成　庶　李　蔚2，　陳特放　丁榮軍　張桂新（.中南大學交通運輸工程學院　長沙　400752.中南大學信息科學與工程學院　長沙　40075.南車株洲電力機車研究所有限公司　株洲　4200）

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整流器主電路開路故障診斷及容錯控制研究

成庶1李蔚2，1陳特放1丁榮軍3張桂新1
（1.中南大學交通運輸工程學院長沙410075
2.中南大學信息科學與工程學院長沙410075
3.南車株洲電力機車研究所有限公司株洲412001）

針對牽引變流器故障中較常見的開關管開路故障，提出一種故障診斷和容錯控制新方法，可在不增加傳感器的基礎上，準確、迅速地診斷/定位任意開關管開路故障，并在此基礎上，實施所提出的新型容錯控制方案，使得變流器在任一開關管開路情況下，仍能保持全功率運行。其中，診斷/定位方法無需增加任何傳感器，利用變流器控制所必須采集的輸入和輸出電壓信號作為參考量，診斷過程與控制觸發(fā)信號及負載變化無關；容錯控制方案需增加5組外部開關，改變變流器與變壓器繞組的連接方式，在不改動原有設備的基礎上，保障容錯控制目標，新加入的開關工作在零電壓零電流條件下。通過試驗樣機和測試結果驗證了理論分析的有效性。

變流器故障診斷故障定位容錯控制

0　引言

鐵路運輸不論采取電力還是內燃牽引，電能的傳遞和變換都離不開變流系統(tǒng)。目前全世界范圍內，仍有大量交直流傳動機車服役，僅中國就達數(shù)千輛，這部分機車運行年限較長，其牽引變流系統(tǒng)出現(xiàn)故障幾率較大，且監(jiān)測、診斷功能單一，值得關注。

國內某鐵路局2013年某車型的臨修故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示，全年發(fā)生設備臨修故障474次，其中變流系統(tǒng)故障75次，占總故障的15.8%，在三大關鍵電氣子系統(tǒng)中故障率最高。

表1　2013年某局某車型臨修故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.1　Statistical data of temporary repair failure 2013

近期變流器故障診斷和容錯控制領域的部分研究成果包括:文獻［1-4］討論了整流器故障診斷，其中文獻［1］以電感電流的斜率作為觀測對象，對比開關信號與電流升降情況來檢測和定位整流器晶閘管開路故障；文獻［2］僅依靠相電流進行診斷，同時考慮了整流部分的開路和短路故障。文獻［5-14］討論了逆變器的開路故障診斷方法，其中文獻［5］提出基于標準化平均電流的晶閘管開路故障檢測和隔離方法；文獻［6］用電壓偏移觀測器預估開路故障在d-q平面上的偏移量，再通過Park逆變換進行永磁同步驅動系統(tǒng)故障的檢測和定位；文獻［7］根據(jù)故障和正常狀態(tài)下橋臂下管承受電壓的不同，采用硬件電路進行故障診斷，診斷延時非常短；文獻［8］將PWM周期內ON時線電壓與OFF時線電壓的差值作為特征量進行故障檢測；文獻［9］通過電流模式進行故障檢測，無需增加傳感器；文獻［14］根據(jù)故障時電流的變化特性，提出了變流器單個器件開路故障的診斷方法。文獻［15］根據(jù)逆變器開關器件發(fā)生開路故障時電網(wǎng)中性點與直流側負極之間的電壓與正常工作時的電壓不同來進行故障診斷。文獻［16，17］討論了DC-DC變流器的橋臂開路故障診斷問題，其中文獻［16］對DC-DC全橋整流電路提出在特定占空比下進行故障診斷和定位的方法；文獻［17］通過觀測電感電流斜率進行快速故障診斷。文獻［18-20］討論了變流器關鍵部件的故障診斷問題，其中文獻［18］提出了一種針對傳感器故障的診斷方法；文獻［19，20］針對IGBT故障分別提出了兩種不同的診斷方法。文獻［21］從3個層面描述了電力電子系統(tǒng)可靠性。文獻［16，22-24］討論了變流器的容錯控制方法。

