基于誤差電壓協(xié)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(xié)方差來(lái)診斷兩電平變流器IGBT開路故障的方法，具體如下：通過(guò)兩種途徑（脈沖電壓預(yù)測(cè)法和真實(shí)電路求解法）求出IGBT正常和開路時(shí)對(duì)應(yīng)輸出線電壓誤差。其中脈沖電壓預(yù)測(cè)法假設(shè)某橋臂兩個(gè)IGBT分別開路，并根據(jù)脈沖和電流回路，推導(dǎo)對(duì)應(yīng)的故障線電壓誤差表達(dá)式；真實(shí)電路求解法通過(guò)電路理論求出真實(shí)的電壓誤差解析式。引入?yún)f(xié)方差相關(guān)系數(shù)來(lái)分析和比較兩種途徑得出的電壓誤差的相似度，并根據(jù)相似度最大值判定具體開路故障位置。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的有效性。

關(guān)鍵詞：故障診斷；兩電平；開路故障；協(xié)方差

中圖分類號(hào)：TM461? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：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(shù)和工藝的日趨完善，基于IGBT等開關(guān)器件的功率變換器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。功率變換器的核心單元由大量IGBT等開關(guān)器件構(gòu)成，且開關(guān)器件的開關(guān)頻率經(jīng)常在千赫茲以上，這就對(duì)功率變換器的可靠性和穩(wěn)定性提出了很高的要求[1]，一旦開關(guān)器件發(fā)生開路或短路故障，會(huì)大大影響變流器的正常工作[2]。因此，賦予開關(guān)器件自診斷功能可以大大提升檢修效率，這已經(jīng)逐漸成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

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?；陔娏鞯拈_路故障診斷方法一般不需要額外的傳感器[3]，不受系統(tǒng)參數(shù)影響[4-5]?；陔妷旱拈_路故障診斷方法一般具有更快的響應(yīng)速度[6-7]，但有些需要額外的硬件，且對(duì)器件本身參數(shù)依賴性較強(qiáng)[8]。

已有的開路故障診斷方法，很多利用開關(guān)器件的脈沖狀態(tài)協(xié)助判斷故障，但是很少通過(guò)對(duì)脈沖狀態(tài)的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)來(lái)輔助故障診斷?；诖?，提出一種基于輸出線電壓誤差協(xié)方差對(duì)比的兩電平變流器開路故障診斷方法。其創(chuàng)新性在于假設(shè)所有IGBT都分別發(fā)生開路，通過(guò)對(duì)脈沖狀態(tài)持續(xù)監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)出所有潛在開路對(duì)應(yīng)的輸出線電壓曲線，并與實(shí)際電壓進(jìn)行比較。如果某IGBT確實(shí)開路，則預(yù)測(cè)電壓中有且僅有一個(gè)與真實(shí)的電壓相似，從而完成定位。其中，潛在故障電壓曲線通過(guò)脈沖電壓預(yù)測(cè)法獲取，實(shí)際電壓通過(guò)真實(shí)電路求解法獲取。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，診斷不受負(fù)載突變的影響，在輕載時(shí)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(shí)現(xiàn)

兩電平變流器拓?fù)鋱D如圖1所示。定義每相的開關(guān)器件為SX1、SX2、DX1、DX2（X=A、B或C，下同），定義脈沖狀態(tài)為SX={1，0}。

1.1? ? 開路故障對(duì)輸出點(diǎn)電壓影響

定義VXM為正常態(tài)輸出點(diǎn)X對(duì)參考點(diǎn)M的電位，定義V′XM為故障相輸出點(diǎn)X對(duì)參考點(diǎn)M的電位。比如器件SX1開路，脈沖狀態(tài)SX=1，且電流iX＞0，此時(shí)輸出點(diǎn)X不再續(xù)流到上母線“+”，而是通過(guò)M→DX2→X路徑續(xù)流，對(duì)應(yīng)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(dāng)開路故障發(fā)生時(shí)，故障相電流有可能跌為零。此時(shí)故障相可以認(rèn)為懸空，輸出電壓不再滿足表1中數(shù)值，此時(shí)需要額外推導(dǎo)。

