于晶榮, 張剛, 邱均成, 王益碩, 孫健文

(中南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,湖南 長沙 410083)

0 引 言

級(jí)聯(lián)H橋多電平逆變器(cascaded H-bridge multilevel inverter, CHBMLI)因其具有易于模塊化、高壓大容量和諧波失真低等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于電氣化鐵路與城市軌道交通的牽引系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、高壓直流輸電、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和無功補(bǔ)償?shù)葓?chǎng)合[1-4]。

由于CHBMLI采用了大量的半導(dǎo)體開關(guān)來獲得高質(zhì)量的輸出功率,因此它面臨的主要困境是開關(guān)失效的概率升高[5]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)和調(diào)查,開關(guān)故障大約占整個(gè)逆變器系統(tǒng)故障的近三分之一[6]。開關(guān)管的故障通?？梢苑譃殚_路故障(open-circuit fault, OCF)和短路故障(short-circuit fault,SCF)。SCF造成的影響非常迅速,通常由硬件方案解決[7]。在OCF情況下,由于固有的開關(guān)冗余,CHBMLI可以繼續(xù)運(yùn)行,但其輸出質(zhì)量降低。然而,這可能使其他健康開關(guān)的電壓應(yīng)力增加,并可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)損壞。所以,OCF診斷速度與準(zhǔn)確性對(duì)于系統(tǒng)持續(xù)可靠運(yùn)行十分關(guān)鍵[8-9],也直接關(guān)系到容錯(cuò)控制策略的選擇。

近些年,OCF故障診斷方法被廣泛研究[10-18]?，F(xiàn)有多電平逆變器的OCF故障診斷方法包括基于模型、基于智能算法和基于信號(hào)三類方法。文獻(xiàn)[10]中每個(gè)CHB支路都用一個(gè)電流傳感器和一個(gè)電壓傳感器監(jiān)測(cè)支路的電流和輸出電壓,將測(cè)量的電壓與預(yù)期的電壓進(jìn)行比較,并根據(jù)偏差的大小和電流流向確定開路故障的位置。文獻(xiàn)[11]基于計(jì)算的平均橋臂極電壓與誤差自適應(yīng)閾值,將平均橋臂極電壓偏差作為故障檢測(cè)與識(shí)別的診斷變量,實(shí)現(xiàn)電壓源逆變器單、多管開路故障診斷。文獻(xiàn)[12]采用一個(gè)電壓傳感器測(cè)量CHB的網(wǎng)側(cè)電壓,通過對(duì)CHB網(wǎng)側(cè)電壓估計(jì)值與實(shí)測(cè)值的比較來定位故障?；诖祟惙椒ǖ拈_關(guān)故障診斷,由于開關(guān)器件多且非線性的影響導(dǎo)致建模較為困難。

為了避免建模帶來的困難,相關(guān)學(xué)者采用基于智能算法的故障診斷方法。文獻(xiàn)[13]通過特征分析選取正常模式和8種故障模式下的7個(gè)電壓諧波參數(shù)作為故障特征向量,構(gòu)造一個(gè)三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其中7個(gè)特征向量為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層,從而可以在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)準(zhǔn)確地識(shí)別故障位置。文獻(xiàn)[14]利用d-q變換將三相電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩相來減少故障信息的維數(shù),建立一個(gè)4層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷。文獻(xiàn)[15]提出一種基于小波包變換和支持向量機(jī)的故障診斷方法,提取小波包能量作為故障特征向量,并把該故障特征向量作為支持向量機(jī)的輸入量。該類方法雖然能夠避免診斷精度對(duì)系統(tǒng)模型的依賴性,但是計(jì)算量大且不能用于實(shí)時(shí)的在線診斷。