變流器故障診斷研究的成果各有優(yōu)勢，但針對牽引變流器而言，有兩個難以適應的問題:①原有系統(tǒng)不允許隨意改造，難以獲取控制觸發(fā)信號作為診斷參考；②牽引變流器負載變化范圍較大，變化速度快，部分方法以輸出電流作為診斷變量，與負載關系密切。

本文以多段橋式整流器作為研究對象，深入分析其正常與異常工況下的特性，提出一種新型的故障診斷及容錯控制方法，與已有方法相比，該方法無需增加傳感器，無需獲取控制觸發(fā)脈沖，診斷過程與負載情況無關，可在一個系統(tǒng)工作周期內診斷并定位故障，容錯控制可在單橋臂開路的情況下，保持變流器全功率輸出。

1　系統(tǒng)總攬

1.1系統(tǒng)基本拓撲結構

圖1　系統(tǒng)拓撲結構Fig.1　Topology of the proposed system

圖1為變流器拓撲以及所提出的故障診斷和容錯控制系統(tǒng)，其中VD1～VD4為二極管，VT1～VT6為晶閘管，F(xiàn)為熔斷器，a1b1x1和a2x2為牽引變壓器牽引繞組，75R/76R為空載電阻，L2為平波電抗器，K1～K5為用于容錯控制的開關組及其控制線包，u1（t）為系統(tǒng)輸出電壓，ud（t）為變流器輸入電壓，其中a2x2繞組上的電壓為 ud（t）/2，a1b1和 b1x1上的電壓為ud（t）/4，這里定義u2（t）=ud（t）/4。

1.2系統(tǒng)工作原理

由于有熔斷器F，橋臂短路故障在極短時間內可轉變?yōu)殚_路故障。開路故障會導致變流器輸出發(fā)生明顯變化，以固定周期缺失部分波形，同時結合其他信號進行綜合分析，可精確定位故障開關管。所提出的新理論分3個階段工作:階段1為變流器正常階段，本系統(tǒng)實時監(jiān)測變流器故障特征變量；階段2為故障診斷，通過提出的新理論定位故障開關管；階段3為容錯控制，通過K1～K5改變變壓器與變流器的連接方式，適當調整控制，保持變流器全功率輸出。

1.3診斷信號的選擇

為保證所提出理論的實用性，必須在系統(tǒng)已有信號中選取故障特征信號，最小化系統(tǒng)改動。選取與負載無關的輸出電壓U1獲取最直觀的故障信息；為區(qū)分同橋臂上下開關管故障，選取輸入電壓U2作為診斷參考量。這兩個變量在運用多年的老變流器上也已是采集過的變量，無需改動原有系統(tǒng)，保障了該方法的可行性。

2　故障診斷及容錯控制

在保障理論分析有效性的前提下假設:①器件是理想的，系統(tǒng)已工作在穩(wěn)態(tài)；②牽引電機可被視為電阻、電感和反電動勢組合的負載；③由于輸出電感足夠大，輸出電流瞬態(tài)計算時可被視為恒流源。

2.1正常工作狀態(tài)分析

正常工作時，K1～K5都在位置1，圖2為系統(tǒng)正常工作時的波形。根據(jù)投入的變壓器繞組數(shù)量，變流器工作可分為以下3個階段。

圖2　正常工況下的系統(tǒng)波形Fig.2　System waveforms under normal operation

模式1（t1～t2）:此階段為輸入電壓正半周，t1時刻VT6導通，電流流向為a2→VD3→負載→VD2→VD1→VT6→x2。開關管通態(tài)壓降可忽略，75R/76R阻值大，i2（t）亦可忽略，簡化后的等效電路如圖3a所示。

由基爾霍夫定律列出環(huán)路方程

式中

此階段，u1（t）略小于ud（t）/2，變流器向負載輸出能量，t2時刻，輸入電壓自然過零，進入模式2。

模式2（t2～t3）:VT6承受反向電壓自然關斷，電流通過VD2→VD1→VD4→VD3→負載續(xù)流，u1（t）=0，直至t3時刻VT5導通。

由式（1）和圖3b可得

模式3（t3～t4）:根據(jù)負載選定VT5導通時刻t3，電流流經 x2→VT5→負載→VD2→VD1→VD4→a2。u1（t）和i1（t）與模式1情況一致。t4時刻VT5關斷，進入模式4。

