基于開關模態頻率特征的船舶儲能變流器故障在線檢測方法

黃鶴， 肖飛， 楊國潤 ， 麥志勤

(1.海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，湖北 武漢 430033；2.中國船舶集團第七一一研究所，上海 201108)

0 引 言

隨著船舶電網的發展，大功率脈沖性負載的應用越來越廣泛，其影響日益嚴重。利用儲能裝置(如超級電容)可以使大功率脈沖性負載安全地接入船舶中壓直流系統,平滑脈沖功率,減小脈沖性負載造成的母線電壓振蕩。DC/DC儲能變換器在船舶電力系統中負責連接儲能裝置與直流母線, 可實現對儲能裝置的充放電控制及能量流動管理，是現代船舶電力系統中的關鍵設備。

三電平BUCK-BOOST雙向變流器具有高壓大功率、升降壓、雙向饋能以及簡單高效等優點，廣泛應用于船舶、軌道交通以及電動汽車儲能系統與直流微網等重要領域[1-2]。作為變流器核心部件，IGBT的故障率高達34%[3]，已成為系統安全、可靠運行的關鍵。然而不同于短路故障，IGBT開路故障缺乏有效保護措施，可能誘發電流畸變進而引發二次事故[4-5]。因此，及時有效地檢測出三電平BUCK-BOOST雙向變流器IGBT開路故障具有重要意義[6]。

變流器IGBT開路故障檢測技術一直是國內外學術與工程界關注的熱點，其基本方法總體上可分為基于信號和模型兩大類[7-11]。信號檢測方法通過測量可反映故障的特征信號變化對故障進行診斷，典型的特征信號包括電流平均值、均方根和斜率，線電壓以及母線磁場等[12-20]。Yahyaoui R等測量開關管壓降或電感電壓并與門控信號比較，可在幾個開關周期內快速檢測和識別開關故障，但需外加傳感器[12-13]。Shahbzai M.等利用系統中現有的電流傳感器檢測電感電流斜率并與門極信號對比以檢測Boost升壓變流器開路故障[13]。Ribeiro E等針對交錯升壓變流器提出了輸入電流導數和輸入電流演化的方法[15-16]。然而，這些方法采樣率要求高，且在電流或電壓紋波較小時故障檢測不準確[17]。

基于模型的方法采用實際功率變流器的測量輸出和模型預測輸出的差值進行診斷[21-22]。模型法包括等價空間法、狀態估計法[23-24]等，對于系統模型和參數的精確度要求很高，不適用于工況變化較大的變流器。Poon J等分析了變流器不同類型故障的檢測和識別，變流器電路參數可能會因制造和老化而變化，而該方法建模參數不能實時調節，導致魯棒性較差[25]。為此，Jain P等為浮動交錯升壓變換器和兩相交錯升壓變流器設計了滑模觀測器和帶反饋的魯棒觀測器[26-27]。此外，Wassinger N等引入了具有均勻反饋的狀態觀測器，通過反饋調節可以提高建模誤差的魯棒性，但該類方法需要添加額外設備[28]。

為提高船舶儲能三電平BUCK-BOOST雙向變流器IGBT開路故障的檢測速度及工況魯棒性，論文提出一種基于開關模態頻率特征的故障檢測方法。與傳統的紋波幅值檢測不同，該方法在線提取開關模態分量時頻特征，本質上屬于一種基于時間信息的故障檢測方法。首先對三電平BUCK-BOOST雙向變流器輸入端電流進行自適應模態分解，然后提取開關模態本征頻率特征對IGBT開路故障進行快速檢測，最后通過電壓差值判斷故障位置。通過MATLAB仿真與小功率樣機實驗中對基于開關模態頻率特征的開路故障檢測有效性和工況魯棒性進行了驗證。

1 變流器開路故障電流紋波特性研究

圖1為三電平BUCK-BOOST雙向變流器拓撲結構圖，其中：Ua為直流電源；Sx和Dx為變流器中IGBT開關管及其反并聯二極管，x=1A、2A、3A、4A、1B、2B、3B、4B；Lin與Lo分別為BOOST和BUCK側等效電感；C1與C2為電容；Vc1和Vc1分別為電容C1與C2上的電壓；Iin和Vin分別為BOOST側輸入端的電流以及電壓；Io和Vo分別為BUCK側輸出端的電流以及電壓。由于BOOST側變流器與BUCK側變流器的結構完全相同，本文以BOOST側變流器為例進行研究說明。

圖1中S1A與S2A、S3A與S4A控制方式均為互補方式。圖2給出三電平BUCK-BOOST雙向變流器BOOST側變流器電流工作的四個模態。

圖1 三電平BUCK-BOOST雙向變流器的拓撲結構圖Fig.1 Topology diagram of a three-level BUCK-BOOST bidirectional converter

