基于误差电压协方差的两电平开路故障诊断.docx

摘?要：

提出一种基于误差电压协方差来诊断两电平变流器IGBT开路故障的方法，具体如下：通过两种途径（脉冲电压预测法和真实电路求解法）求出IGBT正常和开路时对应输出线电压误差。其中脉冲电压预测法假设某桥臂两个IGBT分别开路，并根据脉冲和电流回路，推导对应的故障线电压误差表达式；真实电路求解法通过电路理论求出真实的电压误差解析式。引入协方差相关系数来分析和比较两种途径得出的电压误差的相似度，并根据相似度最大值判定具体开路故障位置。最终通过实验验证了此方法的有效性。

关键词：

故障诊断；两电平；开路故障；协方差

0?引言

随着功率模块集成化技术和工艺的日趋完善，基于IGBT等开关器件的功率变换器被广泛应用于工业领域。功率变换器的核心单元由大量IGBT等开关器件构成，且开关器件的开关频率经常在千赫兹以上，这就对功率变换器的可靠性和稳定性提出了很高的要求，一旦开关器件发生开路或短路故障，会大大影响变流器的正常工作。因此，赋予开关器件自诊断功能可以大大提升检修效率，这已经逐渐成为一种发展趋势。

开路故障诊断方法主要分为两种：基于电流的诊断方法和基于电压的诊断方法。基于电流的开路故障诊断方法一般不需要额外的传感器，不受系统参数影响。基于电压的开路故障诊断方法一般具有更快的响应速度，但有些需要额外的硬件，且对器件本身参数依赖性较强。

已有的开路故障诊断方法，很多利用开关器件的脉冲状态协助判断故障，但是很少通过对脉冲状态的长时间观测来辅助故障诊断。基于此，提出一种基于输出线电压误差协方差对比的两电平变流器开路故障诊断方法。其创新性在于假设所有IGBT都分别发生开路，通过对脉冲状态持续监测，预测出所有潜在开路对应的输出线电压曲线，并与实际电压进行比较。如果某IGBT确实开路，则预测电压中有且仅有一个与真实的电压相似，从而完成定位。其中，潜在故障电压曲线通过脉冲电压预测法获取，实际电压通过真实电路求解法获取。该方法的优点在于，诊断不受负载突变的影响，在轻载时也可以保证定位的精确度和可靠性。

1?故障诊断算法的具体实现

两电平变流器拓扑图如图1所示。定义每相的开关器件为SX1、SX2、DX1、DX2（X=A、B或C，下同），定义脉冲状态为SX={1，0}。

1.1

开路故障对输出点电压影响

定义VXM为正常态输出点X对参考点M的电位，定义V’XM为故障相输出点X对参考点M的电位。比如器件SX1开路，脉冲状态SX=1，且电流iX＞0，此时输出点X不再续流到上母线“+”，而是通过M→DX2→X路径续流，对应输出电压V’XM=0；同理所有畸变情况可以概括如表1所示。

当开路故障发生时，故障相电流有可能跌为零。此时故障相可以认为悬空，输出电压不再满足表1中数值，此时需要额外推导。

零电流情况下A相输出点悬空时的等效电路如图2所示。

开路故障发生时，输出点X对M点的相电压表达式误差可以通过图2中电路推导得出：

式中：△V*XM为故障态输出点X对M点的相电压误差；VXM和V’XM分别为正常态和故障态下的输出点X对M点的相电压；eX为相电压；iX为相电流；ε为很小正值（比如0.5）。

在式（1）基础上，可以进一步推导线电压误差表达式△V*A-Line。以A相为例，有：

式中：△V*A-Line为A相线电压误差；VAM和VBM分别为正常态输出点A和B对M点的相电压；V*AM和V*BM分别为考虑零电流时故障态输出点A和B对M点的相电压。

根据式（1）（2）可以得出，开路故障时，输出相电压误差和输出线电压误差相等，即：

1.2

真实电路求解法

真实电路求解法，是通过真实回路的KVL方程求得故障相实际输出线电压，定义为VCircuitX-Line。以A相为例，其回路如图3所示。

假设忽略回路电阻影响，可得：

式中：VCircuitX-Line为故障态A相实际输出线电压；eAB为线电压；L为电感；iA和iB为相电流。

同理，对于B、C相有：

进而故障相输出线电压误差△VCircuitX-Line为：

式中：△VCircuitX-Line为故障态A相输出线电压误差；VAB为正常态A相输出线电压。

同理，对于B、C相有：

1.3

基于协方差的开路故障检测方法

首先根据真实电路求解法求出输出线电压误差△VCircuitX-Line，并通过Butterworth滤波器滤波得△VCircuitX-Line-f={△VCircuitA-Line-f，△VCircuitB-Line-f，△VCircuitC-Line-f}，其中△VCircuitX-Line-f为真实电路求解法得出的输出线电压误差滤波后表达式。当某相△VCircuitX-Line-f超过设定阈值λ（比如λ=0.5）时，则判定X相出现开路故障。然后根据前面脉冲电压预测法求出△V*X-Line-f={△V*X-L