一种级联H桥多电平逆变器故障诊断方法

于晶荣, 张刚, 邱均成, 王益硕, 孙健文

(中南大学 自动化学院,湖南 长沙 410083)

0 引 言

级联H桥多电平逆变器(cascaded H-bridge multilevel inverter, CHBMLI)因其具有易于模块化、高压大容量和谐波失真低等优点,已广泛应用于电气化铁路与城市轨道交通的牵引系统、电动汽车、光伏并网发电系统、高压直流输电、交流电机驱动和无功补偿等场合[1-4]。

由于CHBMLI采用了大量的半导体开关来获得高质量的输出功率,因此它面临的主要困境是开关失效的概率升高[5]。根据相关统计和调查,开关故障大约占整个逆变器系统故障的近三分之一[6]。开关管的故障通常可以分为开路故障(open-circuit fault, OCF)和短路故障(short-circuit fault,SCF)。SCF造成的影响非常迅速,通常由硬件方案解决[7]。在OCF情况下,由于固有的开关冗余,CHBMLI可以继续运行,但其输出质量降低。然而,这可能使其他健康开关的电压应力增加,并可能导致整个系统损坏。所以,OCF诊断速度与准确性对于系统持续可靠运行十分关键[8-9],也直接关系到容错控制策略的选择。

近些年,OCF故障诊断方法被广泛研究[10-18]。现有多电平逆变器的OCF故障诊断方法包括基于模型、基于智能算法和基于信号三类方法。文献[10]中每个CHB支路都用一个电流传感器和一个电压传感器监测支路的电流和输出电压,将测量的电压与预期的电压进行比较,并根据偏差的大小和电流流向确定开路故障的位置。文献[11]基于计算的平均桥臂极电压与误差自适应阈值,将平均桥臂极电压偏差作为故障检测与识别的诊断变量,实现电压源逆变器单、多管开路故障诊断。文献[12]采用一个电压传感器测量CHB的网侧电压,通过对CHB网侧电压估计值与实测值的比较来定位故障。基于此类方法的开关故障诊断,由于开关器件多且非线性的影响导致建模较为困难。

为了避免建模带来的困难,相关学者采用基于智能算法的故障诊断方法。文献[13]通过特征分析选取正常模式和8种故障模式下的7个电压谐波参数作为故障特征向量,构造一个三层神经网络,其中7个特征向量为神经网络的输入层,从而可以在一个调制周期内准确地识别故障位置。文献[14]利用d-q变换将三相电压信号转换为两相来减少故障信息的维数,建立一个4层的神经网络进行故障诊断。文献[15]提出一种基于小波包变换和支持向量机的故障诊断方法,提取小波包能量作为故障特征向量,并把该故障特征向量作为支持向量机的输入量。该类方法虽然能够避免诊断精度对系统模型的依赖性,但是计算量大且不能用于实时的在线诊断。

为了实现实时的在线诊断,相关学者采用基于信号的故障诊断方法。文献[16]介绍了一种CHB三电平逆变器故障诊断方法,该方法利用输出电压和负载电流对应的波形特征进行故障诊断,解决了H桥中对角开关因故障特征相似难以识别的问题。文献[17]中的故障诊断不仅考虑单管故障,也考虑了单个二极管故障以及开关管和对应二极管同时故障的情况。文献[18]中将电平数增加至五电平,提出了一种精确识别8个开关管的单管故障诊断方法。这类方法与前两类方法相比,实现简单且容易理解,并且不需要额外的硬件电路,具有较高的实用性。

由此可见,对于CHBMI的故障诊断,基于信号的方法有更大的发展潜力。然而当双管同时发生故障,对系统的影响更为严重,但是以上方案均考虑单管OCF,对于双管OCF的诊断仍有很大的局限。目前对双管故障的研究主要集中于三相桥式逆变器,虽然文献[18]中的方法可以应用于三相级联逆变器中双管故障诊断,但2个开关管需要在不同相中分布,而在同一相中每个H桥均有一个开关管发生故障的双管故障情况下,该方法便得不到较好的诊断效果。

为了克服以上方案的不足,本文通过分析双管故障下输出电压电流以及驱动信号的特征,提出一种可以精确识别同相不同H桥双管故障的诊断方法。

1 CHB五电平逆变器的工作原理

图1为单相CHB五电平逆变器的整体拓扑结构,其采用电压源型逆变单元(H桥)串联组成以实现高压大功率输出,谐波分量少、波形畸变小。它包括:2个H桥(H桥1和H桥2)、8个带有反并联二极管(D1～D8)的IGBT开关(S1～S8)、滤波电容C、直流电源Udc、LC滤波器和感性负载。G1～G8是相应的驱动信号。交流输出端顺序连接,即各单元输出电压叠加,进而形成一个总的多电平输出电压。实际系统中级联模块的数量N是由设备的工作电压、直流侧电压和制造成本等决定。

2个H桥的输出电压分别为vo1和vo2,输出电压为vo,从图中可以得出输出电压为

vo=vo1+vo2。

(1)

控制方法采用电压电流双闭环控制,2个H桥输出电压和负载电流作为采样变量。CHBMLI常用的调制方法包括载波层叠调制(level-shifted pulse width modulation,LSPWM)和载波移相调制(phase-shifted pulse width modulation,PSPWM),与PSPWM相比,LSPWM在高电平与低电平场合都适用,而且具有开关损耗易优化和谐波特性好等优势。LSPWM包括同向层叠(phase disposition,PD)、正负反向层叠(phase opposition disposition,POD)和交替反向层叠(alternate phase opposition disposition,APOD)。

