基于开关模态频率特征的船舶储能变流器故障在线检测方法

黄鹤， 肖飞， 杨国润 ， 麦志勤

(1.海军工程大学 舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北 武汉 430033；2.中国船舶集团第七一一研究所，上海 201108)

0 引 言

随着船舶电网的发展，大功率脉冲性负载的应用越来越广泛，其影响日益严重。利用储能装置(如超级电容)可以使大功率脉冲性负载安全地接入船舶中压直流系统,平滑脉冲功率,减小脉冲性负载造成的母线电压振荡。DC/DC储能变换器在船舶电力系统中负责连接储能装置与直流母线, 可实现对储能装置的充放电控制及能量流动管理，是现代船舶电力系统中的关键设备。

三电平BUCK-BOOST双向变流器具有高压大功率、升降压、双向馈能以及简单高效等优点，广泛应用于船舶、轨道交通以及电动汽车储能系统与直流微网等重要领域[1-2]。作为变流器核心部件，IGBT的故障率高达34%[3]，已成为系统安全、可靠运行的关键。然而不同于短路故障，IGBT开路故障缺乏有效保护措施，可能诱发电流畸变进而引发二次事故[4-5]。因此，及时有效地检测出三电平BUCK-BOOST双向变流器IGBT开路故障具有重要意义[6]。

变流器IGBT开路故障检测技术一直是国内外学术与工程界关注的热点，其基本方法总体上可分为基于信号和模型两大类[7-11]。信号检测方法通过测量可反映故障的特征信号变化对故障进行诊断，典型的特征信号包括电流平均值、均方根和斜率，线电压以及母线磁场等[12-20]。Yahyaoui R等测量开关管压降或电感电压并与门控信号比较，可在几个开关周期内快速检测和识别开关故障，但需外加传感器[12-13]。Shahbzai M.等利用系统中现有的电流传感器检测电感电流斜率并与门极信号对比以检测Boost升压变流器开路故障[13]。Ribeiro E等针对交错升压变流器提出了输入电流导数和输入电流演化的方法[15-16]。然而，这些方法采样率要求高，且在电流或电压纹波较小时故障检测不准确[17]。

基于模型的方法采用实际功率变流器的测量输出和模型预测输出的差值进行诊断[21-22]。模型法包括等价空间法、状态估计法[23-24]等，对于系统模型和参数的精确度要求很高，不适用于工况变化较大的变流器。Poon J等分析了变流器不同类型故障的检测和识别，变流器电路参数可能会因制造和老化而变化，而该方法建模参数不能实时调节，导致鲁棒性较差[25]。为此，Jain P等为浮动交错升压变换器和两相交错升压变流器设计了滑模观测器和带反馈的鲁棒观测器[26-27]。此外，Wassinger N等引入了具有均匀反馈的状态观测器，通过反馈调节可以提高建模误差的鲁棒性，但该类方法需要添加额外设备[28]。

为提高船舶储能三电平BUCK-BOOST双向变流器IGBT开路故障的检测速度及工况鲁棒性，论文提出一种基于开关模态频率特征的故障检测方法。与传统的纹波幅值检测不同，该方法在线提取开关模态分量时频特征，本质上属于一种基于时间信息的故障检测方法。首先对三电平BUCK-BOOST双向变流器输入端电流进行自适应模态分解，然后提取开关模态本征频率特征对IGBT开路故障进行快速检测，最后通过电压差值判断故障位置。通过MATLAB仿真与小功率样机实验中对基于开关模态频率特征的开路故障检测有效性和工况鲁棒性进行了验证。

1 变流器开路故障电流纹波特性研究

图1为三电平BUCK-BOOST双向变流器拓扑结构图，其中：Ua为直流电源；Sx和Dx为变流器中IGBT开关管及其反并联二极管，x=1A、2A、3A、4A、1B、2B、3B、4B；Lin与Lo分别为BOOST和BUCK侧等效电感；C1与C2为电容；Vc1和Vc1分别为电容C1与C2上的电压；Iin和Vin分别为BOOST侧输入端的电流以及电压；Io和Vo分别为BUCK侧输出端的电流以及电压。由于BOOST侧变流器与BUCK侧变流器的结构完全相同，本文以BOOST侧变流器为例进行研究说明。

图1中S1A与S2A、S3A与S4A控制方式均为互补方式。图2给出三电平BUCK-BOOST双向变流器BOOST侧变流器电流工作的四个模态。

图1 三电平BUCK-BOOST双向变流器的拓扑结构图Fig.1 Topology diagram of a three-level BUCK-BOOST bidirectional converter

