基于误差电压协方差的两电平开路故障诊断

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

中图分类号：TM461    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）12-0010-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.003

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穩定性提出了很高的要求[1]，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[2]。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[3]，不受系统参数影响[4-5]。基于电压的开路故障诊断方法一般具有更快的响应速度[6-7]，但有些需要额外的硬件，且对器件本身参数依赖性较强[8]。

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：ΔV* 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ΔV* A-Line。以A相为例，有：

式中：ΔV* 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VCircuit X-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：VCircuit A-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。

式中：ΔVCircuit A-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ΔVCircuit X-Line，并通过Butterworth滤波器滤波得ΔVCircuit X-Line-f={ΔVCircuit A-Line-f，ΔVCircuit B-Line-f，ΔVCircuit C-Line-f}，其中ΔVCircuit X-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ΔVCircuit X-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

ΔV* X-Line-f={ΔV* X-Line-f-SX1，ΔV* X-Line-f-SX2}，其中ΔV* X-Line-f为脉冲电压预测法得出开路故障时对应输出线电压误差滤波后表达式，ΔV* X-Line-f-SX1对应SX1开路故障，ΔV* X-Line-f-SX2对应SX2开路故障。

ΔV* X-Line-f和ΔVCircuit X-Line-f相关系数，其中Cov和Var为协方差和方差。

求解ΔV* X-Line-f-SX1、ΔV* X-Line-f-SX2和ΔVCircuit X-Line-f的相關系数

μSXi={μSX1，μSX2}（i=1，2），则最大值max（μSXi）对应的SXi器件即为开路故障器件。为提高诊断的抗干扰性和精确性，如max（μSXi）＜0.7，则舍弃此次判定。

2    实验结果与分析

搭建两电平变流器实验平台来验证该开路故障定位策略的准确性，如图4所示。IGBT采用SEMICON的T型三电平模块（封锁脉冲等效两电平模块），驱动为CONCEPT公司0435T模块。通过封锁驱动模块脉冲实现对开路故障的模拟。

变流器容性电流工况下A相SA1和SA2两个器件分别开路时的定位过程如图5和图6所示。

首先，SA1发生实际开路故障，如图5所示。根据基于协方差的开路故障检测运算过程，最终求得SA1开路对应预测电压和真实电压的相似度等于0.923，SA2对应相似度等于0.128。前者值最大且大于0.7，说明预测电压和实际电压相似，即判定SA1开路故障，其结果与实际开路情况一致。

然后，SA2发生实际开路故障，如图6所示。经过运算过程，最终求得SA1对应相似度等于0.165，SA2对应相似度等于0.914。后者值最大且大于0.7，即完成SA2的开路定位。

开路定位响应时间在20～40 ms，其中最少需要20 ms用于参数采集和运算，另外20 ms由开路故障时刻决定。以上实验证明了该故障定位策略的可行性和准确性。

3    结束语

本文提出了一种基于误差电压协方差相似度定位两电平变流器IGBT开路故障的方法，通过脉冲电压预测法和真实电路求解法来获取系统正常和开路故障时对应的输出线电压误差，并引入协方差相关系数来分析两种方法得出的电压误差的相似度，根据相似度最大值判定具体单管开路故障位置。其优点在于，诊断精度高，不需要引入额外的传感器。

[参考文献]

[1] 马铭遥，凌峰，孙雅蓉，等.三相电压型逆变器智能化故障诊断方法综述[J].中国电机工程学报，2020，40（23）：7683-7699.

[2] 刘闯，寇磊，蔡国伟，等.基于人工智能的电力电子变换器开路故障诊断研究综述[J].电网技术，2020，44（8）：2957-2970.

[3] 王伯荣.T型逆变器功率开关管开路故障诊断方法和容错策略研究[D].杭州：浙江大学，2022.

[4] 陈涛.三相电压源逆变器功率管开路故障诊断方法研究[D].北京：北京科技大学，2021.

[5] 李龚睿子，陈超波，张彬彬，等.基于改进电流法的PMSM绕组开路诊断方法[J].电机与控制应用，2022，49（7）：63-69.

[6] 刘座辰，林磊，殷天翔，等.一种模块化多电平换流器子模块开路故障的快速检测与诊断方法[J].电工技术学报，2022，37（19）：4883-4894.

[7] 陈涛，刘志刚，胡轲珽，等.一种双重化脉冲整流器多管开路故障快速诊断方法[J].电工技术学报，2020，35（10）：2226-2238.

[8] 邢纹硕.基于机器学习的模块化多电平换流器子模块开路故障诊断方法研究[D].杭州：浙江大学，2022.

收稿日期：2023-03-03

作者简介：王珂（1985—），男，江苏人，讲师，研究方向：电力电子与电力传动。