一種三相重構逆變器的故障診斷方法

黃剛，潘群瓊，張正曉，馮文碧，黎燕

（1．浙江溫州永嘉縣電力實業有限公司，浙江 溫州 325100；2．中南大學自動化學院，湖南 長沙 410083）

三相逆變器廣泛應用于微電網、光伏產業、軌道交通等領域，其安全可靠性具有重要意義。但逆變器中的功率開關器件因多次通斷、電流諧波、負荷過大等原因很容易發生故障甚至損壞，一旦功率開關器件發生故障，輕則影響其輸出性能，嚴重時會威脅系統安全[1-4]。

為了避免故障所帶來的安全隱患及損失，故障診斷技術成為三相逆變器的研究熱點[5-9]。功率開關器件的故障主要是短路故障和開路故障。其中短路故障的發生過程非常短暫，在工程上通常會采用硬件電路先保護電路，即利用快速熔斷器將其轉換為開路故障。開路故障造成的影響不如短路故障激烈，但是如果不能夠快速地將故障檢測出并隔離，可能引起二次故障的發生，增加維修成本，嚴重的會造成重大事故。因此本文提出一種應用于三相逆變器、成本低且能提高可靠性的故障診斷方法。

1 三相重構逆變器拓撲結構

三相重構逆變器拓撲如圖1所示。Udc是直流電源，V1-V6是功率開關器件。逆變器輸出側的濾波電路采用了LC濾波器，Lf和Cf為濾波器的電感和電容，Zline是負載等效阻抗。其中 TRac、TRab、TRa和TRo是可控雙向開關。在逆變器正常運行時，TRac、TRab、TRo保持關閉，TRa保持導通。C1和 C2是直流側兩個容值相等的電容。逆變器正常工作時，其拓撲結構是三相六開關型。當逆變器中的功率開關器件發生開路故障時，通過可控雙向開關的通斷使逆變器電路重構，直流側電容作為其中一相，形成三相四開關型。利用重構后直流側中點電壓信息進行故障診斷，確保逆變器故障后能繼續運行，提高可靠性。

圖1 三相重構逆變器電路

2 故障診斷過程及分析

首先定義本文所用的直流側中點電壓，即三相逆變器直流側中點o到負載側中點電壓之差，可表示為uon：

上式中的直流側中點電壓是逆變器正常工作時獲取的，可作為參考直流中點電壓。同時定義開關量Sx表示三相橋臂功率管的開關狀態：

式中，x＝｛a，b，c｝表示三相中的任一相。以 a相功率開關器件V1或V2發生開路故障為例進行故障診斷過程分析，當V1發生故障時，直流側中點電壓的值為：

而V2故障和V1故障的情況相反，因此V2故障后的直流側中點電壓可表示為：

為了清晰地觀察故障前后的直流側中點電壓變化，將直流側中點電壓測量值和參考值之間的偏差設為：

將六個開關狀態的值分別代入式（3）、（4）和（5）中，可以得到V1和V2故障時的直流側中點電壓及其相應的偏差值，如表1所示。

表1 正常模式和V1，V2故障時的直流側中點電壓及其偏差

從表1中可知，當Sa＝0，即當開關狀態為100、101、110時，由于V1故障時的直流側中點電壓和正常模式一樣，其偏差值保持為0；當Sa＝1時，即開關狀態為001、010、011時，V1故障會使直流側中點電壓偏差出現正值。而V2故障后的直流側中點電壓在Sa＝1時為0，在Sa＝1時為負，即上橋臂故障后的直流側中點電壓偏差總會出現正值，而下橋臂故障時則為負值。因此利用直流側中點電壓偏差的極性便可以實現功率管開路故障的檢測并且診斷出故障管為上橋臂或者下橋臂。于是直流側中點電壓偏差的極性定義為：

當J的值為Z時，代表逆變器運行正常；當J＝P時，表示上橋臂發生故障；當J＝N時，表示下橋臂發生故障。需要注意的是，由于中性點電壓偏差絕對值有 udc／6、udc／3 兩個取值，且皆大于 udc／6，因此式（6）的閾值 Uth在本文中設為 udc／6。

由于逆變器的三相相互獨立并且呈對稱關系，因此b、c兩相單個功率管故障后的直流中點電壓及偏差有類似的推導過程。

表2 功率管故障后直流中點電壓偏差

因此利用直流中點電壓偏差便可以實現功率管開路故障的檢測并且診斷出故障管為上橋臂或者下橋臂。

若已檢測到故障位于上橋臂，進行第一次拓撲重構，關閉TRa、導通TRo、使a相被直流側電容代替，其等效電路結構如圖2所示。圖中的a＇代表重構后的新相位。需要注意的是由于三相逆變器的拓撲變換會使等效電路發生變化，從而導致直流側中點電壓的參考值也隨之變化，因此在每次變換后都需要重新對新電路中直流側中點電壓進行分析。

