0 引言

    隨著石化能源的枯竭和環(huán)境污染的嚴(yán)重，分布式清潔能源發(fā)電在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，比如風(fēng)能成為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的不可替代的能源^[1-2]。相比于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的其他的機(jī)械部件，逆變器的穩(wěn)定性是較差的。因此有必要提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器的可靠性與穩(wěn)定性^[3]。

    目前對(duì)IGBT開路故障診斷方法大致分為三大類：基于模型的故障診斷方法^[4]、基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法^[5-6]和基于人工智能的故障診斷方法^[7-8]。然而，這些診斷算法都是針對(duì)開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行的，而實(shí)際網(wǎng)側(cè)變流器采用雙閉環(huán)控制方式，這些診斷方法的不足局限了在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，以前針對(duì)并網(wǎng)逆變器開環(huán)系統(tǒng)的故障診斷方法在閉環(huán)系統(tǒng)中可能不再適用或需要重新設(shè)計(jì)。

    本文通過分析對(duì)比閉環(huán)控制的并網(wǎng)逆變器在正常與開路故障狀態(tài)下的三相電流，提取出開路故障時(shí)的歸一化三相電流平均值和平均絕對(duì)值，在此基礎(chǔ)上提出一種基于相電流的多管開路故障診斷方法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該方法能夠快速實(shí)時(shí)對(duì)各種單個(gè)和雙個(gè)IGBT開路故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

1 單個(gè)IGBT開路故障特征分析

    并網(wǎng)逆變器常見的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中包含了6個(gè)IGBT 開關(guān)管 T1~T6和6個(gè)并聯(lián)二極管D1~D6，輸入的直流電壓為V_dc。

    以開關(guān)管T1為例，當(dāng)T1發(fā)生開路故障時(shí)，a相電流沒有正向流通路徑，導(dǎo)致其正半周期基本為0，而a相電流的負(fù)向流通路徑不受T1開路故障影響，所以負(fù)半周期不變。且這段時(shí)間內(nèi)的b相和c相電流受到影響發(fā)生畸變。

    對(duì)于這種故障情況，可以利用閉環(huán)控制回路中Park變換所產(chǎn)生的相電流，與測(cè)量的相電流進(jìn)行歸一化處理，然后取歸一化后的相電流平均值，以此來判斷故障的發(fā)生。

    對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)，從abc三相坐標(biāo)系到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換為：

2 多個(gè)IGBT開路故障特征分析

2.1 同橋臂的兩個(gè)IGBT管同時(shí)故障

    當(dāng) T1、T2同時(shí)發(fā)生開路故障時(shí)，此時(shí)a相電流既沒有正向流通路徑，也沒有負(fù)向流通路徑，而僅存在續(xù)流通路，故a相電流基本為0，即a相電路斷開，僅b、c相電路工作。此時(shí)，式(4)中定義的相電流平均值無法表征故障情況，需要新的診斷變量。

    在相電流幅值的基礎(chǔ)上取絕對(duì)值，然后根據(jù)條件得到歸一化的相電流平均絕對(duì)值為：

    當(dāng)k_en>k_d時(shí)，就表示T1、T2同時(shí)發(fā)生開路故障。

2.2 不同橋臂的兩個(gè)IGBT管同時(shí)故障

    當(dāng)T1、T3同時(shí)發(fā)生開路故障時(shí)，此時(shí)a相電流只有負(fù)向流通路徑，b相電流也只有負(fù)向流通路徑，故a相電流在正半周期變?yōu)?，b相電流則在正半周期變?yōu)?。此時(shí)的故障可以認(rèn)為是T1故障與T3故障的疊加，使用前面定義的歸一化相電流平均值與k_en可以判斷出T1與T3故障。

3 基于相電流的故障診斷算法設(shè)計(jì)

    通過對(duì)各種故障情況下的電流特征進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)故障管定位。具體的相電流故障診斷算法流程如圖2所示。

    首先利用閉環(huán)控制系統(tǒng)中Park變換生成的dq指令電流進(jìn)行平方和開方，生成的電流矢量幅值與測(cè)量的相電流進(jìn)行歸一化處理，然后對(duì)歸一化的相電流進(jìn)行取絕對(duì)值和移動(dòng)均值，得到相電流平均絕對(duì)值，接著與正常系統(tǒng)產(chǎn)生的相電流平均絕對(duì)值進(jìn)行對(duì)比產(chǎn)生e_n；其次直接取移動(dòng)均值，得到相電流平均值；最后根據(jù)故障診斷規(guī)則表實(shí)現(xiàn)故障診斷和定位。