零電流情況下A相輸出點(diǎn)懸空時(shí)的等效電路如圖2所示。

開路故障發(fā)生時(shí)，輸出點(diǎn)X對(duì)M點(diǎn)的相電壓表達(dá)式誤差可以通過(guò)圖2中電路推導(dǎo)得出：

式中：ΔV* XM為故障態(tài)輸出點(diǎn)X對(duì)M點(diǎn)的相電壓誤差；VXM和V′ XM 分別為正常態(tài)和故障態(tài)下的輸出點(diǎn)X對(duì)M點(diǎn)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(chǔ)上，可以進(jìn)一步推導(dǎo)線電壓誤差表達(dá)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(tài)輸出點(diǎn)A和B對(duì)M點(diǎn)的相電壓；V* AM和V* BM分別為考慮零電流時(shí)故障態(tài)輸出點(diǎn)A和B對(duì)M點(diǎn)的相電壓。

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

1.2? ? 真實(shí)電路求解法

真實(shí)電路求解法，是通過(guò)真實(shí)回路的KVL方程求得故障相實(shí)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(shè)忽略回路電阻影響，可得：

式中：VCircuit A-Line為故障態(tài)A相實(shí)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(tài)A相輸出線電壓誤差；VAB為正常態(tài)A相輸出線電壓。

同理，對(duì)于B、C相有：

1.3? ? 基于協(xié)方差的開路故障檢測(cè)方法

首先根據(jù)真實(shí)電路求解法求出輸出線電壓誤差ΔVCircuit X-Line，并通過(guò)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(shí)電路求解法得出的輸出線電壓誤差濾波后表達(dá)式。當(dāng)某相ΔVCircuit X-Line-f超過(guò)設(shè)定閾值λ（比如λ=0.5）時(shí)，則判定X相出現(xiàn)開路故障。然后根據(jù)前面脈沖電壓預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)法得出開路故障時(shí)對(duì)應(yīng)輸出線電壓誤差濾波后表達(dá)式，ΔV* X-Line-f-SX1對(duì)應(yīng)SX1開路故障，ΔV* X-Line-f-SX2對(duì)應(yīng)SX2開路故障。

ΔV* X-Line-f和ΔVCircuit X-Line-f相關(guān)系數(shù)，其中Cov和Var為協(xié)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(guān)系數(shù)

μSXi={μSX1，μSX2}（i=1，2），則最大值max（μSXi）對(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

搭建兩電平變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證該開路故障定位策略的準(zhǔn)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(qū)動(dòng)為CONCEPT公司0435T模塊。通過(guò)封鎖驅(qū)動(dòng)模塊脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)開路故障的模擬。

變流器容性電流工況下A相SA1和SA2兩個(gè)器件分別開路時(shí)的定位過(guò)程如圖5和圖6所示。

首先，SA1發(fā)生實(shí)際開路故障，如圖5所示。根據(jù)基于協(xié)方差的開路故障檢測(cè)運(yùn)算過(guò)程，最終求得SA1開路對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)電壓和真實(shí)電壓的相似度等于0.923，SA2對(duì)應(yīng)相似度等于0.128。前者值最大且大于0.7，說(shuō)明預(yù)測(cè)電壓和實(shí)際電壓相似，即判定SA1開路故障，其結(jié)果與實(shí)際開路情況一致。

然后，SA2發(fā)生實(shí)際開路故障，如圖6所示。經(jīng)過(guò)運(yùn)算過(guò)程，最終求得SA1對(duì)應(yīng)相似度等于0.165，SA2對(duì)應(yīng)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(yīng)時(shí)間在20～40 ms，其中最少需要20 ms用于參數(shù)采集和運(yùn)算，另外20 ms由開路故障時(shí)刻決定。以上實(shí)驗(yàn)證明了該故障定位策略的可行性和準(zhǔn)確性。

3? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于誤差電壓協(xié)方差相似度定位兩電平變流器IGBT開路故障的方法，通過(guò)脈沖電壓預(yù)測(cè)法和真實(shí)電路求解法來(lái)獲取系統(tǒng)正常和開路故障時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出線電壓誤差，并引入?yún)f(xié)方差相關(guān)系數(shù)來(lái)分析兩種方法得出的電壓誤差的相似度，根據(jù)相似度最大值判定具體單管開路故障位置。其優(yōu)點(diǎn)在于，診斷精度高，不需要引入額外的傳感器。

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收稿日期：2023-03-03

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