圖2 重構后的逆變簡化電路

圖2中，假定故障位于a相，重構后直流側中點電壓的參考值為：

重構后直流側中點電壓與式（7）一致，即：

因此直流側中點電壓的偏差極性為0，判定V1故障?？梢缘玫疆斏蠘虮郯l生故障時逆變器重構后的直流側中點電壓，從而獲得其極性，進行故障所在相的診斷。

為了能清晰地描述逆變器拓撲重構后直流側中點電壓偏差的變化情況，同樣設定診斷標志Ji（i＝1，2）來分別代表第一、二次變換時的直流側中點電壓偏差極性：

這里的偏差閾值Uth1，2是考慮了誤差范圍，所以不為0。利用拓撲重構方法可以實現單個故障管的診斷過程，如圖3所示。

圖3 基于拓撲重構的故障診斷方法

在圖3中，當逆變器發生故障，首先通過直流側中點電壓偏差的極性J判斷出故障功率管在上橋臂還是下橋臂；然后進行拓撲重構，重新獲取直流側中點電壓，獲取其極性J1，若J1為Z，可以判斷出故障發生在a相，從而診斷出故障功率器件；若J1不為Z，故障相不在a相，進行第二次重構，重新獲取直流側中點電壓，獲取其極性J2，若J2為Z，可以判斷出故障發生在b相，反之在c相，從而診斷出故障功率器件。

3 仿真與分析

為了驗證本文所提故障診斷方法在三相逆變器上的有效性，在Matlab／Simulink上進行仿真。本節將以上橋臂V1、V3、V5故障為例進行分析，仿真時間為0．5s，相關的參數如表3所示。

表3 仿真參數

本小節對本文所提故障診斷算法進行了仿真驗證，但需要注意的是以下的仿真均沒有使用容錯控制策略，因此三相電壓并不會恢復正弦。圖4為使用電容法時功率管V1發生開路故障后的仿真結果，設置在 t＝0．246s時發生故障。

圖4 V1故障時的仿真結果

從圖4（a）可以看出，當V1發生開路故障后，由于在第一次變換時直流側電容會替代a相橋臂從而將V1故障從電路中排除，三相電壓中的b、c兩相電壓會保持穩定，且由于沒有使用容錯控制策略，a相電壓會在零值上下浮動。圖4（b）顯示診斷所需時間為0．21ms，證明電容法能快速診斷出a相故障。

圖5為功率管V3發生開路故障后的仿真結果，設置在 t＝0．24s時發生故障。

圖5 V3故障時的仿真結果

從圖5（a）可以看出，由于當V3發生開路故障、在第一次重構時a相橋臂被直流側電容替代，并沒有定位到故障管，在第二次重構時才用原始a相替代了b相，從而將V3故障排除在電路之外，因此b，c兩相電壓在發生一定的電壓畸變后同樣會保持穩定且a相電壓會在零值上下浮動。圖5（b）顯示電容法能成功診斷出b相故障，診斷所需時間為0．395ms，比診斷V1故障所花的時間要長。

圖6為功率管V5發生開路故障后的仿真結果，設置在 t＝0．253s時發生故障。

圖6 V5故障時的仿真結果

圖6（a）顯示最后的三相電壓和圖5（a）的類似，但是期間發生的電壓畸變持續時間較之圖5（a）要更長，這是由于當V5發生開路故障時，在兩次變換過程中，V5始終存在于電路之中，直到在第三次重構時才會將V5排除。圖6（b）顯示電容法可以診斷出c相故障，診斷所需時間為0．45ms。

以上的仿真結果表明電容法可以快速地定位故障管，其診斷a相故障的速度要快于診斷b相和c相故障，且由于該方法在進行拓撲變換時總會將電路重構為三相四開關結構，因此其在結合容錯控制策略后可以實現故障逆變器的快速容錯，提升了逆變器的可靠性。

4 結論

本文提出一種三相重構逆變器的故障診斷方法，當逆變器中的功率開關器件發生開路故障，通過計算直流側中點電壓并重構逆變器拓撲結構，使其從三相六開關拓撲轉換成三相四開關結構，再利用直流側中點電壓偏差極性進行故障診斷。且本文的逆變器重構拓撲結構后，結合控制算法實現了逆變器故障后的容錯運行，大大提高了系統的安全可靠性，通過仿真驗證了該方法能快速診斷出逆變器中任一故障功率開關。