一种T型三电平拓扑APF故障诊断方法

史丽萍， 李衡， 马也， 缪荣新， 孙裔峰， 李昊

(中国矿业大学 电气与动力工程学院，江苏 徐州 221008)

0 引 言

有源电力滤波器(active power filter，APF)作为新型谐波抑制装置，具有补偿谐波频率范围广、跟踪特性优良、动态特性良好、补偿程度可控等优点，成为新一代电能质量调节装置[1-3]。然而，其功率开关器件(如IGBT)由于长时间工作在高频、高温和高压状态，不免会发生短路或者开路故障。一旦故障发生，APF不但难以有效补偿电网中的谐波分量，甚至可能成为谐波源，降低电网电能质量。

基于三电平逆变器的APF在电压等级、谐波跟踪性能等方面相比于传统两电平APF具有明显的优势，因此受到学者们的重视。但是，三电平逆变器中功率开关器件的数量往往是两电平逆变器的两倍，这意味着三电平APF更容易发生IGBT故障，且故障诊断难度更大。为了提高APF运行的可靠性，在IGBT发生故障时，快速准确地诊断出故障管位置至关重要。IGBT一般都串联了熔断器，短路故障发生时，保险丝烧断，短路故障便转化为开路故障，因此对于逆变器IGBT故障的研究主要集中在开路故障上[4]。

文献[5]提出利用归一化电流残差作为故障诊断的依据，在基于正弦脉冲宽度调制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)的两电平APF中能够快速、准确地检测故障管的位置，但当采用三电平拓扑或者更换电流控制和脉冲调制策略时，该方法不再适用。文献[6]提出了应用电流矢量轨迹法检测IGBT的开路故障，但该算法较为复杂、诊断时间较长。文献[7]中提出使用派克(Park)电流矢量法进行故障诊断，采集一个周期的电流值计算电流平均值，作为诊断依据，该方法的诊断精度依赖于阈值的选取。文献[8]根据逆变器直流侧负极与电网中性点之间的压差在正常工作和IGBT开路故障时的不同，来对开关器件进行诊断。文献[9]提出了开关逻辑法，通过开关信号和上下管电压在开路故障和正常运行时逻辑的不同来判断是否发生了故障。以上研究都是基于传统两电平拓扑结构，在面对I型三电平拓扑时，则无法区分同一桥臂中上下两个IGBT中哪一个是故障管；面对T型三电平时，则无法区分纵向管故障还是横向管故障。文献[10]提出一种基于T型三电平拓扑APF的故障诊断方法，具有很大的参考意义，但不适用于新型控制策略。文献[11]提出利用直流侧电容中性点电压偏差来判断故障管位置，但由于三电平逆变器均配置了中性点电压平衡控制，限制了该方法的发挥。

目前APF故障诊断的研究大多数局限于传统的基于SPWM调制的控制策略，而对于其他一些新型的控制策略(如模型预测控制)却不适用。本文将有源电力滤波器IGBT开路故障特性与模型预测控制策略(model predictive control, MPC)的特点相结合，提出一种基于MPC的T型三电平拓扑APF功率器件开路故障诊断方法。模型预测控制策略的一个特点是可以在tk时刻方便提取出[tk,tk+1]时间段这一控制周期的输出参考电压，通过其与逆变器实际输出电压进行对比可以获得一定的故障管信息，再通过逆变器纵向管和横向管故障电流跟踪特性的不同进一步锁定故障管的位置。

1 T型三电平APF的开路故障分析

基于T型逆变器的APF结构如图1所示，每相包含上下两个垂直桥臂和中间一个水平桥臂。水平桥臂通过两个反向串联的功率器件连接直流侧中点，实现中点电压钳位，相比于I型逆变器，T型逆变器不仅减少了2个钳位二极管，而且减少了导通回路上功率器件的数量，使功率器件功耗分布更加均衡[12-13]。

图1 T型三电平拓扑APF结构图Fig.1 Structure of APF with T-type three-level topology

定义开关函数Sx为

(1)

式中x表示相序(x=a,b,c)。

交流侧各相相对于直流侧中点O的电压uxo可表示为

(2)

式中Vdc表示直流侧电压。

交流侧各相相对于电网中性点n的电压可表示为

uxn=uxo+uon。

(3)

式中uon表示直流侧中点O和电网中性点n之间的电压。根据三相对称性可知

uan+ubn+ucn=0。

(4)

联立式(1)～式(4)可得

(5)

在不考虑支路电阻和电感的情况下，由图1可得APF的数学模型为

(6)

为方便分析，定义电压、电流残差值为：

(7)

(8)