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的在線診斷,相關(guān)學(xué)者采用基于信號(hào)的故障診斷方法。文獻(xiàn)[16]介紹了一種CHB三電平逆變器故障診斷方法,該方法利用輸出電壓和負(fù)載電流對(duì)應(yīng)的波形特征進(jìn)行故障診斷,解決了H橋中對(duì)角開關(guān)因故障特征相似難以識(shí)別的問題。文獻(xiàn)[17]中的故障診斷不僅考慮單管故障,也考慮了單個(gè)二極管故障以及開關(guān)管和對(duì)應(yīng)二極管同時(shí)故障的情況。文獻(xiàn)[18]中將電平數(shù)增加至五電平,提出了一種精確識(shí)別8個(gè)開關(guān)管的單管故障診斷方法。這類方法與前兩類方法相比,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且容易理解,并且不需要額外的硬件電路,具有較高的實(shí)用性。

由此可見,對(duì)于CHBMI的故障診斷,基于信號(hào)的方法有更大的發(fā)展?jié)摿?。然而?dāng)雙管同時(shí)發(fā)生故障,對(duì)系統(tǒng)的影響更為嚴(yán)重,但是以上方案均考慮單管OCF,對(duì)于雙管OCF的診斷仍有很大的局限。目前對(duì)雙管故障的研究主要集中于三相橋式逆變器,雖然文獻(xiàn)[18]中的方法可以應(yīng)用于三相級(jí)聯(lián)逆變器中雙管故障診斷,但2個(gè)開關(guān)管需要在不同相中分布,而在同一相中每個(gè)H橋均有一個(gè)開關(guān)管發(fā)生故障的雙管故障情況下,該方法便得不到較好的診斷效果。

為了克服以上方案的不足,本文通過分析雙管故障下輸出電壓電流以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特征,提出一種可以精確識(shí)別同相不同H橋雙管故障的診斷方法。

1 CHB五電平逆變器的工作原理

圖1為單相CHB五電平逆變器的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其采用電壓源型逆變單元(H橋)串聯(lián)組成以實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出,諧波分量少、波形畸變小。它包括:2個(gè)H橋(H橋1和H橋2)、8個(gè)帶有反并聯(lián)二極管(D1～D8)的IGBT開關(guān)(S1～S8)、濾波電容C、直流電源Udc、LC濾波器和感性負(fù)載。G1～G8是相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。交流輸出端順序連接,即各單元輸出電壓疊加,進(jìn)而形成一個(gè)總的多電平輸出電壓。實(shí)際系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)模塊的數(shù)量N是由設(shè)備的工作電壓、直流側(cè)電壓和制造成本等決定。

2個(gè)H橋的輸出電壓分別為vo1和vo2,輸出電壓為vo,從圖中可以得出輸出電壓為

vo=vo1+vo2。

(1)

控制方法采用電壓電流雙閉環(huán)控制,2個(gè)H橋輸出電壓和負(fù)載電流作為采樣變量。CHBMLI常用的調(diào)制方法包括載波層疊調(diào)制(level-shifted pulse width modulation,LSPWM)和載波移相調(diào)制(phase-shifted pulse width modulation,PSPWM),與PSPWM相比,LSPWM在高電平與低電平場(chǎng)合都適用,而且具有開關(guān)損耗易優(yōu)化和諧波特性好等優(yōu)勢(shì)。LSPWM包括同向?qū)盈B(phase disposition,PD)、正負(fù)反向?qū)盈B(phase opposition disposition,POD)和交替反向?qū)盈B(alternate phase opposition disposition,APOD)。

相比于其他兩種方法,PD的諧波性能最好,因此采用PD-LSPWM作為調(diào)制技術(shù),PD-LSPWM信號(hào)的產(chǎn)生如圖2所示,其中vm(t)為正弦調(diào)制波信號(hào),c1(t)～c4(t)為4個(gè)幅值不同的高頻三角載波信號(hào)?；赑D-LSPWM的輸出電壓vo和各個(gè)開關(guān)Sx(x=1～8)之間的關(guān)系如表1所示,1和0分別表示開通和關(guān)斷狀態(tài)(對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)也適用)。

