單相級聯中點箝位整流器IGBT 和傳感器的統一故障診斷方法

晉明波，葛興來

（1. 西南交通大學 唐山研究院，河北 唐山 063000；2. 西南交通大學 磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，四川 成都 610000）

0 引言

現有牽引系統中的工業頻率牽引變壓器存在體積較大、噪聲污染、輸出電壓不可調節等缺點，電力電子牽引變壓器PETT（Power Electronic Traction Transformer）可以較好地解決上述傳統電力牽引變壓器的問題［1］。作為PETT 的前端輸入級，單相級聯中點箝位整流器SPCNPCR（Single-Phase Cascaded Neutral Point Clamped Rectifier）包含大量功率電子器件和傳感器，因此其故障率較傳統電力牽引變壓器高［2-3］。作為牽引變流器的核心器件，絕緣柵雙極型晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）的主要故障類型有短路故障和開路故障，通常情況下，系統已集成硬件電路應對短路故障，與短路故障相比，開路故障雖然不會馬上使系統崩潰，但是會造成電流的失真甚至是系統其他器件的二次故障，所以研究IGBT 的開路故障診斷非常重要［4］。網側電流傳感器的采樣精度和實時性很大程度上決定了系統的動、靜態性能，同時也是實現高性能閉環系統的關鍵，所以傳感器故障診斷技術的研究也得到學者的廣泛關注［5］。因此，為了提高SPCNPCR 的可靠性和維修效率性，研究IGBT 開路故障和網側電流傳感器故障具有重要的意義。

目前針對IGBT 和傳感器的故障診斷方法分為基于信號、基于模型、基于知識的故障診斷方法?；谛盘柕墓收显\斷方法多通過提取系統的電壓［6-7］和電流［8-9］參數進行分析得出故障信息進而達到故障診斷的目的。文獻［10］提出了一種基于分析輸出電壓諧波的方法，該方法在級聯H 橋逆變器每個子模塊輸出側增加了一個電壓傳感器以實現故障模塊的定位?；陔妷盒盘柕墓收显\斷方法往往需要增加新的電壓傳感器，一定程度上增加了系統的復雜性和成本?；陔娏鞯墓收显\斷方法［11-12］雖然不需要增加新的傳感器，但是在輕載和負載突變工況下精度較低。此外，基于滑模觀測器［13］、Luenberger 觀測器［14］、Kalman 濾波器［15］、混合邏輯動態模型［16］等基于模型的故障診斷方法也被廣泛研究。文獻［13］通過構建滑模觀測器實現了級聯H橋整流器的故障診斷，該方法通過比較殘差和預先設定閾值的大小可以檢測以及診斷出IGBT 故障位置，但是不能實現多個IGBT 的故障診斷?；谥R的故障診斷方法通常需要采集系統的電壓和電流信號，通過神經網絡［17］、支持向量機［18］、模糊邏輯［19］等方法實現故障診斷，但這些方法需要大量的訓練數據，同時也需要更長的診斷時間。文獻［20］基于狀態觀測器以及殘差診斷出IGBT 開路故障位置和網側電流傳感器故障類型，但是該方法存在診斷變量單一的問題，當診斷對象為多模塊變換器時，該方法不能實現對故障模塊的定位。文獻［21］提出了應用于電壓源型逆變器IGBT 和電流傳感器復故障診斷方法，通過信號處理的方法可以診斷故障的IGBT 和電流傳感器，但是該方法不能得到電流傳感器的具體故障類型。綜上所述，通過對已有的文獻進行調研和總結，現階段的級聯變換器故障診斷算法主要存在以下問題：①現有研究主要通過增加傳感器定位級聯變換器中發生開路故障的模塊，不僅增加了系統的復雜性和成本，而且降低了系統的可靠性；②當多個IGBT 同時發生開路故障時，現有方法不能實現故障開關的有效定位；③現有方法不能區分故障源是IGBT 還是傳感器，也不能診斷具體的傳感器故障類型。

SPCNPCR 相對于三電平整流器有更多的模塊，控制策略也更加復雜，所以增加了故障檢測的難度，為此本文針對SPCNPCR 模塊內的單個／多個IGBT開路故障，以及網側電流傳感器增益、偏移和漂移故障，研究了一種SPCNPCR 的IGBT 和網側電流傳感器的統一故障診斷方法。通過對SPCNPCR 進行混合邏輯動態建模得到電壓和電流的殘差，在此基礎上可實現單個／多個IGBT 開路故障診斷和網側電流傳感器的故障診斷。最后，利用硬件在環測試系統對所提方法進行驗證。