由于T型逆变器具有三相对称性，不妨以A相为例，对功率器件开路故障时APF的故障电压特性和故障电流特性进行分析，以实现对故障开关的快速准确定位功能。

图2为A相垂直桥臂功率器件Sa1故障时的电流流通图。其中，实线为实际电流流通路径，虚线为Sa1假设正常导通的电流流通路径。当ica>0且逆变器需要输出正电平时，若Sa1没有故障，电流经Sa1流到负载，逆变器输出正电平，而Sa1开路故障下，电流通路变为Sa2和Da3，逆变器输出电压变为零电平，结合式(5)、式(7)、式(8)可得存在电压电流残差为：

图2 Sa1开路故障电流通路Fig.2 Current path when Sa1 open circuit fault

(9)

当ica<0且逆变器需要输出正电平时，电流通过续流二极管Da1流通，逆变器正常输出正电平，不再受Sa1开路故障的影响。

图3为A相水平桥臂功率器件Sa2故障时的电流流通图。当ica>0且逆变器需要输出零电平时，若Sa2没有故障，电流经Sa2和Da3流到负载，逆变器输出零电平，而Sa2开路故障下，电流通路变为Da4，逆变器输出电压变为负电平，存在电压电流残差为：

图3 Sa2开路故障电流通路Fig.3 Current path when Sa2 open circuit fault

(10)

当ica<0且逆变器需要输出零电平时，电流通过Da2和Sa3流通，逆变器正常输出零电平，不再受Sa2开路故障的影响。

由于T型逆变器上、下桥臂具有对称性，因此Sa1、Sa2和Sa4、Sa3具有对偶的故障特性。Sa3的故障特性为：当ica<0，且逆变器需要输出零电平时，实际电流经上桥臂续流二极管Da1流通，输出电压为正电平，存在电压电流残差为：

(11)

Sa4的故障特性为：当ica<0，且逆变器需要输出负电平时，实际电流经Da2和Sa3流通，输出电平为零电平，存在电压电流残差为：

(12)

图4 模型预测控制策略的同步原理图Fig.4 Synchronization schematic diagram of model predictive control strategy

2 功率器件故障诊断

通过上节对T型三电平拓扑APF开路故障特性的分析可知，每一个开关管故障都会导致特定的电压、电流残差特性。对于三电平变流器，通过单一的电流残差或者电压残差往往很难快速准确地锁定故障管的位置。为解决该问题，利用MPC控制策略每个控制周期都会给出输出开关状态的特点，提出一种电压、电流残差法相结合的功率器件故障诊断方法。MPC控制策略的控制目标为：在每个控制周期，控制器经过价值寻优算法计算出最优的开关状态组合[Sa,Sb,Sc]，以供脉冲调制单元产生逆变器的触发脉冲，利用MPC控制策略的这一特性，通过最优开关状态求出其对应的最优输出电平(即逆变器的指令电压)为

(13)

理想状态下，逆变器输出的实际电压和指令电压应该是一致的，即电压残差Δux=0。但由于触发延迟，直流侧电压波动，功率器件导通压降、死区等一系列原因，再加上PWM逆变器本身开关频率很高，导致即使在无功率器件故障条件下，输出电压也很难跟踪到指令电压，Δux不能保持在0附近，会有一个高幅高频的振动。因此必须对Δux作进一步处理以提取出有助于锁定故障管位置的信息。不同于功率器件开路故障，不难发现，以上干扰都是双向的，其在指令电压正、负半周期所引起的电压残差Δux会相互抵消。因此通过下式对Δux进行处理，表达式为

(14)

式中：N为一个周期内控制器的采样点数；Δux(n)为第n个采样点的数值。通过式(14)得到的电压残差ΔUx将不再受上述周期性扰动的影响，在逆变器无功率器件故障条件下基本稳定在0附近。当出现功率器件开路故障时，ΔUx亦满足上节的电压残差特性。并且，无论纵向功率器件故障还是横向功率器件故障，电压残差特性都非常明显，不受电流跟踪控制算法性能的影响。通过检测是否出现电压残差，可以判定是否出现功率器件故障，判定式为

(15)

式中：λ为判据变量，λ=1表示存在功率器件开路故障，λ=0表示无故障；Hλ为触发阈值，需通过实验整定得到。

比较三相电压残差绝对值的大小易知，最大电压残差绝对值所在相即为故障相，判定式为

(16)

式中：α为判据变量，其值对应故障功率器件所在相；|ΔUxmax|为|ΔUa|、|ΔUb|、|ΔUc|中的最大值。

再通过判断故障相电压残差的正负，即可求得故障器件所在的桥臂(上桥臂器件为S1和S2；下桥臂器件为S3和S4)。判定式为

(17)