3.1 正常工作狀態(tài)

3.2 單個(gè)IGBT管開路故障

    以T1開路故障為例進(jìn)行分析，當(dāng)T1發(fā)生開路故障時(shí)，a相電流的正半周期為0，理論上負(fù)半周期不受影響。此時(shí)：

3.3 同橋臂IGBT開路故障

    以a相橋臂的T1和T2開路故障為例進(jìn)行分析，當(dāng)T1和T2同時(shí)發(fā)生開路故障時(shí)，a相電流基本為0。此時(shí)：

3.4 不同橋臂的兩個(gè)IGBT管開路故障

    以a、b相橋臂的T1和T3同時(shí)開路故障為例進(jìn)行分析，則a、b相電流的正半周期均為0，而理論上c相電流不受影響。此時(shí)a相電流為：

3.5 診斷規(guī)則

    為了讓診斷的方法更加簡單規(guī)則化，定義2個(gè)診斷變量，分別是：

    考慮到閉環(huán)控制對(duì)開路故障的結(jié)果有影響，所以具體的取值還需要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來進(jìn)行調(diào)整。詳細(xì)的故障診斷規(guī)則如表1所示。

4 實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證

    具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。通過對(duì)各類單個(gè)IGBT或2個(gè)IGBT開路故障進(jìn)行測(cè)試，這里設(shè)定診斷閾值k_f和k_d為-0.1和0.6，其值大小可根據(jù)實(shí)際診斷需要自行設(shè)定。

4.1 正常狀態(tài)

    圖3為并網(wǎng)逆變器在正常條件下的診斷波形。在無故障的情況下，歸一化的相電流平均值和e_n基本保持0不變，均未超過閾值，因此可以診斷無故障發(fā)生。

4.2 單個(gè)IGBT管開路故障

    圖4為T1開路故障時(shí)診斷波形，可以看出a相的正半周期為0。并且診斷變量ea持續(xù)增大，但它的斜率不超過閾值 k_d，而e_b和e_c向著負(fù)方向緩慢增大，且斜率都小于閾值k_f。另一方面由于上一級(jí)開關(guān)處于開路狀態(tài)，底部IGBT可使電流流過，在這個(gè)階段產(chǎn)生較大的負(fù)平均值，使〈i_aN〉一直小于0，診斷變量M_a就為L。所有的故障特征都滿足診斷規(guī)則表中T1開路的故障特征，所以T1開路故障被檢測(cè)出來。

4.3 同橋臂的IGBT管開路故障

    圖5為T1和T2同時(shí)開路故障時(shí)診斷波形，可以看出a相電流基本為0。并且診斷變量e_a開始正向迅速增大，它的斜率超過閾值k_d，另一方面〈i_aN〉也基本為0。所以當(dāng)診斷變量e_a的斜率超過閾值k_d時(shí)，可以根據(jù)故障診斷規(guī)則表診斷出T1、T2開路故障。

4.4 不同橋臂的IGBT管開路故障

    圖6為T1和T3同時(shí)開路故障時(shí)診斷波形?？梢钥闯鯽相電流正半周期基本為0，b、c相電流都受到影響產(chǎn)生畸變。此時(shí)診斷變量e_a開始正向增大，它的斜率不超過閾值k_d，診斷變量e_b負(fù)向緩慢增大，它的斜率不低于k_f，診斷變量e_c負(fù)向增大，它的斜率不高于k_f。另一方面〈i_aN〉小于0，〈i_bN〉和〈i_cN〉大于0，所以M_a為L，M_b為H，M_c為H，然后就可以根據(jù)故障診斷規(guī)則表診斷出T1、T3開路故障。

    同樣地，其他單個(gè)開關(guān)管或兩個(gè)開關(guān)管開路故障的實(shí)驗(yàn)診斷結(jié)果均可以根據(jù)故障診斷規(guī)則表來判斷其開路故障。

5 結(jié)論

    本文綜合考慮了并網(wǎng)逆變器閉環(huán)控制系統(tǒng)的IGBT模塊的多種開路故障情況，提出一種基于相電流的故障診斷方法，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該診斷方法是可準(zhǔn)確快速定位故障，診斷時(shí)間很短，無需增加額外的傳感器等硬件；并且在閉環(huán)控制下進(jìn)行故障診斷具有很高的可靠性，不會(huì)出現(xiàn)誤診斷和漏診斷現(xiàn)象。

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作者信息:

韓  艷，帕孜來·馬合木提

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047)