表1 vo和Sx的關(guān)系Table 1 Relationship between vo and Sx

圖2 PD-LSPWM信號(hào)Fig.2 Signal of PD-LSPWM

2 CHB五電平逆變器的故障特征分析

為了便于分析故障信號(hào)的特點(diǎn),選取CHB五電平逆變器作為分析和仿真的對(duì)象,主要考慮位于同相不同H橋中雙開關(guān)同時(shí)發(fā)生故障的情況。單相五電平逆變器共有8個(gè)開關(guān),因此上述故障情況總共有16種,如表2所示。

表2 故障情況Table 2 Fault condition

現(xiàn)定義如下變量:Sxoc表示開關(guān)Sx(x=1～8)發(fā)生故障,故障下2個(gè)H橋輸出電壓和負(fù)載電流分別表示為vo1oc、vo2oc和iloc。根據(jù)調(diào)制波和負(fù)載電流的方向,帶有感性負(fù)載的CHBMLI在正常情況下可以分為4種工作模式,如表3所示,對(duì)于其他負(fù)載,上述工作模式不再適用。特定的開關(guān)故障只在一定的工作模式下表現(xiàn)出故障特征,而且H橋中對(duì)角開關(guān)在相同的工作模式下表現(xiàn)出故障特征,即S1、S4、S5、S8和S2、S3、S6、S7分別在模式1和模式2中表現(xiàn)出故障特征,從而減少檢測(cè)計(jì)算量。

表3 工作模式Table 3 Working mode

由于故障情況較多,以S2oc和S8oc的分析為例。在S2oc和S8oc下,每個(gè)H橋及負(fù)載電流輸出波形如圖3所示。對(duì)于H橋1:當(dāng)G4=1,G1=G2=G3=0時(shí),00,H橋2中電流流通方向?yàn)镈7到S5;當(dāng)G6=1,G5=G7=G8=0時(shí),vo2oc≈-Udc,iloc>0,H橋2中電流流通方向?yàn)镈6到D7。

圖3 S2oc和S8oc下的輸出波形Fig.3 Output waveform under S2oc和S8oc

3 基于信號(hào)特征的故障診斷方法

根據(jù)以上分析及故障表提出如圖4所示的故障診斷方法,該故障診斷方法以H橋電壓、負(fù)載電流以及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為診斷變量,主要通過對(duì)雙管故障下H橋中對(duì)角開關(guān)進(jìn)行診斷達(dá)到不同H橋下任意雙管故障的診斷。圖5中變量定義如下:ve1和ve2分別代表2個(gè)H橋?qū)嶋H電壓和參考電壓之間的差值,正常情況下通常在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng),ve1在δvo1l至δvo1h范圍內(nèi)變化,ve2在δvo2l至δvo2h范圍內(nèi)變化;為了提高可靠性,引入w1和w2兩個(gè)變量,分別表示2個(gè)H橋?qū)?yīng)的誤差變化百分比,取為2.5%和3%;Ts為圖3(b)中過渡時(shí)段的起始時(shí)間,與開關(guān)頻率和濾波器參數(shù)等有關(guān);f1、f2和f3為相應(yīng)電壓電流的參考閾值。

圖4 診斷過程Fig.4 Diagnostic process

圖5 相關(guān)變量的定義Fig.5 Definition of related variables

診斷方法具體過程:假定同相不同H橋下的2個(gè)開關(guān)同時(shí)發(fā)生故障,分別檢測(cè)2個(gè)H橋電壓,通過實(shí)際電壓與正常參考電壓的比較判定2個(gè)H橋是否同時(shí)發(fā)生故障,當(dāng)發(fā)生故障后在相應(yīng)的工作模式下采集所需故障信號(hào),進(jìn)而通過診斷邏輯確定H橋中故障開關(guān)的具體位置。變量A、B和F分別用來診斷開關(guān)S1與S4、S2與S3以及S6與S7下的故障。對(duì)于S5和S8的識(shí)別還需進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)刻的判斷,因此在圖5中單獨(dú)標(biāo)出。除了采集驅(qū)動(dòng)信號(hào),對(duì)于開關(guān)S1和S4只需要采集H橋1的輸出電壓,而其余對(duì)角開關(guān)的判定均需采集相應(yīng)H橋電壓和負(fù)載電流。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真分析