式中：β为判据变量，β=1表示上桥臂故障，β=0表示下桥臂故障；ΔUα为故障相的电压残差。

综上，电压残差判据可将故障功率器件位置定位到具体相的上/下桥臂。

根据上节结论，横向功率器件故障时的电流残差很小，而纵向功率器件故障时的电流残差很大，可利用此差别设计电流残差判据，进一步锁定故障功率器件的位置。为了抑制扰动和负载突变对诊断准确性的影响，提高系统的鲁棒性，对三相电流残差进行归一化处理，表达式为

(18)

式中Ia、Ib、Ic分别APF三相指令电流的有效值，其计算方法为

(19)

通过电流残差，可进一步锁定故障管位置，判定式为

(20)

式中：γ为判据变量，γ=1表示纵向功率器件开路故障，γ=0表示横向功率器件开路故障；Hγ为触发阈值，需通过实验整定得到。

根据每个功率器件开路故障时α、β、γ的对应输出值可以得到功率器件开路故障诊断的判定表如表1所示。

表1 开路故障诊断判定表

综合以上分析可以得到电压电流残差法诊断流程图如图5所示。

图5 电压电流残差法诊断流程图Fig.5 Diagnosis diagram of the voltage and current residual method

3 仿真验证

为验证基于电压电流残差的功率器件故障诊断方案的准确性和实时性，搭建了基于MATLAB/Simulink的离线仿真模型。APF系统的仿真参数如表2所示。

表2 仿真模型的参数

APF系统正常运行(无功率器件故障)时的负载电流iL、补偿电流ic、电压残差ΔU和电流残差ΔI的波形如图6所示。负载突变前，电压残差ΔU稳定在±3范围内，电流残差ΔI稳定在±0.1范围内。在0.1 s时刻突加10 Ω电阻负载，APF输出电流发生较大变化，电压残差不受电流跟踪控制策略性能影响，而电流残差已进行了归一化处理，因此电压残差和电流残差的突变量都远低于阈值，所以负载突变不会引起故障误诊。

图6 正常运行情况下MATLAB仿真结果Fig.6 MATLAB simulation results under normal operation

图7为在0.13 s时刻发生纵向功率器件Sa1开路故障的仿真结果，由于经过周期平均法处理，ΔU和ΔI需经一个工频周期过渡，进入一个新的稳态过程，纵向管故障发生后的ΔU值和ΔI值都很大，仿真结果与理论分析相一致。

图7 Sa1开路故障情况下MATLAB仿真结果Fig.7 MATLAB simulation results under Sa1 open circuit fault

图8为在0.13 s时刻发生横向功率器件Sa2开路故障的仿真结果，可见，相比纵向管故障，横向管故障发生后的ΔU值依旧很大，而ΔI值很小，这验证了理论分析结果。

图8 Sa2开路故障情况下MATLAB仿真结果Fig.8 MATLAB simulation results under Sa2 open circuit fault

仿真结果表明，无论是纵向管开路故障还是横向管开路故障，故障诊断程序都能够快速准确地输出故障位置，其故障诊断时间小于15 ms。

4 实验验证

为了进一步验证所提出的故障诊断的有效性，构建T型三电平拓扑的APF实验平台，实验中通过屏蔽一路PWM脉冲信号来模拟功率器件开路故障。其中：交流侧电压有效值为60 V；交流侧电感滤波电感为2 mH；逆变器直流侧电压为200 V；直流侧电容为两个完全相同1 800 μF电容串联；功率器件采用英飞凌公司的IRFP360PBF；核心控制器采用TI公司生产的型号为TMS320F28335的DSP芯片；其他参数和仿真参数一致。

图9为纵向器件Sa1开路故障时的实验波形，功率器件Sa1在0.02 s时刻发生开路故障后，ΔU和ΔI逐渐偏离0值，且变化都很大，约12 ms后故障诊断动作，判断出故障管的位置。

图9 Sa1开路故障情况下实验波形Fig.9 Experimental waveform under Sa1 open circuit fault

图10为横向器件Sa2开路故障时的实验波形，功率器件Sa2在0.02 s时刻发生开路故障后，ΔU和ΔI逐渐偏离0值，但ΔU的变化很大，而ΔI的变化很小，约10 ms后故障诊断动作，判断出故障管的位置。

图10 Sa2开路故障情况下实验波形Fig.10 Experimental waveform under Sa2 open circuit fault

5 结 论

针对T型三电平APF中的功率器件开路故障诊断问题，提出一种电压残差和电流残差相结合的诊断方法。该方法通过电压残差判断故障是否发生、故障管所在相以及故障管所在上/下桥臂；通过电流残差判断故障管所在纵向/横向桥臂。实验结果表明，基于电压、电流残差的故障诊断方案在实时性、可靠性、鲁棒性、准确度上都表现优越。除此之外，该故障诊断方法不仅适用于传统的电流跟踪控制策略，还适用于一些特殊的控制策略(如模型预测控制策略)，适用性广。