图2 BOOST侧变流器电流工作过程Fig.2 Current operation process in BOOST converter

对于三电平双向变流器中的BOOST侧变流器，S1A和S4A不参与电路实际工作过程，其开路故障不影响电路运行状态。正常运行时，理想状态下电流Iin纹波频率等于开关频率的两倍；而在开路故障发生后，纹波频率等于开关频率的两倍的特性(二倍频)消失。在S2A/S3A发生开路故障后，电流Iin中固有的开关模态分量发生改变。通过对电流Iin信号进行时频分析，提取开关模态分量的故障特征，可用于变流器的开路故障检测。在S2A/S3A发生开路故障后，电压Uc1和Uc2将出现电压差ΔUc，据此可进一步分辨出故障器件的具体位置。相对应地，三电平双向变流器中的BUCK侧变流器也具有相似的故障特性。

图3 不同工况下BOOST侧电流Iin对比Fig.3 Comparison of Iin in BOOST converter under different conditions

2 基于开关模态频率特征的故障检测原理

2.1 变流器电流开关模态分解

根据前文分析，三电平BUCK-BOOST双向变流器运行电流中包含与功率器件开关状态相关的模态分量。为了准确地提取开关模态分量，采用经验模态分解(EMD)对变流器运行电流进行模态分解[29]，自适应地分解成不同的本征模态函数(IMF)分量和残余分量r，具体步骤如下：

1)首先利用系统自身电流传感器获取变流器电流信号i(t)，并找出所有极大值和极小值点；

2)分别对电流信号的极大值点和极小值点进行三次样条插值拟合，获取电流信号的上包络线imax(t)和下包络线imin(t)；

3)计算上下包络线信号imax(t)和imin(t)的平均值，得到imean(t)；

4)将原始电流信号i(t)减去平均值imean(t)，得到新的序列iupd(t)；

5)检验新序列iupd(t)是否符合本征模态函数的条件[30]。若符合条件，则定义iupd(t)为i(t)的第一个IMF分量，IMF1(t)=iupd(t)；若不符合条件，则将新序列iupd(t)视为原始信号i(t)，重复步骤(1)～步骤(4)，直至满足本征模态函数条件。定义ic1(t)为：

(1)

6)将r1(t)=i(t)-ic1(t)视为新的原始信号，重复步骤(1)～步骤(5)，得到其余的本征模态函数IMF2(t)～IMFn(t)。原始电流信号i(t)的模态分解可表示为

(2)

7)如果检测到IMFn+1(t)信号为单调函数，或缺失极大值/极小值点，则将该信号记为残差r，结束开关模态分解步骤。

2.2 开关模态频率特征提取

通过对变流器电流进行模态分解可以得到开关模态分量，进一步地通过希尔伯特(Hilbert)变换提取开关模态的频率特征。假设x(t)为一个连续的时域信号，Hilbert变换[31]的表达式为

(3)

由式可知，Hilbert变换可以等效为x(t)和1/t的卷积。采用极坐标表达式可以更好地展示信号局部特征，将x(t)和y(t)分别作为一个复共轭对的实部和虚部，得到解析函数

z(t)=a(t)ejθ(t)=x(t)+jy(t)。

(4)

其中：

(5)

式中a(t)和θ(t)分别为解析函数z(t)的瞬时幅值和相位角。进一步地，可以获取信号的瞬时频率特征，计算公式为

(6)

2.3 变流器开路故障检测步骤

三电平BUCK-BOOST双向变流器中发生IGBT开路故障时，电流Iin的开关模态频率特征发生减半及电容电压出现偏差，据此可对开路故障进行检测和定位，具体步骤如图4所示。

图4 三电平BUCK-BOOST变流器开路故障检测流程图Fig.4 Flow chart of open-circuit fault detection for 3-level BUCK-BOOST converter

1)系统初始化，确定IGBT开关频率fsw；

2)采集BOOST侧电流Iin，采集电压Uc1/Uc2；

3)对输入电流Iin进行经验模态分解；

4)提取开关模态分量的频率特征f1;

5)计算S=f1/fsw。若S=2，则输入侧电流Iin中开关模态频率特征f1为二倍开关频率，变流器未发生开路故障；反之，变流器发生开路故障；

6)计算Uc1与Uc2的电压差值ΔUc，若ΔUc<0，则S3A发生开路故障；若ΔUc>0，则S2A发生故障。

实际系统中一旦检测到变流器IGBT开路故障可以立刻采取故障隔离、维修以及容错等措施，以确保系统安全，可靠运行。通过封锁门极脉冲可实现故障隔离和变流器安全停机，防止IGBT开路故障引起的直流电容电压不均衡以及开关谐波显著增大的危害。待系统安全停机后，根据检测得到故障器件位置信息可实施状态维修，有效提高维修效率。对于要求不间断运行的高可靠性系统，可通过硬件重构或容错控制等手段在允许牺牲一定变流器性能(如谐波、效率、成本等)的前提下维持系统持续运行[32]，相关工作有待进一步研究。

3 仿真验证

在MATLAB仿真软件中建立了MW级船舶超级电容器储能三电平BUCK-BOOST双向变流系统仿真模型，其中超级电容Co=0.3 F/5 kV，额定输入C1=C2=8 mF，直流电抗器L1=L2=4 mH，额定电流196 A，额定开关频率fsw=1.25 kHz。

