一種級聯H橋多電平逆變器故障診斷方法

于晶榮, 張剛, 邱均成, 王益碩, 孫健文

(中南大學 自動化學院,湖南 長沙 410083)

0 引 言

級聯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點,已廣泛應用于電氣化鐵路與城市軌道交通的牽引系統、電動汽車、光伏并網發電系統、高壓直流輸電、交流電機驅動和無功補償等場合[1-4]。

由于CHBMLI采用了大量的半導體開關來獲得高質量的輸出功率,因此它面臨的主要困境是開關失效的概率升高[5]。根據相關統計和調查,開關故障大約占整個逆變器系統故障的近三分之一[6]。開關管的故障通常可以分為開路故障(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,由于固有的開關冗余,CHBMLI可以繼續運行,但其輸出質量降低。然而,這可能使其他健康開關的電壓應力增加,并可能導致整個系統損壞。所以,OCF診斷速度與準確性對于系統持續可靠運行十分關鍵[8-9],也直接關系到容錯控制策略的選擇。

近些年,OCF故障診斷方法被廣泛研究[10-18]。現有多電平逆變器的OCF故障診斷方法包括基于模型、基于智能算法和基于信號三類方法。文獻[10]中每個CHB支路都用一個電流傳感器和一個電壓傳感器監測支路的電流和輸出電壓,將測量的電壓與預期的電壓進行比較,并根據偏差的大小和電流流向確定開路故障的位置。文獻[11]基于計算的平均橋臂極電壓與誤差自適應閾值,將平均橋臂極電壓偏差作為故障檢測與識別的診斷變量,實現電壓源逆變器單、多管開路故障診斷。文獻[12]采用一個電壓傳感器測量CHB的網側電壓,通過對CHB網側電壓估計值與實測值的比較來定位故障。基于此類方法的開關故障診斷,由于開關器件多且非線性的影響導致建模較為困難。

為了避免建模帶來的困難,相關學者采用基于智能算法的故障診斷方法。文獻[13]通過特征分析選取正常模式和8種故障模式下的7個電壓諧波參數作為故障特征向量,構造一個三層神經網絡,其中7個特征向量為神經網絡的輸入層,從而可以在一個調制周期內準確地識別故障位置。文獻[14]利用d-q變換將三相電壓信號轉換為兩相來減少故障信息的維數,建立一個4層的神經網絡進行故障診斷。文獻[15]提出一種基于小波包變換和支持向量機的故障診斷方法,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的輸入量。該類方法雖然能夠避免診斷精度對系統模型的依賴性,但是計算量大且不能用于實時的在線診斷。

為了實現實時的在線診斷,相關學者采用基于信號的故障診斷方法。文獻[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載電流對應的波形特征進行故障診斷,解決了H橋中對角開關因故障特征相似難以識別的問題。文獻[17]中的故障診斷不僅考慮單管故障,也考慮了單個二極管故障以及開關管和對應二極管同時故障的情況。文獻[18]中將電平數增加至五電平,提出了一種精確識別8個開關管的單管故障診斷方法。這類方法與前兩類方法相比,實現簡單且容易理解,并且不需要額外的硬件電路,具有較高的實用性。

由此可見,對于CHBMI的故障診斷,基于信號的方法有更大的發展潛力。然而當雙管同時發生故障,對系統的影響更為嚴重,但是以上方案均考慮單管OCF,對于雙管OCF的診斷仍有很大的局限。目前對雙管故障的研究主要集中于三相橋式逆變器,雖然文獻[18]中的方法可以應用于三相級聯逆變器中雙管故障診斷,但2個開關管需要在不同相中分布,而在同一相中每個H橋均有一個開關管發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動信號的特征,提出一種可以精確識別同相不同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撲結構,其采用電壓源型逆變單元(H橋)串聯組成以實現高壓大功率輸出,諧波分量少、波形畸變小。它包括:2個H橋(H橋1和H橋2)、8個帶有反并聯二極管(D1～D8)的IGBT開關(S1～S8)、濾波電容C、直流電源Udc、LC濾波器和感性負載。G1～G8是相應的驅動信號。交流輸出端順序連接,即各單元輸出電壓疊加,進而形成一個總的多電平輸出電壓。實際系統中級聯模塊的數量N是由設備的工作電壓、直流側電壓和制造成本等決定。