模式4（t4～t5）:與模式2一致，直至t5時刻VT6導通，系統(tǒng)進入下一工作周期。

圖3　模式1和模式2下的等效電路Fig.3　Equivalent-circuit diagram in mode 1 and mode 2

2）輸出電壓增大到 ud（t）/2時（t6），變流器與a1b1繞組相連的部分開始工作。

3）當系統(tǒng)負載繼續(xù)增大，輸出電壓達到3ud（t）/4時（t10），繞組b1x1投入。第2、3階段基本參數(shù)如表2所示。

表2　第2、3階段8個模式的關鍵參數(shù)Tab.2　Key parameters in 8 modes of the 2nd and 3rd phase

2.2開路故障模型的提出與分析

橋式整流器的本質即在負載需要時，導通相應開關管，使輸入電壓直接作用在負載上，因此，輸出與輸入電壓關系為

式中，g（x）為傳遞函數(shù)。提出故障電壓傳遞模型描述如式（5）所示，此模型可通用于各類全橋整流電路。

式中，fdx（t）為開關管觸發(fā)函數(shù)，下標 x=1，2，3；fd1（t）、fd2（t）、fd3（t）分別代表 VT5/VT6、VT1/VT2、VT3/VT4的觸發(fā)狀態(tài)；ffx（t）為續(xù)流函數(shù)，下標x=1，2；ff1（t）代表VD1和VD2同時故障；ff2（t）代表VD3和VD4同時故障；fx（t）為故障函數(shù)，下標x=1，2，3；f1（t）、f2（t）、f3（t）分別代表 VT5/VT6、VT1/VT2、VT3/VT4的故障狀態(tài)。

以VT4開路為例，開路故障多發(fā)生在負載較大時，假設fd1（t）=fd2（t）=1，有f1（t）=1，f2（t）=1，ff1（t）=ff2（t）=1。由式（5）可得u1（t）

同樣可計算其他開路故障時輸出電壓及波形如表3和圖4所示。

2.3基于開路故障模型的故障診斷

2.3.1故障診斷/定位方法

表3　開路故障時系統(tǒng)工作狀態(tài)Tab.3　Converter states under open-circuit fault

圖4　開路故障波形Fig.4　Waveforms of open-circuit fault

定義t1～t5五個時刻如下

表4　VT6開路的故障分析Tab.4　Fault feature table under VT6open-circuit fault

同時，定義“過零”為:當函數(shù)值從小于等于0到大于0，或從大于0到小于等于零。提出故障診斷方程用以計算故障特征方程的過零次數(shù)

然后設計過零次數(shù)矢量及其轉換矢量如式（12）、式（13）所示，并構建故障矢量算子如式（14）所示。

將表4代入式（11）～式（14），可得VT6開路故障矢量C（m）為001100。同樣推理，可得表5狀態(tài)矢量。

表5　狀態(tài)矢量Tab.5　State vector table

運行狀態(tài)基本可區(qū)分，但VT5/VT6和VD4/VD3開路無法區(qū)分。重新定義約束條件方程為

用式（5）和式（9）在式（15）的約束下重新計算zcx（t）（x=4，5，6），并代入式（11）～式（14），可得VT5、VT6、VD4和VD3開路故障輔助診斷狀態(tài)矢量，如表6所示。

表6　輔助故障診斷Tab.6　Auxiliary fault diagnosis table

表6與表5不同是因為當VT5（VT6）開路故障時，VD4（VD3）續(xù)流，只要正向電壓超過其門檻電壓就會導通，過零迅速；而當VD4（VD3）開路時，VT5（VT6）續(xù)流，其導通受控于觸發(fā)，有至少0.28 ms的延遲。

因此，故障診斷過程分為兩階段，首先以約束條件式（10）定義下的故障診斷編碼作為診斷依據(jù)，可診斷/定位的狀態(tài)包括正常狀態(tài)、VT1開路、VT2開路、VT3開路、VT4開路、VD1開路、VD2開路、VD4（VD3）開路以及VT5（VT6）開路9種；若診斷故障為VD4（VD3）開路以及VT5（VT6）開路，輔助以約束條件式（15）定義下的輔助故障編碼進行二次診斷，定位VD3、VD4、VT5及VT6開路。