1 SPCNPCR的狀態模型

1.1 SPCNPCR系統

SPCNPCR 系統結構如圖1 所示，由n個單獨的中點箝位（NPC）整流器構成。圖中，uN為網側電壓；ucon為系統的輸入側電壓；iN為網側電流；Udci和ioi分別為級聯模塊的直流側輸出電壓和電流；LN和RN分別為網側等效牽引電感和電阻；每個NPC 整流器包括8 個IGBT（Tim1—Tim4）及其反并聯二極管（Dim1—Dim4），以及4 個箝位二極管Dicm1—Dicm2，定義sim1—sim4為Tim1—Tim4的開關驅動信號；Ci1和Ci2為穩壓電容；Ri為等效電阻負載；i=1，2，…，n且m∈｛a，b｝。

圖1 SPCNPCR系統結構Fig.1 Structure of SPCNPCR system

瞬態電流控制、電壓均衡控制和載波移相調制技術的組合可以產生每個NPC 整流器模塊的IGBT開關驅動信號。瞬態電流控制策略如附錄A 圖A1所示，通過瞬態電流控制方法可以實現整流器的單位功率因數運行，并使系統直流輸出電壓穩定在給定值且在一定范圍內連續可調。電壓均衡控制策略如附錄A 圖A2所示，通過電壓均衡控制策略可使各模塊輸出電壓相等且穩定在給定值。載波移相脈寬調制（PWM）技術原理附錄A 圖A3 所示，調制波和n組相位差相等的三角載波（u1、u2、…、un）比較得到IGBT 驅動信號。通過載波移相PWM 技術可以提高SPCNPCR 的等效開關頻率，同時也降低了iN的諧波含量。

1.2 SPCNPCR的混合邏輯動態模型

基于混合邏輯動態模型的故障診斷方法與其他基于模型的故障診斷方法的不同之處為混合邏輯動態模型中既包含連續變量也包含離散變量。在SPCNPCR 系統中，連續變量包括uN、iN等，離散變量包括IGBT 開關驅動信號、電流極性等?；旌线壿媱討B模型的正確建立不僅需要IGBT 驅動信號，而且需要知道網側電流的極性，所以定義邏輯變量δL和λL描述網側電流極性：

式中：UCi1、UCi2分別為電容Ci1和Ci2兩側的電壓。

通過式（2）可得輸入電壓ucon的估計值u^con為：

求解式（7）可得到網側電流殘差的表達式為：式中：t0為系統中級聯模塊每次開關狀態改變后的初始時刻；q′i1、q′i2為控制電路輸出的開關信號事件。

在鐵路牽引領域中，脈沖整流器的開關頻率范圍一般為350～500 Hz。對于SPCNPCR 系統，由于使用載波移相PWM 技術，所以它的等效開關頻率是三電平脈沖整流器的2n倍。如附錄A 圖A4 所示，在此開關頻率下，e-RNt/LN和1-RNt/LN大致相等，所以式（8）可寫為：

2 故障特征的分析

2.1 IGBT開路故障特征的分析

圖2 牽引模式下Tia1發生開路故障時的網側電流和電流殘差Fig.2 Grid-side current and current residual for Tial open circuit fault under traction mode

圖3 牽引模式下Tia2發生開路故障時的網側電流和電流殘差Fig.3 Grid-side current and current residual for Tia2 open circuit fault under traction mode

將式（11）代入式（10）可得當Tia1發生開路故障時網側電流殘差的表達式為：

當Tia2發生開路故障時，sia2等效為0，由式（5）可得開關函數的表達式為：

將式（13）代入（10）可得當Tia2發生開路故障時網側電流殘差的表達式為：

其余IGBT 開路故障分析過程可類似Tia1、Tia2，本文不再贅述。各個開關管發生開路故障時的i～˙N如表1所示。

表1 不同IGBT發生開路故障時的電流殘差變化率Table 1 Change rate of current residual for open circuit faults of different IGBTs

2.2 網側電流傳感器故障分析

網側電流傳感器故障類型分為增益故障、偏差故障、漂移故障3類，相應的表達式為：

式中：y0為網側電流實際值；y為電流傳感器測量值；a、b、c分別為故障增益系數、偏差系數和漂移系數；Δt0為故障持續時間。

由式（15）可知，當傳感器發生上述3 種故障之一時，傳感器采集得到的網側電流值會與真實值存在一定的誤差，所以通過混合邏輯動態模型得到的電流估計值和傳感器采集得到的實際值不相等。網側電流傳感器發生增益故障時電流傳感器實測值iN、電流估計值以及電流殘差的變化規律如圖4所示。網側電流傳感器發生增益故障時iN、以及的變化規律如附錄A 圖A7 所示。t=0.5 s 時，分別設置傳感器增益故障和偏差故障，在故障發生前，電流殘差在0 附近波動。在電流傳感器發生增益故障后，電流實測值是電流估計值的a倍，電流殘差數學表達式為正弦函數，頻率與電流實際值相同；在電流傳感器發生偏移故障后，電流實測值與電流實際值相差常數b，電流殘差數學表達式為一常數。