圖2 BOOST側變流器電流工作過程Fig.2 Current operation process in BOOST converter

對于三電平雙向變流器中的BOOST側變流器，S1A和S4A不參與電路實際工作過程，其開路故障不影響電路運行狀態。正常運行時，理想狀態下電流Iin紋波頻率等于開關頻率的兩倍；而在開路故障發生后，紋波頻率等于開關頻率的兩倍的特性(二倍頻)消失。在S2A/S3A發生開路故障后，電流Iin中固有的開關模態分量發生改變。通過對電流Iin信號進行時頻分析，提取開關模態分量的故障特征，可用于變流器的開路故障檢測。在S2A/S3A發生開路故障后，電壓Uc1和Uc2將出現電壓差ΔUc，據此可進一步分辨出故障器件的具體位置。相對應地，三電平雙向變流器中的BUCK側變流器也具有相似的故障特性。

圖3 不同工況下BOOST側電流Iin對比Fig.3 Comparison of Iin in BOOST converter under different conditions

2 基于開關模態頻率特征的故障檢測原理

2.1 變流器電流開關模態分解

根據前文分析，三電平BUCK-BOOST雙向變流器運行電流中包含與功率器件開關狀態相關的模態分量。為了準確地提取開關模態分量，采用經驗模態分解(EMD)對變流器運行電流進行模態分解[29]，自適應地分解成不同的本征模態函數(IMF)分量和殘余分量r，具體步驟如下：

1)首先利用系統自身電流傳感器獲取變流器電流信號i(t)，并找出所有極大值和極小值點；

2)分別對電流信號的極大值點和極小值點進行三次樣條插值擬合，獲取電流信號的上包絡線imax(t)和下包絡線imin(t)；

3)計算上下包絡線信號imax(t)和imin(t)的平均值，得到imean(t)；

4)將原始電流信號i(t)減去平均值imean(t)，得到新的序列iupd(t)；

5)檢驗新序列iupd(t)是否符合本征模態函數的條件[30]。若符合條件，則定義iupd(t)為i(t)的第一個IMF分量，IMF1(t)=iupd(t)；若不符合條件，則將新序列iupd(t)視為原始信號i(t)，重復步驟(1)～步驟(4)，直至滿足本征模態函數條件。定義ic1(t)為：

(1)

6)將r1(t)=i(t)-ic1(t)視為新的原始信號，重復步驟(1)～步驟(5)，得到其余的本征模態函數IMF2(t)～IMFn(t)。原始電流信號i(t)的模態分解可表示為

(2)

7)如果檢測到IMFn+1(t)信號為單調函數，或缺失極大值/極小值點，則將該信號記為殘差r，結束開關模態分解步驟。

2.2 開關模態頻率特征提取

通過對變流器電流進行模態分解可以得到開關模態分量，進一步地通過希爾伯特(Hilbert)變換提取開關模態的頻率特征。假設x(t)為一個連續的時域信號，Hilbert變換[31]的表達式為

(3)

由式可知，Hilbert變換可以等效為x(t)和1/t的卷積。采用極坐標表達式可以更好地展示信號局部特征，將x(t)和y(t)分別作為一個復共軛對的實部和虛部，得到解析函數

z(t)=a(t)ejθ(t)=x(t)+jy(t)。

(4)

其中：

(5)

式中a(t)和θ(t)分別為解析函數z(t)的瞬時幅值和相位角。進一步地，可以獲取信號的瞬時頻率特征，計算公式為

(6)

2.3 變流器開路故障檢測步驟

三電平BUCK-BOOST雙向變流器中發生IGBT開路故障時，電流Iin的開關模態頻率特征發生減半及電容電壓出現偏差，據此可對開路故障進行檢測和定位，具體步驟如圖4所示。

圖4 三電平BUCK-BOOST變流器開路故障檢測流程圖Fig.4 Flow chart of open-circuit fault detection for 3-level BUCK-BOOST converter

1)系統初始化，確定IGBT開關頻率fsw；

2)采集BOOST側電流Iin，采集電壓Uc1/Uc2；

3)對輸入電流Iin進行經驗模態分解；

4)提取開關模態分量的頻率特征f1;

5)計算S=f1/fsw。若S=2，則輸入側電流Iin中開關模態頻率特征f1為二倍開關頻率，變流器未發生開路故障；反之，變流器發生開路故障；

6)計算Uc1與Uc2的電壓差值ΔUc，若ΔUc<0，則S3A發生開路故障；若ΔUc>0，則S2A發生故障。

實際系統中一旦檢測到變流器IGBT開路故障可以立刻采取故障隔離、維修以及容錯等措施，以確保系統安全，可靠運行。通過封鎖門極脈沖可實現故障隔離和變流器安全停機，防止IGBT開路故障引起的直流電容電壓不均衡以及開關諧波顯著增大的危害。待系統安全停機后，根據檢測得到故障器件位置信息可實施狀態維修，有效提高維修效率。對于要求不間斷運行的高可靠性系統，可通過硬件重構或容錯控制等手段在允許犧牲一定變流器性能(如諧波、效率、成本等)的前提下維持系統持續運行[32]，相關工作有待進一步研究。

3 仿真驗證

在MATLAB仿真軟件中建立了MW級船舶超級電容器儲能三電平BUCK-BOOST雙向變流系統仿真模型，其中超級電容Co=0.3 F/5 kV，額定輸入C1=C2=8 mF，直流電抗器L1=L2=4 mH，額定電流196 A，額定開關頻率fsw=1.25 kHz。

