基于最近電平逼近調(diào)制的IGBT開(kāi)路故障診斷方法

榮飛，孫克強(qiáng)

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引言

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

文獻(xiàn)[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(gè)橋臂直接連接兩個(gè)不同頻率和電壓幅值的三相交流系統(tǒng)，大大降低了設(shè)備體積和生產(chǎn)成本。文獻(xiàn)[6]采用雙pr控制跟蹤兩種頻率的電流，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)最大功率跟蹤控制，利用環(huán)流和中性點(diǎn)電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)功平衡。多電平變換器全橋子模塊(FBSM)中IGBT頻繁開(kāi)通和關(guān)斷，使得IGBT容易發(fā)生短路或開(kāi)路故障。IGBT短路故障需要在10μs內(nèi)完成故障檢測(cè)并關(guān)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(cè)及實(shí)施保護(hù)。開(kāi)路故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)立刻崩潰，但會(huì)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(shù)能夠提高系統(tǒng)可靠性[7－10]。

文獻(xiàn)[11]采用簡(jiǎn)單硬件電路檢測(cè)子模塊運(yùn)行工況結(jié)合驅(qū)動(dòng)信號(hào)快速完成故障診斷。文獻(xiàn)[12]提出了一種利用棧式稀疏自動(dòng)編碼器作為學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，利用深度學(xué)習(xí)方式分類(lèi)、提取原始故障數(shù)據(jù)特征，輸入Softmax分類(lèi)器得到故障分類(lèi)結(jié)果。文獻(xiàn)[13]運(yùn)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(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障定位。文獻(xiàn)[14－15]高度依賴(lài)大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，計(jì)算成本很高，增加了控制器計(jì)算負(fù)擔(dān)，在線(xiàn)實(shí)現(xiàn)困難。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于自適應(yīng)觀測(cè)器的故障檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[17－19]采用卡爾曼濾波器理論，將預(yù)測(cè)估計(jì)值與檢測(cè)值進(jìn)行比較，判斷IGBT是否發(fā)生開(kāi)路故障，但是設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜且計(jì)算量比較大。

綜上所述，本文對(duì)全橋子模塊中IGBT開(kāi)路故障特性進(jìn)行分析，提出基于NLM調(diào)制策略的IGBT開(kāi)路故障診斷定位方法。根據(jù)NLM調(diào)制策略對(duì)子模塊電容電壓采樣值的排序，計(jì)算其中位數(shù)作為同一橋臂子模塊電容電壓預(yù)測(cè)值，與實(shí)測(cè)值對(duì)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(jìn)行故障IGBT定位。

1 全橋子模塊結(jié)構(gòu)與工作原理

全橋子模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，T1—T4為可關(guān)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(guò)改變FBSM四個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)信號(hào)，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(dǎo)通，“0”為IGBT斷開(kāi))，輸出電壓為＋UC。

2)負(fù)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(diào)制策略采用最近電平逼近調(diào)制策略(NLM)實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡控制，橋臂投入子模塊個(gè)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(shí)FBSM正投入，Num為負(fù)時(shí)FBSM負(fù)投入，跟據(jù)ip方向和子模塊電容電壓排序結(jié)果，選擇性投切子模塊，實(shí)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(kāi)路故障分為以下3種:正投入狀態(tài)下發(fā)生故障；負(fù)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(jiǎn)稱(chēng)“正投入故障”“負(fù)投入故障”“切除故障”)。IGBT開(kāi)路故障運(yùn)行狀態(tài)見(jiàn)表1。

表1 IGBT開(kāi)路故障運(yùn)行狀態(tài)

1)正投入故障:當(dāng)ip>0時(shí)，F(xiàn)BSM正常運(yùn)行；當(dāng)ip<0時(shí)，T1或T4發(fā)生開(kāi)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(fù)投入故障:當(dāng)ip>0時(shí)，T2或T3發(fā)生開(kāi)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(dāng)ip<0時(shí)，F(xiàn)BSM正常運(yùn)行。

3)切除故障:當(dāng)ip>0時(shí)，T2或T3發(fā)生開(kāi)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(dāng)ip<0時(shí)，與T1或T4發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)同理。

2.2 故障診斷方法

由故障特性分析可知，IGBT開(kāi)路故障對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)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(huì)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(shí)際值高于正常工作狀態(tài)下UC。因此可以通過(guò)監(jiān)測(cè)FBSM實(shí)際UC與期望電壓值的差異程度，當(dāng)差值超過(guò)所設(shè)定閾值β時(shí)，判定該FBSM發(fā)生故障。

根據(jù)NLM調(diào)制策略的原理可知，采用NLM調(diào)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(diào)制策略對(duì)子模塊電容電壓值的排序，計(jì)算其中位數(shù)作為FBSM期望電壓值α，不需要占用過(guò)多的計(jì)算資源。

在單個(gè)NLM調(diào)制周期內(nèi)，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(diào)制周期，s。

根據(jù)NLM調(diào)制原理建立模型模擬計(jì)算過(guò)程，NLM模型計(jì)算流程如圖2所示。將N個(gè)FBSM電容電壓賦不同的初始值，模擬電容充電C次的過(guò)程對(duì)電容電壓從小到大排序，相對(duì)較低電壓的An個(gè)電容充電值設(shè)為Kn；模擬電容放電H次的過(guò)程對(duì)電容電壓從大到小排序，相對(duì)較高電壓的Bn個(gè)電容放電值設(shè)為Pn；計(jì)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(nèi)隨機(jī)生成一個(gè)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(yùn)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(jì)算流程

