在單個NLM調制周期內，F(xiàn)BSM的UC最大變化量為ΔUC:

式中，C為FBSM電容容值，F(xiàn)；ibmax為橋臂電流最大值，A；T為NLM調制周期，s。

根據(jù)NLM調制原理建立模型模擬計算過程，NLM模型計算流程如圖2所示。將N個FBSM電容電壓賦不同的初始值，模擬電容充電C次的過程對電容電壓從小到大排序，相對較低電壓的An個電容充電值設為Kn；模擬電容放電H次的過程對電容電壓從大到小排序，相對較高電壓的Bn個電容放電值設為Pn；計算每一次電容電壓排序后最大值與最小值的差值并記錄，圖中函數(shù)rand為在輸入的數(shù)值區(qū)間內隨機生成一個整數(shù)，UCi(i＝1，2，…，N)由小到大或由大到小排序后重新按i＝1，2，…，N的順序賦值完成加或減運算，函數(shù)max為求取數(shù)值的輸入數(shù)值的最大值。

圖2 NLM模型計算流程

根據(jù)流程圖2進行仿真，設置N＝40、UCi(i＝1，2，…，N)＝100±20、ΔUC＝5，得到仿真波形如圖3所示。N1為計算次數(shù)，從圖中可以看出UCi(i＝1，2，…，N) 最大值Ucmax和最小值Ucmin的差值Y為:

圖3 NLM調制最大差值波形

因此考慮噪聲、裕度等因素選取閾值β:

FTSM故障診斷流程如圖4所示，同一橋臂FBSM電容電壓值經(jīng)NLM調制排序后，計算出期望電壓值α，各電容電壓值依次與α做差，當差值超過所設定閾值β時，判定該子模塊發(fā)生開路故障。為了避免噪聲干擾造成誤判斷，當故障信號產生并持續(xù)周期數(shù)大于z(z＝5)時，判斷該FBSM發(fā)生故障，進入IGBT開路故障定位環(huán)節(jié)。

圖4 FTSM故障診斷流程

IGBT故障定位流程如圖5所示。圖中，F(xiàn)1、F2、F3、F4分別為T1、T2、T3、T4的故障診斷信號，其值為1表示IGBT故障，其值為0表示IGBT正常。iarm為故障橋臂電流，UC(k－1)為診斷出故障FBSM所在控制周期的電容電壓值，UCk和UC(k＋1)為改變子模塊為切除狀態(tài)后下一控制周期故障FBSM的電容電壓值。

圖5 IGBT故障定位流程

由故障特性分析可知，正投入故障只發(fā)生在iarm<0時，負投入故障只發(fā)生在iarm>0時。因此可以通過FBSM發(fā)生故障時橋臂電流方向來縮小發(fā)生故障IGBT的范圍。同時，根據(jù)IGBT故障造成FBSM的UC快速升高作為判別依據(jù)，實現(xiàn)故障IGBT的定位。

3 容錯控制

全橋子模塊三種運行模式，當一種運行模式發(fā)生開路故障時，只使用另外兩種運行模式，改變NLM排序方式實現(xiàn)容錯控制。其中T1或T2發(fā)生故障時，切除狀態(tài)觸發(fā)T3和T4；T3或T4發(fā)生故障時，切除狀態(tài)觸發(fā)T1和T2。

根據(jù)上述分析，如圖6所示，UCF為故障FBSM電容電壓值，UCi(i＝1，2，…，N－1)按照升序排列。以發(fā)生負投入故障為例(正投入故障同理):在正投入周期內，按照正常NLM調制策略進行調制；在負投入周期和iarm>0時，UCF不參與排序，投入子模塊電容電壓值最高的k個FBSM，故障FBSM一直保持切除狀態(tài)；iarm<0時，UCF排序在最后，投入子模塊電容電壓值最低的k個FBSM，只在子模塊需要全部投入時，投入FBSM進行短暫的充電。

圖6 故障容錯控制的NLM排序

4 仿真分析

在Matlab/Simulink軟件中搭建了基于H－MMC的風機并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型驗證IGBT開路故障診斷策略，設置仿真時間1s時，橋臂1中第一個FBSM開關管T1發(fā)生開路故障。仿真參數(shù)見表2。

表2 仿真參數(shù)

4.1 故障診斷與定位仿真分析

橋臂電流波形如圖7所示，仿真運行在1~1.034 s時，橋臂電流為ip>0；當仿真運行到1.034 s時，ip<0并運行在正投入周期。

圖7 橋臂電流波形

子模塊電容電壓波形如圖8所示，仿真運行在1~1.034 s時，由于ip>0，開關管T1發(fā)生開路故障，但是故障特性并沒有顯現(xiàn)，各FBSM的電容電壓值保持高度一致。當仿真運行到1.034 s時，ip<0并運行在正投入周期，第一個FBSM電容電壓UC1因放電失敗保持不變，故障特性開始顯現(xiàn)，驗證了前文IGBT開路故障特性分析。仿真運行到1.039 s時，電容電壓UC1與橋臂子模塊電容電壓中位數(shù)差值超過設定閾值，完成對故障子模塊的診斷。故障特性顯現(xiàn)至診斷完成，時間小于4 ms，相較于文獻[17]故障診斷速度較快。同時進入故障定位模式，將IGBT驅動信號設置為T1＝1、T3＝0、T2＝0、T4＝0后，UC1再次升高，判別T1為故障開關管，完成故障定位。

圖8 子模塊電容電壓波形

4.2 容錯控制仿真分析

未采用容錯控制電容電壓仿真曲線如圖9所示，發(fā)生開路故障后未采用容錯控制，故障子模塊的電壓快速上升，極易造成其他組件二次故障。

圖9 未采用容錯控制電容電壓仿真曲線

采用容錯控制電容電壓仿真曲線如圖10所示，當故障診斷和定位后，采取容錯控制，故障子模塊正負投入運行模式轉變?yōu)閱我贿\行方式，電容電壓仍然能夠保持平衡。子模塊電壓波動范圍增大，波動率維持在5%以內。故障子模塊電容電壓在正常投入時可以快速跟蹤上橋臂各子模塊電容電壓，當強制切除時，電容電壓保持不變。

圖10 采用容錯控制電容電壓仿真曲線

5 結語

本文針對全橋子模塊IGBT開路故障特性進行分析，提出根據(jù)子模塊電容電壓值中位數(shù)與電容電壓實測值的差值作為診斷判據(jù)的故障診斷方法，該方法不需要占用過多的計算資源，同時能夠快速地實現(xiàn)故障診斷。提出故障子模塊診斷后，改變FBSM工作狀態(tài)，根據(jù)子模塊電容電壓值的變化進行故障IGBT定位的方法，能夠快速定位子模塊故障IGBT。給出了將故障子模塊正負投入運行模式轉變?yōu)閱我贿\行方式的容錯控制策略。仿真驗證了對IGBT開路故障特性的分析和所提出故障診斷與定位方法和容錯控制策略的有效性。