2個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控制,2個H橋輸出電壓和負載電流作為采樣變量。CHBMLI常用的調制方法包括載波層疊調制(level-shifted pulse width modulation,LSPWM)和載波移相調制(phase-shifted pulse width modulation,PSPWM),與PSPWM相比,LSPWM在高電平與低電平場合都適用,而且具有開關損耗易優化和諧波特性好等優勢。LSPWM包括同向層疊(phase disposition,PD)、正負反向層疊(phase opposition disposition,POD)和交替反向層疊(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作為調制技術,PD-LSPWM信號的產生如圖2所示,其中vm(t)為正弦調制波信號,c1(t)～c4(t)為4個幅值不同的高頻三角載波信號。基于PD-LSPWM的輸出電壓vo和各個開關Sx(x=1～8)之間的關系如表1所示,1和0分別表示開通和關斷狀態(對驅動信號也適用)。

表1 vo和Sx的關系Table 1 Relationship between vo and Sx

圖2 PD-LSPWM信號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的特點,選取CHB五電平逆變器作為分析和仿真的對象,主要考慮位于同相不同H橋中雙開關同時發生故障的情況。單相五電平逆變器共有8個開關,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

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

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H橋及負載電流輸出波形如圖3所示。對于H橋1:當G4=1,G1=G2=G3=0時,00,H橋2中電流流通方向為D7到S5;當G6=1,G5=G7=G8=0時,vo2oc≈-Udc,iloc>0,H橋2中電流流通方向為D6到D7。

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

3 基于信號特征的故障診斷方法

根據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、負載電流以及相應驅動信號為診斷變量,主要通過對雙管故障下H橋中對角開關進行診斷達到不同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H橋實際電壓和參考電壓之間的差值,正常情況下通常在一個范圍內波動,ve1在δvo1l至δvo1h范圍內變化,ve2在δvo2l至δvo2h范圍內變化;為了提高可靠性,引入w1和w2兩個變量,分別表示2個H橋對應的誤差變化百分比,取為2.5%和3%;Ts為圖3(b)中過渡時段的起始時間,與開關頻率和濾波器參數等有關;f1、f2和f3為相應電壓電流的參考閾值。

圖4 診斷過程Fig.4 Diagnostic process

圖5 相關變量的定義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個開關同時發生故障,分別檢測2個H橋電壓,通過實際電壓與正常參考電壓的比較判定2個H橋是否同時發生故障,當發生故障后在相應的工作模式下采集所需故障信號,進而通過診斷邏輯確定H橋中故障開關的具體位置。變量A、B和F分別用來診斷開關S1與S4、S2與S3以及S6與S7下的故障。對于S5和S8的識別還需進行信號采集時刻的判斷,因此在圖5中單獨標出。除了采集驅動信號,對于開關S1和S4只需要采集H橋1的輸出電壓,而其余對角開關的判定均需采集相應H橋電壓和負載電流。

4 仿真驗證

4.1 仿真分析

基于MATLAB/Simulink仿真平臺對故障診斷方法進行驗證,仿真參數如表5所示。給定故障規定如下:對于2個故障開關均在正半周的開關以及正負半周各有一個開關發生故障在正半周期給定故障,對于2個故障開關均在負半周的開關發生故障,在負半周期給定故障。以S1oc和S6oc為例進行驗證,仿真結果如圖6所示。

表5 仿真參數Table 5 Simulation parameters

圖6 S1oc和S6oc下的仿真結果Fig.6 Simulation result under S1oc and S6oc

在t1時刻對開關S1和S6給定故障,在t2時刻檢測到開關S1故障,在t3時刻檢測到開關S6故障,在t3時刻S1和S6雙管故障均得到有效診斷。全部開關故障的診斷時間如表6所示,由表6可以看出,當2個故障開關都在同一個半周內,診斷時間均在0.12 ms以內,而對于在正負半周內都有分布的故障開關,診斷時間相對要長,主要是因為發生故障后2個開關的故障特征并不會在同一個半周內表現出來。整體而言,仿真達到預期效果。

表6 全部故障的診斷時間Table 6 Diagnosis time of all faults

4.2 對比分析

對于基于LSPWM技術的CHBMI,與文獻[16-18]相比,所提方法考慮了2個位于同相不同H橋的開關管同時發生故障的情況,當發生故障的2個開關管位于同一個半周時的診斷時間和文獻[18]基本一致,對于雙管故障能夠進行準確診斷。主要不足是對于2個不在同一個半周內的開關管(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)發生故障后診斷時間相對較長,而且開關管對應的所有二極管均正常工作。與現有方法[19]相比,減少了計算量且可以實現在線診斷。

5 結 論

針對CHBMI中同相不同H橋雙管同時發生故障的問題,本文分析了雙管故障下各故障信號的特征,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、負載電流和驅動信號為采樣變量的信號處理方法實現有效診斷,與現有方法相比,該方法擴展了雙管故障下的拓撲為級聯逆變器,提高了級聯逆變器雙管故障下的電平數目。此外,提高雙管故障檢測時間、拓展到更高電平等級和應用到其他調制技術將是未來的研究重點。