相比于其他两种方法,PD的谐波性能最好,因此采用PD-LSPWM作为调制技术,PD-LSPWM信号的产生如图2所示,其中vm(t)为正弦调制波信号,c1(t)～c4(t)为4个幅值不同的高频三角载波信号。基于PD-LSPWM的输出电压vo和各个开关Sx(x=1～8)之间的关系如表1所示,1和0分别表示开通和关断状态(对驱动信号也适用)。

表1 vo和Sx的关系Table 1 Relationship between vo and Sx

图2 PD-LSPWM信号Fig.2 Signal of PD-LSPWM

2 CHB五电平逆变器的故障特征分析

为了便于分析故障信号的特点,选取CHB五电平逆变器作为分析和仿真的对象,主要考虑位于同相不同H桥中双开关同时发生故障的情况。单相五电平逆变器共有8个开关,因此上述故障情况总共有16种,如表2所示。

表2 故障情况Table 2 Fault condition

现定义如下变量:Sxoc表示开关Sx(x=1～8)发生故障,故障下2个H桥输出电压和负载电流分别表示为vo1oc、vo2oc和iloc。根据调制波和负载电流的方向,带有感性负载的CHBMLI在正常情况下可以分为4种工作模式,如表3所示,对于其他负载,上述工作模式不再适用。特定的开关故障只在一定的工作模式下表现出故障特征,而且H桥中对角开关在相同的工作模式下表现出故障特征,即S1、S4、S5、S8和S2、S3、S6、S7分别在模式1和模式2中表现出故障特征,从而减少检测计算量。

表3 工作模式Table 3 Working mode

由于故障情况较多,以S2oc和S8oc的分析为例。在S2oc和S8oc下,每个H桥及负载电流输出波形如图3所示。对于H桥1:当G4=1,G1=G2=G3=0时,00,H桥2中电流流通方向为D7到S5;当G6=1,G5=G7=G8=0时,vo2oc≈-Udc,iloc>0,H桥2中电流流通方向为D6到D7。

图3 S2oc和S8oc下的输出波形Fig.3 Output waveform under S2oc和S8oc

3 基于信号特征的故障诊断方法

根据以上分析及故障表提出如图4所示的故障诊断方法,该故障诊断方法以H桥电压、负载电流以及相应驱动信号为诊断变量,主要通过对双管故障下H桥中对角开关进行诊断达到不同H桥下任意双管故障的诊断。图5中变量定义如下:ve1和ve2分别代表2个H桥实际电压和参考电压之间的差值,正常情况下通常在一个范围内波动,ve1在δvo1l至δvo1h范围内变化,ve2在δvo2l至δvo2h范围内变化;为了提高可靠性,引入w1和w2两个变量,分别表示2个H桥对应的误差变化百分比,取为2.5%和3%;Ts为图3(b)中过渡时段的起始时间,与开关频率和滤波器参数等有关;f1、f2和f3为相应电压电流的参考阈值。

图4 诊断过程Fig.4 Diagnostic process

图5 相关变量的定义Fig.5 Definition of related variables

诊断方法具体过程:假定同相不同H桥下的2个开关同时发生故障,分别检测2个H桥电压,通过实际电压与正常参考电压的比较判定2个H桥是否同时发生故障,当发生故障后在相应的工作模式下采集所需故障信号,进而通过诊断逻辑确定H桥中故障开关的具体位置。变量A、B和F分别用来诊断开关S1与S4、S2与S3以及S6与S7下的故障。对于S5和S8的识别还需进行信号采集时刻的判断,因此在图5中单独标出。除了采集驱动信号,对于开关S1和S4只需要采集H桥1的输出电压,而其余对角开关的判定均需采集相应H桥电压和负载电流。

4 仿真验证

4.1 仿真分析

基于MATLAB/Simulink仿真平台对故障诊断方法进行验证,仿真参数如表5所示。给定故障规定如下:对于2个故障开关均在正半周的开关以及正负半周各有一个开关发生故障在正半周期给定故障,对于2个故障开关均在负半周的开关发生故障,在负半周期给定故障。以S1oc和S6oc为例进行验证,仿真结果如图6所示。

表5 仿真参数Table 5 Simulation parameters

图6 S1oc和S6oc下的仿真结果Fig.6 Simulation result under S1oc and S6oc

在t1时刻对开关S1和S6给定故障,在t2时刻检测到开关S1故障,在t3时刻检测到开关S6故障,在t3时刻S1和S6双管故障均得到有效诊断。全部开关故障的诊断时间如表6所示,由表6可以看出,当2个故障开关都在同一个半周内,诊断时间均在0.12 ms以内,而对于在正负半周内都有分布的故障开关,诊断时间相对要长,主要是因为发生故障后2个开关的故障特征并不会在同一个半周内表现出来。整体而言,仿真达到预期效果。

表6 全部故障的诊断时间Table 6 Diagnosis time of all faults

4.2 对比分析

对于基于LSPWM技术的CHBMI,与文献[16-18]相比,所提方法考虑了2个位于同相不同H桥的开关管同时发生故障的情况,当发生故障的2个开关管位于同一个半周时的诊断时间和文献[18]基本一致,对于双管故障能够进行准确诊断。主要不足是对于2个不在同一个半周内的开关管(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)发生故障后诊断时间相对较长,而且开关管对应的所有二极管均正常工作。与现有方法[19]相比,减少了计算量且可以实现在线诊断。

5 结 论

针对CHBMI中同相不同H桥双管同时发生故障的问题,本文分析了双管故障下各故障信号的特征,提出了一种双管故障诊断方法。该方法能够利用以H桥电压、负载电流和驱动信号为采样变量的信号处理方法实现有效诊断,与现有方法相比,该方法扩展了双管故障下的拓扑为级联逆变器,提高了级联逆变器双管故障下的电平数目。此外,提高双管故障检测时间、拓展到更高电平等级和应用到其他调制技术将是未来的研究重点。