根據(jù)流程圖2進(jìn)行仿真，設(shè)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(jì)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(diào)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(diào)制排序后，計(jì)算出期望電壓值α，各電容電壓值依次與α做差，當(dāng)差值超過(guò)所設(shè)定閾值β時(shí)，判定該子模塊發(fā)生開(kāi)路故障。為了避免噪聲干擾造成誤判斷，當(dāng)故障信號(hào)產(chǎn)生并持續(xù)周期數(shù)大于z(z＝5)時(shí)，判斷該FBSM發(fā)生故障，進(jìn)入IGBT開(kāi)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T(mén)1、T2、T3、T4的故障診斷信號(hào)，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(shí)，負(fù)投入故障只發(fā)生在iarm>0時(shí)。因此可以通過(guò)FBSM發(fā)生故障時(shí)橋臂電流方向來(lái)縮小發(fā)生故障IGBT的范圍。同時(shí)，根據(jù)IGBT故障造成FBSM的UC快速升高作為判別依據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障IGBT的定位。

3 容錯(cuò)控制

全橋子模塊三種運(yùn)行模式，當(dāng)一種運(yùn)行模式發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，只使用另外兩種運(yùn)行模式，改變NLM排序方式實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。其中T1或T2發(fā)生故障時(shí)，切除狀態(tài)觸發(fā)T3和T4；T3或T4發(fā)生故障時(shí)，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(fù)投入故障為例(正投入故障同理):在正投入周期內(nèi)，按照正常NLM調(diào)制策略進(jìn)行調(diào)制；在負(fù)投入周期和iarm>0時(shí)，UCF不參與排序，投入子模塊電容電壓值最高的k個(gè)FBSM，故障FBSM一直保持切除狀態(tài)；iarm<0時(shí)，UCF排序在最后，投入子模塊電容電壓值最低的k個(gè)FBSM，只在子模塊需要全部投入時(shí)，投入FBSM進(jìn)行短暫的充電。

圖6 故障容錯(cuò)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(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型驗(yàn)證IGBT開(kāi)路故障診斷策略，設(shè)置仿真時(shí)間1s時(shí)，橋臂1中第一個(gè)FBSM開(kāi)關(guān)管T1發(fā)生開(kāi)路故障。仿真參數(shù)見(jiàn)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(yùn)行在1~1.034 s時(shí)，橋臂電流為ip>0；當(dāng)仿真運(yùn)行到1.034 s時(shí)，ip<0并運(yùn)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(yùn)行在1~1.034 s時(shí)，由于ip>0，開(kāi)關(guān)管T1發(fā)生開(kāi)路故障，但是故障特性并沒(méi)有顯現(xiàn)，各FBSM的電容電壓值保持高度一致。當(dāng)仿真運(yùn)行到1.034 s時(shí)，ip<0并運(yùn)行在正投入周期，第一個(gè)FBSM電容電壓UC1因放電失敗保持不變，故障特性開(kāi)始顯現(xiàn)，驗(yàn)證了前文IGBT開(kāi)路故障特性分析。仿真運(yùn)行到1.039 s時(shí)，電容電壓UC1與橋臂子模塊電容電壓中位數(shù)差值超過(guò)設(shè)定閾值，完成對(duì)故障子模塊的診斷。故障特性顯現(xiàn)至診斷完成，時(shí)間小于4 ms，相較于文獻(xiàn)[17]故障診斷速度較快。同時(shí)進(jìn)入故障定位模式，將IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)置為T(mén)1＝1、T3＝0、T2＝0、T4＝0后，UC1再次升高，判別T1為故障開(kāi)關(guān)管，完成故障定位。

圖8 子模塊電容電壓波形

4.2 容錯(cuò)控制仿真分析

未采用容錯(cuò)控制電容電壓仿真曲線(xiàn)如圖9所示，發(fā)生開(kāi)路故障后未采用容錯(cuò)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(cuò)控制電容電壓仿真曲線(xiàn)

采用容錯(cuò)控制電容電壓仿真曲線(xiàn)如圖10所示，當(dāng)故障診斷和定位后，采取容錯(cuò)控制，故障子模塊正負(fù)投入運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)閱我贿\(yùn)行方式，電容電壓仍然能夠保持平衡。子模塊電壓波動(dòng)范圍增大，波動(dòng)率維持在5%以?xún)?nèi)。故障子模塊電容電壓在正常投入時(shí)可以快速跟蹤上橋臂各子模塊電容電壓，當(dāng)強(qiáng)制切除時(shí)，電容電壓保持不變。

圖10 采用容錯(cuò)控制電容電壓仿真曲線(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)全橋子模塊IGBT開(kāi)路故障特性進(jìn)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(shí)測(cè)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(guò)多的計(jì)算資源，同時(shí)能夠快速地實(shí)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(jìn)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(fù)投入運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)閱我贿\(yùn)行方式的容錯(cuò)控制策略。仿真驗(yàn)證了對(duì)IGBT開(kāi)路故障特性的分析和所提出故障診斷與定位方法和容錯(cuò)控制策略的有效性。