3.1 正常運行狀態仿真驗證

三電平BUCK-BOOST雙向變流器采用如圖3(a)所示的PWM調制策略。變流器輸入電流Iin中包含多種模態分量，如基波模態分量、開關模態分量、高頻諧波模態分量等。采用EMD分解方法對輸入電流Iin信號進行模態分解。

如圖5所示，變流器電流可自適應地分解成4個IMF分量和1個殘余分量r，IMF1到IMF4的頻率逐漸遞減。每一個IMF分量均對應著輸入電流Iin信號中包含的不同頻率分量，共同反映輸入電流Iin信號中的頻率信息特征。如圖6所示，IMF1分量的頻率主要分布在2.5 kHz附近，IMF2、IMF3和IMF4分量為電流中的低頻振蕩分量，殘余分量r為電流中的直流分量。IMF1分量為變流器輸入電流Iin信號中開關模態分量的本質體現。

圖5 正常運行條件下輸入電流Iin的本征模態分量Fig.5 Intrinsic modal component of input current Iin during normal operation

圖6 正常運行條件下變流器不同模態分量的頻率特征 Fig.6 Frequency freatures of different converter intrinsic modal components during normal operation

由前文分析，變流器中的IGBT發生開路故障時，從而導致輸入電流Iin信號中包含的固有開關模態分量的頻率會瞬時改變。圖6中，IMF1、IMF2、IMF3和IMF4的頻率特征分別為f1、f2、f3和f4。開關模態分量的頻率特征f1可作為三電平BUCK-BOOST變流器IGBT開路故障判據。正常運行工況下，f1為2.5 kHz上下，是IGBT開關頻率fsw=1.25 kHz的2倍。

3.2 開路故障仿真驗證

采用封鎖變流器IGBT觸發脈沖的方式模擬開路故障。開路故障起始時間設置為1.40 s，圖7給出了S3A發生開路故障前后輸入電流Iin開關模態分量的f1及電壓差值ΔUc波形。在1.40 s時S3A開路后，輸入電流Iin的開關模態分量頻率從2.5 kHz降為1.25 kHz，據此可判斷出IGBT發生開路故障。進一步可以對開路故障進行定位，在1.40 s前，變流器正常工作，Uc1與Uc2的值基本相等；在1.40 s時，S3A開路，Uc1下降，Uc2上升，ΔUc變為負值，由此可以判定S3A開路。

圖7 額定負載條件下S3A開路檢測結果Fig.7 S3A open circuit fault detection under nominal load

為驗證開關模態頻率特征在不同工況下的魯棒性，論文將三電平BUCK-BOOST雙向變流器輸入電流Iin調整為18 A，開關頻率調整為4 kHz。仿真結果圖8表明：在變流器輕載運行條件下，f1在1.40 s開路故障時發生突變。ΔUc<0，可判定S3A開路。

圖8 輕載運行條件下S3A開路檢測結果Fig.8 S3A open-circuit fault detection at light load

仿真進一步驗證了開關模態頻率特征適應工況動態變化的能力。如圖9所示，變流器輸入電流Iin突然從32 A提升到200 A。此時輸入電流Iin中開關模態分量的頻率特征基本保持不變，不會引起故障誤診斷。

圖9 工況動態變化條件下的仿真結果Fig.9 Simulation results under dynamic condition

4 實驗驗證

為了驗證利用開關模態頻率特征進行開路故障檢測法的有效性，論文搭建了圖10所示實驗系統，具體參數見表1。模擬開關管開路故障時，輸入電流的實驗波形與暫態時頻特征如圖11與圖12所示。針對實驗系統，相應的故障瞬態時頻特征仿真結果如圖13。

圖10 實驗平臺Fig.10 Experimental system

圖11 開路故障時輸入電流實驗波形圖Fig.11 Measured waveform of input current during open-circuit fault

圖12 開路故障時瞬態時頻特征實驗波形圖Fig.12 Measured transient time-frequency features during open-circuit fault

圖13 開路故障時瞬態時頻特征仿真波形圖Fig.13 Simulation waveform of transient time-frequency features during open-circuit fault

表1 實驗系統基本參數

對比實驗與仿真結果可知，在開路故障發生的一個開關周期內(0.1 ms)，開關模態分量頻率特征f1從20 kHz突變為10 kHz，據此可判定IGBT發生開路故障。實驗結果與仿真及理論分析相一致。

5 結 論

論文在分析IGBT開路故障時三電平BUCK-BOOST雙向變流器輸入電流的故障特性的基礎上，提出一種利用電流中固有的開關模態頻率特征變化檢測變流器開路故障的方法。仿真與實驗驗證了該方法的可行性與有效性，研究結果表明：

1)IGBT功率器件開路會導致變流器輸入電流中的開關模態分量特性發生改變，其頻率特征在開路后大幅降低，利用開關模態分量的頻率特征，可以在幾個開關周期尺度內快速檢測出IGBT功率器件的開路故障。

2)開關模態頻率特征對變流器功率變化不敏感，可在不同工況下準確地檢測出開路故障，具有良好的動態檢測性能和魯棒性。