基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)故障診斷方法進(jìn)行驗(yàn)證,仿真參數(shù)如表5所示。給定故障規(guī)定如下:對(duì)于2個(gè)故障開關(guān)均在正半周的開關(guān)以及正負(fù)半周各有一個(gè)開關(guān)發(fā)生故障在正半周期給定故障,對(duì)于2個(gè)故障開關(guān)均在負(fù)半周的開關(guān)發(fā)生故障,在負(fù)半周期給定故障。以S1oc和S6oc為例進(jìn)行驗(yàn)證,仿真結(jié)果如圖6所示。

表5 仿真參數(shù)Table 5 Simulation parameters

圖6 S1oc和S6oc下的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result under S1oc and S6oc

在t1時(shí)刻對(duì)開關(guān)S1和S6給定故障,在t2時(shí)刻檢測(cè)到開關(guān)S1故障,在t3時(shí)刻檢測(cè)到開關(guān)S6故障,在t3時(shí)刻S1和S6雙管故障均得到有效診斷。全部開關(guān)故障的診斷時(shí)間如表6所示,由表6可以看出,當(dāng)2個(gè)故障開關(guān)都在同一個(gè)半周內(nèi),診斷時(shí)間均在0.12 ms以內(nèi),而對(duì)于在正負(fù)半周內(nèi)都有分布的故障開關(guān),診斷時(shí)間相對(duì)要長,主要是因?yàn)榘l(fā)生故障后2個(gè)開關(guān)的故障特征并不會(huì)在同一個(gè)半周內(nèi)表現(xiàn)出來。整體而言,仿真達(dá)到預(yù)期效果。

表6 全部故障的診斷時(shí)間Table 6 Diagnosis time of all faults

4.2 對(duì)比分析

對(duì)于基于LSPWM技術(shù)的CHBMI,與文獻(xiàn)[16-18]相比,所提方法考慮了2個(gè)位于同相不同H橋的開關(guān)管同時(shí)發(fā)生故障的情況,當(dāng)發(fā)生故障的2個(gè)開關(guān)管位于同一個(gè)半周時(shí)的診斷時(shí)間和文獻(xiàn)[18]基本一致,對(duì)于雙管故障能夠進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。主要不足是對(duì)于2個(gè)不在同一個(gè)半周內(nèi)的開關(guān)管(即S1和S6、S1和S7、S2和S5、S2和S8、S3和S5、S3和S8、S4和S6、S4和S7)發(fā)生故障后診斷時(shí)間相對(duì)較長,而且開關(guān)管對(duì)應(yīng)的所有二極管均正常工作。與現(xiàn)有方法[19]相比,減少了計(jì)算量且可以實(shí)現(xiàn)在線診斷。

5 結(jié) 論

針對(duì)CHBMI中同相不同H橋雙管同時(shí)發(fā)生故障的問題,本文分析了雙管故障下各故障信號(hào)的特征,提出了一種雙管故障診斷方法。該方法能夠利用以H橋電壓、負(fù)載電流和驅(qū)動(dòng)信號(hào)為采樣變量的信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)有效診斷,與現(xiàn)有方法相比,該方法擴(kuò)展了雙管故障下的拓?fù)錇榧?jí)聯(lián)逆變器,提高了級(jí)聯(lián)逆變器雙管故障下的電平數(shù)目。此外,提高雙管故障檢測(cè)時(shí)間、拓展到更高電平等級(jí)和應(yīng)用到其他調(diào)制技術(shù)將是未來的研究重點(diǎn)。