2.3.2故障診斷/定位電路

圖5　診斷定位系統(tǒng)框圖Fig.5　Block diagram of fault diagnosis and location system

2.3.3故障診斷方法的性能

1）故障定位最長延時:故障定位需待系統(tǒng)進入新穩(wěn)態(tài)。從開路故障發(fā)生到故障診斷/定位延時最長的是VDx開路故障，其定位可在故障發(fā)生后的兩個系統(tǒng)工作周期內完成。

2）特殊情況分析:當系統(tǒng)滿負荷工作時，正常狀態(tài)編碼為［000000］，此時若VT4或VT2開路，故障編碼也是［000000］，但VT4或VT2開路對輸出電壓的影響程度不通，可據(jù)此消除正常狀態(tài)的誤警。

2.4容錯控制策略分析

單管開路故障定位后，可改變牽引變壓器與變流器的連接方式，利用余下器件，實現(xiàn)變流器原有功率。下面分別在各開關管開路情況下，分析所提出的容錯控制策略。注意VT2（1）開路時，系統(tǒng)結構無需調整亦可全功率輸出。

2.4.1VT4開路

將K5切換至位置2，K4切換至位置4，a1x1繞組被連接至VD1、VD2、VT1和VT2上，變流器變?yōu)樯舷聝蓚€串聯(lián)變流單元，如圖6所示。無需調整觸發(fā)脈沖，即可使得輸出電壓全范圍調整，僅在ud（t）/2～ud（t）區(qū)間電壓調整步長稍大，不影響牽引變流器全功率運行。調整后的工作原理與系統(tǒng)正常工況下幾乎一致，這里不再詳述。

圖6　VT4開路故障容錯控制結構Fig.6　Tolerance control structure under VT4open-circuit

2.4.2VD2開路

K3切換至位置2，K4切換至位置3，a1x1與VT1、VT2、VT3和VT4組成新變流結構，同時互換VT1和VT2的觸發(fā)，可保變流器全功率輸出。

2.4.3VT6或VD4開路

K1切換到位置2，K2切換到位置3，K3切換到位置3，K4切換到位置2，K5不變，系統(tǒng)切換為由a1x1、a2x2和VD1、VD2、VT1、VT2、VT3和VT4組成的新結構，VD3和VD4起續(xù)流作用。VD4開路情況相似，但需同時滿觸發(fā)VT5和VT6續(xù)流。

2.4.4控制策略

1）容錯控制開關位置

執(zhí)行VT4開路故障的容錯控制策略時，VT3也被排除在新拓撲之外。因此，VT3開路故障可采取相同容錯控制策略。同理，VT2和VT1、VT6和VT5、VD2和VD1、VD4和VD3也相同。由此可得單管開路故障的容錯控制策略如表7所示。

表7　容錯控制開關位置Tab.7　Switch position of fault tolerance control strategy

2）系統(tǒng)切換時刻

單管開路故障后的切換過程涉及5套切換開關的動作，其同步性難以確定，為避免不必要的沖擊電壓電流，保護故障系統(tǒng)剩余的可用器件，切換必須在電流完全回零后進行。

3）新結構的電壓電流應力分析

VD4/3和VT6/5開路故障時，各開關管承受的電壓電流最大。以VD4開路為例，正常工況下，VT1（2）僅開關 ud（t）/4的電壓，故障時則需開關 ud（t）/2；VT3（4）在正常狀態(tài)下開關ud（t）/2，而故障時需要開關ud（t）。所有開關管都承受兩倍正常電壓，約1 400 V。但系統(tǒng)本身器件的電壓等級最小為2 800 V［25］。因此，提出的容錯控制策略可在不更改系統(tǒng)原有器件的情況下，滿足系統(tǒng)全負載輸出的需求。

3　實驗驗證

為驗證所提出的故障診斷及容錯控制方法，搭建與牽引變流器主電路結構一致的試驗平臺，并增加10個接觸器用于模擬開路故障。試驗系統(tǒng)樣機如圖7所示。系統(tǒng)關鍵參數(shù)如表8所示。

