一种三相重构逆变器的故障诊断方法

黄刚，潘群琼，张正晓，冯文碧，黎燕

（1．浙江温州永嘉县电力实业有限公司，浙江 温州 325100；2．中南大学自动化学院，湖南 长沙 410083）

三相逆变器广泛应用于微电网、光伏产业、轨道交通等领域，其安全可靠性具有重要意义。但逆变器中的功率开关器件因多次通断、电流谐波、负荷过大等原因很容易发生故障甚至损坏，一旦功率开关器件发生故障，轻则影响其输出性能，严重时会威胁系统安全[1-4]。

为了避免故障所带来的安全隐患及损失，故障诊断技术成为三相逆变器的研究热点[5-9]。功率开关器件的故障主要是短路故障和开路故障。其中短路故障的发生过程非常短暂，在工程上通常会采用硬件电路先保护电路，即利用快速熔断器将其转换为开路故障。开路故障造成的影响不如短路故障激烈，但是如果不能够快速地将故障检测出并隔离，可能引起二次故障的发生，增加维修成本，严重的会造成重大事故。因此本文提出一种应用于三相逆变器、成本低且能提高可靠性的故障诊断方法。

1 三相重构逆变器拓扑结构

三相重构逆变器拓扑如图1所示。Udc是直流电源，V1-V6是功率开关器件。逆变器输出侧的滤波电路采用了LC滤波器，Lf和Cf为滤波器的电感和电容，Zline是负载等效阻抗。其中 TRac、TRab、TRa和TRo是可控双向开关。在逆变器正常运行时，TRac、TRab、TRo保持关闭，TRa保持导通。C1和 C2是直流侧两个容值相等的电容。逆变器正常工作时，其拓扑结构是三相六开关型。当逆变器中的功率开关器件发生开路故障时，通过可控双向开关的通断使逆变器电路重构，直流侧电容作为其中一相，形成三相四开关型。利用重构后直流侧中点电压信息进行故障诊断，确保逆变器故障后能继续运行，提高可靠性。

图1 三相重构逆变器电路

2 故障诊断过程及分析

首先定义本文所用的直流侧中点电压，即三相逆变器直流侧中点o到负载侧中点电压之差，可表示为uon：

上式中的直流侧中点电压是逆变器正常工作时获取的，可作为参考直流中点电压。同时定义开关量Sx表示三相桥臂功率管的开关状态：

式中，x＝｛a，b，c｝表示三相中的任一相。以 a相功率开关器件V1或V2发生开路故障为例进行故障诊断过程分析，当V1发生故障时，直流侧中点电压的值为：

而V2故障和V1故障的情况相反，因此V2故障后的直流侧中点电压可表示为：

为了清晰地观察故障前后的直流侧中点电压变化，将直流侧中点电压测量值和参考值之间的偏差设为：

将六个开关状态的值分别代入式（3）、（4）和（5）中，可以得到V1和V2故障时的直流侧中点电压及其相应的偏差值，如表1所示。

表1 正常模式和V1，V2故障时的直流侧中点电压及其偏差

从表1中可知，当Sa＝0，即当开关状态为100、101、110时，由于V1故障时的直流侧中点电压和正常模式一样，其偏差值保持为0；当Sa＝1时，即开关状态为001、010、011时，V1故障会使直流侧中点电压偏差出现正值。而V2故障后的直流侧中点电压在Sa＝1时为0，在Sa＝1时为负，即上桥臂故障后的直流侧中点电压偏差总会出现正值，而下桥臂故障时则为负值。因此利用直流侧中点电压偏差的极性便可以实现功率管开路故障的检测并且诊断出故障管为上桥臂或者下桥臂。于是直流侧中点电压偏差的极性定义为：

当J的值为Z时，代表逆变器运行正常；当J＝P时，表示上桥臂发生故障；当J＝N时，表示下桥臂发生故障。需要注意的是，由于中性点电压偏差绝对值有 udc／6、udc／3 两个取值，且皆大于 udc／6，因此式（6）的阈值 Uth在本文中设为 udc／6。

由于逆变器的三相相互独立并且呈对称关系，因此b、c两相单个功率管故障后的直流中点电压及偏差有类似的推导过程。

表2 功率管故障后直流中点电压偏差

因此利用直流中点电压偏差便可以实现功率管开路故障的检测并且诊断出故障管为上桥臂或者下桥臂。

若已检测到故障位于上桥臂，进行第一次拓扑重构，关闭TRa、导通TRo、使a相被直流侧电容代替，其等效电路结构如图2所示。图中的a＇代表重构后的新相位。需要注意的是由于三相逆变器的拓扑变换会使等效电路发生变化，从而导致直流侧中点电压的参考值也随之变化，因此在每次变换后都需要重新对新电路中直流侧中点电压进行分析。