3.1 正常运行状态仿真验证

三电平BUCK-BOOST双向变流器采用如图3(a)所示的PWM调制策略。变流器输入电流Iin中包含多种模态分量，如基波模态分量、开关模态分量、高频谐波模态分量等。采用EMD分解方法对输入电流Iin信号进行模态分解。

如图5所示，变流器电流可自适应地分解成4个IMF分量和1个残余分量r，IMF1到IMF4的频率逐渐递减。每一个IMF分量均对应着输入电流Iin信号中包含的不同频率分量，共同反映输入电流Iin信号中的频率信息特征。如图6所示，IMF1分量的频率主要分布在2.5 kHz附近，IMF2、IMF3和IMF4分量为电流中的低频振荡分量，残余分量r为电流中的直流分量。IMF1分量为变流器输入电流Iin信号中开关模态分量的本质体现。

图5 正常运行条件下输入电流Iin的本征模态分量Fig.5 Intrinsic modal component of input current Iin during normal operation

图6 正常运行条件下变流器不同模态分量的频率特征 Fig.6 Frequency freatures of different converter intrinsic modal components during normal operation

由前文分析，变流器中的IGBT发生开路故障时，从而导致输入电流Iin信号中包含的固有开关模态分量的频率会瞬时改变。图6中，IMF1、IMF2、IMF3和IMF4的频率特征分别为f1、f2、f3和f4。开关模态分量的频率特征f1可作为三电平BUCK-BOOST变流器IGBT开路故障判据。正常运行工况下，f1为2.5 kHz上下，是IGBT开关频率fsw=1.25 kHz的2倍。

3.2 开路故障仿真验证

采用封锁变流器IGBT触发脉冲的方式模拟开路故障。开路故障起始时间设置为1.40 s，图7给出了S3A发生开路故障前后输入电流Iin开关模态分量的f1及电压差值ΔUc波形。在1.40 s时S3A开路后，输入电流Iin的开关模态分量频率从2.5 kHz降为1.25 kHz，据此可判断出IGBT发生开路故障。进一步可以对开路故障进行定位，在1.40 s前，变流器正常工作，Uc1与Uc2的值基本相等；在1.40 s时，S3A开路，Uc1下降，Uc2上升，ΔUc变为负值，由此可以判定S3A开路。

图7 额定负载条件下S3A开路检测结果Fig.7 S3A open circuit fault detection under nominal load

为验证开关模态频率特征在不同工况下的鲁棒性，论文将三电平BUCK-BOOST双向变流器输入电流Iin调整为18 A，开关频率调整为4 kHz。仿真结果图8表明：在变流器轻载运行条件下，f1在1.40 s开路故障时发生突变。ΔUc<0，可判定S3A开路。

图8 轻载运行条件下S3A开路检测结果Fig.8 S3A open-circuit fault detection at light load

仿真进一步验证了开关模态频率特征适应工况动态变化的能力。如图9所示，变流器输入电流Iin突然从32 A提升到200 A。此时输入电流Iin中开关模态分量的频率特征基本保持不变，不会引起故障误诊断。

图9 工况动态变化条件下的仿真结果Fig.9 Simulation results under dynamic condition

4 实验验证

为了验证利用开关模态频率特征进行开路故障检测法的有效性，论文搭建了图10所示实验系统，具体参数见表1。模拟开关管开路故障时，输入电流的实验波形与暂态时频特征如图11与图12所示。针对实验系统，相应的故障瞬态时频特征仿真结果如图13。

图10 实验平台Fig.10 Experimental system

图11 开路故障时输入电流实验波形图Fig.11 Measured waveform of input current during open-circuit fault

图12 开路故障时瞬态时频特征实验波形图Fig.12 Measured transient time-frequency features during open-circuit fault

图13 开路故障时瞬态时频特征仿真波形图Fig.13 Simulation waveform of transient time-frequency features during open-circuit fault

表1 实验系统基本参数

对比实验与仿真结果可知，在开路故障发生的一个开关周期内(0.1 ms)，开关模态分量频率特征f1从20 kHz突变为10 kHz，据此可判定IGBT发生开路故障。实验结果与仿真及理论分析相一致。

5 结 论

论文在分析IGBT开路故障时三电平BUCK-BOOST双向变流器输入电流的故障特性的基础上，提出一种利用电流中固有的开关模态频率特征变化检测变流器开路故障的方法。仿真与实验验证了该方法的可行性与有效性，研究结果表明：

1)IGBT功率器件开路会导致变流器输入电流中的开关模态分量特性发生改变，其频率特征在开路后大幅降低，利用开关模态分量的频率特征，可以在几个开关周期尺度内快速检测出IGBT功率器件的开路故障。

2)开关模态频率特征对变流器功率变化不敏感，可在不同工况下准确地检测出开路故障，具有良好的动态检测性能和鲁棒性。