VT6開路故障波形如圖8所示。VT1開路故障波形如圖9所示。VD3開路故障波形如圖10所示。VD3開路導致電流失去通路，感性負載產生反電壓，使相應的同步電壓互感器輸出反向飽和。封鎖觸發(fā)后，負載電流沒有釋放回路，VT5無法關斷，電流通過VD1/VD2/VD4/a2x2/VT5續(xù)流，因此，輸出電壓為ud（t）/2，電流逐漸減小，直至VT5關斷，此時K1～K5在無電流流過的情況下動作。此后，牽引變流器重啟，電流迅速上升。

圖7　試驗系統(tǒng)原型機Fig.7　Prototype of the experimental system

表8　樣機系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.8　Key parameters of the prototype

圖8　VT6開路故障及容錯控制波形Fig.8　Waveforms under VT6open-circuit fault

圖9　VT1開路故障及容錯控制波形Fig.9　Waveforms under VT1open-circuit fault

圖10　VD3開路故障及容錯控制波形Fig.10　Waveforms under VD3open-circuit fault

由實驗波形可見，所有故障后的兩個周期內，診斷系統(tǒng)完成了觸發(fā)脈沖封鎖，并在接觸器K1～K5轉移到相應位置后，重啟變流器，在此過程中，K1～K5無需開斷電流。由于輸出電流在診斷/定位和容錯控制過程中不斷下降，低于設定值，因此重啟后，直接滿觸發(fā)，使輸出電流迅速回升。開關管滿開放時，故障矢量C（m）為［000000］。因此，在實際診斷定位算法中，對于［000000］這種狀態(tài)需結合輸出電壓進行判斷，即檢測到［000000］矢量時，輸出電壓約為xud（t）（x=1/4，1/2，3/4）。

4　結論

所提出的故障診斷方法通過理論分析、仿真和半實物實驗驗證了其正確性和有效性，可在較短時間內，不增加變流器傳感器和復雜程度的基礎上，實現(xiàn)任一開關管開路的快速診斷/定位，且與觸發(fā)信號、負載變化無關，可在容錯控制策略的作用下，保持故障變流器的全負載輸出。

由于試驗條件受限，無法在與實物完全一致的設備上進行測試，下一步爭取裝車測試診斷及定位功能。在系統(tǒng)診斷與定位功能穩(wěn)定后，再進行容錯控制策略的實物測試。

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成庶男，1981年生，講師，研究方向為電力牽引與傳動控制、故障診斷技術。

E-mail:6409020@qq.com

李蔚男，1969年生，教授級高級工程師，研究方向為機車電力牽引控制、列車網(wǎng)絡控制技術。

Research on Open-Circuit Fault Diagnosis and Fault-Tolerant Control Scheme for Rectifier Main Circuits

Cheng Shu1Li Wei2，1Chen Tefang1Ding Rongjun3Zhang Guixin1
（1.School of Traffic&Transportation Engineering of Central South UniversityChangsha410075China
2.School of Information Science and Engineering of Central South UniversityChangsha410075China
3.CSR Zhuzhou Institute Co.LtdZhuzhou412001China）

A novel open circuit fault diagnosis method and the corresponding fault tolerant scheme are proposed in this paper to prevent traction converters breakdown from one leg open circuit fault.When an open circuit occurs in any leg of the traction converter，the newly proposed method can generate an indication accurately to the faulty leg rapidly without additional sensor.Furthermore，the faulty converter can be reconfigured to maintain its full rate operation.The fault diagnosis and locate process only utilize the converter's input/output voltages，which are the most common parameters in the converter control.No extra sensors are needed.The diagnosis process and the control triggering signal are not related to the load variation.The fault tolerant process employs 5 additional switches to reconfigure the connection between the traction converter and the traction transformer without changing the original devices.All the 5 switches are working under the zero voltage and zero current condition.Simulation and experiment are proceeded to verify the effectiveness of the theoretical analysis.

Rectifier，fault diagnosis，fault locate，fault tolerant control

TM46

國家自然科學基金資助項目（61273158）。

2015-03-23改稿日期 2015-06-04