图2 重构后的逆变简化电路

图2中，假定故障位于a相，重构后直流侧中点电压的参考值为：

重构后直流侧中点电压与式（7）一致，即：

因此直流侧中点电压的偏差极性为0，判定V1故障。可以得到当上桥臂发生故障时逆变器重构后的直流侧中点电压，从而获得其极性，进行故障所在相的诊断。

为了能清晰地描述逆变器拓扑重构后直流侧中点电压偏差的变化情况，同样设定诊断标志Ji（i＝1，2）来分别代表第一、二次变换时的直流侧中点电压偏差极性：

这里的偏差阈值Uth1，2是考虑了误差范围，所以不为0。利用拓扑重构方法可以实现单个故障管的诊断过程，如图3所示。

图3 基于拓扑重构的故障诊断方法

在图3中，当逆变器发生故障，首先通过直流侧中点电压偏差的极性J判断出故障功率管在上桥臂还是下桥臂；然后进行拓扑重构，重新获取直流侧中点电压，获取其极性J1，若J1为Z，可以判断出故障发生在a相，从而诊断出故障功率器件；若J1不为Z，故障相不在a相，进行第二次重构，重新获取直流侧中点电压，获取其极性J2，若J2为Z，可以判断出故障发生在b相，反之在c相，从而诊断出故障功率器件。

3 仿真与分析

为了验证本文所提故障诊断方法在三相逆变器上的有效性，在Matlab／Simulink上进行仿真。本节将以上桥臂V1、V3、V5故障为例进行分析，仿真时间为0．5s，相关的参数如表3所示。

表3 仿真参数

本小节对本文所提故障诊断算法进行了仿真验证，但需要注意的是以下的仿真均没有使用容错控制策略，因此三相电压并不会恢复正弦。图4为使用电容法时功率管V1发生开路故障后的仿真结果，设置在 t＝0．246s时发生故障。

图4 V1故障时的仿真结果

从图4（a）可以看出，当V1发生开路故障后，由于在第一次变换时直流侧电容会替代a相桥臂从而将V1故障从电路中排除，三相电压中的b、c两相电压会保持稳定，且由于没有使用容错控制策略，a相电压会在零值上下浮动。图4（b）显示诊断所需时间为0．21ms，证明电容法能快速诊断出a相故障。

图5为功率管V3发生开路故障后的仿真结果，设置在 t＝0．24s时发生故障。

图5 V3故障时的仿真结果

从图5（a）可以看出，由于当V3发生开路故障、在第一次重构时a相桥臂被直流侧电容替代，并没有定位到故障管，在第二次重构时才用原始a相替代了b相，从而将V3故障排除在电路之外，因此b，c两相电压在发生一定的电压畸变后同样会保持稳定且a相电压会在零值上下浮动。图5（b）显示电容法能成功诊断出b相故障，诊断所需时间为0．395ms，比诊断V1故障所花的时间要长。

图6为功率管V5发生开路故障后的仿真结果，设置在 t＝0．253s时发生故障。

图6 V5故障时的仿真结果

图6（a）显示最后的三相电压和图5（a）的类似，但是期间发生的电压畸变持续时间较之图5（a）要更长，这是由于当V5发生开路故障时，在两次变换过程中，V5始终存在于电路之中，直到在第三次重构时才会将V5排除。图6（b）显示电容法可以诊断出c相故障，诊断所需时间为0．45ms。

以上的仿真结果表明电容法可以快速地定位故障管，其诊断a相故障的速度要快于诊断b相和c相故障，且由于该方法在进行拓扑变换时总会将电路重构为三相四开关结构，因此其在结合容错控制策略后可以实现故障逆变器的快速容错，提升了逆变器的可靠性。

4 结论

本文提出一种三相重构逆变器的故障诊断方法，当逆变器中的功率开关器件发生开路故障，通过计算直流侧中点电压并重构逆变器拓扑结构，使其从三相六开关拓扑转换成三相四开关结构，再利用直流侧中点电压偏差极性进行故障诊断。且本文的逆变器重构拓扑结构后，结合控制算法实现了逆变器故障后的容错运行，大大提高了系统的安全可靠性，通过仿真验证了该方法能快速诊断出逆变器中任一故障功率开关。