圖4 電流傳感器發生增益故障時的網側電流和電流殘差Fig.4 Grid-side current and current residual for gain fault of current sensor

3 SPCNPCR的多類故障診斷算法

3.1 故障類型區分

本文的多類故障診斷算法可區分IGBT 開路故障和網側電流傳感器故障。當IGBT 發生開路故障時，所提算法可通過故障特征定位到具體的故障模塊以及發生開路故障的IGBT；當網側電流傳感器發生開路故障時，所提算法可區分電流傳感器故障類型。定義診斷變量Ei的表達式為：

同時定義診斷閾值h1、h2以及r1的表達式為：

式中：ε1、ε2、ε3為較小的誤差容錯值。

3.2 IGBT開路故障診斷算法

3.3 網側電流傳感器故障診斷算法

設f為SPCNPCR 系統網側電流的頻率，fi為電流傳感器采集數據的頻率，則網側電流傳感器每個周期采樣的數據個數為C=f/fi，定義函數m(k)和n(k)分別為：

同時為了提高該診斷算法的抗干擾性和穩定性，定義函數M(k)和N(k)分別為：

式中：Z(k)、P(k)、F(k)分別為電流傳感器發生增益故障、偏移故障和偏移故障的故障診斷結果，初始時默認取值為0，當診斷算法區分出相應的電流傳感器故障類型時置為1。傳感器故障診斷算法流程圖如附錄A圖A10所示。

4 硬件在環測試系統實驗驗證

4.1 SPCNPCR正常運行實驗結果

為了驗證SPCNPCR 的IGBT 和傳感器的故障診斷效果，本文搭建的硬件在環測試系統如附錄A 圖A11 所示。單相2 級聯NPC 整流器搭建在Starsim 中作為虛擬被控對象?？刂破鳛門MS320F28335 DSP，采樣頻率為20 kHz。Starsim實時仿真器和控制器通過接口機箱實現硬件連接完成模擬／數字信號的輸入輸出、數據交互等功能。應用于硬件在環測試系統的SPCNPCR參數如附錄A表A1所示。

SPCNPCR 正常運行的波形如附錄A 圖A12 所示。從圖中可看出，交流側電壓uN和交流側電流iN同相位，功率因數為1。交流側電流估計值和實測值iN的誤差較小，直流側電壓udci穩定，系統穩定運行。

4.2 SPCNPCR的IGBT故障實驗結果

SPCNPCR的模塊1發生故障時的診斷實驗結果如5 所示。從圖中可看出：當模塊1 沒有發生故障時，網側輸入電壓的實際值ucon和估計值之間的殘差在0 附近波動；||＞r1時，表明NPC 整流器模塊1內發生IGBT開路故障。

圖5 SPCNPCR的模塊1故障診斷的實驗結果Fig.5 Experimental results of cell1 fault diagnosis in SPCNPCR

模塊1中T1a2和T1b1發生IGBT開路故障時的診斷實驗結果分別如附錄A 圖A13 和A14 所示。當T1a2發生開路故障時，由表1 可知在不同開關信號組合下網側電流殘差變化率分別為udc/LN和udc/（2LN），且在牽引模式下網側電流在一個周期內經過T1a2的時間較多，所以變化較為明顯，實驗結果與理論分析和仿真結果相同。當T1b4發生開路故障時，由表1可知為udc/（2LN），且在牽引模式下網側電流在一個周期內流過T1b4的時間較少，所以變化較小，實驗結果與理論分析結果相同。模塊1 中T1a2和T1b1發生IGBT 開路故障時的測試結果如圖6 所示。從圖中可以看出，當模塊1 中T1a2和T1b1發生IGBT 開路故障時，＞h1，系統注入信號［1 1 0 0 0 0 0 0 0］，此時＞h2，3 個控制周期后故障診斷標志F1a2跳變為1，表明模塊1中T1a2發生開路故障。然后，系統注入信號［0 0 0 0 0 0 1 1］，此時介于h1和h2之間，3個控制周期后故障標志F1b4跳變為1，表明模塊1中T1b1發生開路故障。

圖6 模塊1的T1a2和T1b1故障診斷的實驗結果Fig.6 Experimental results of T1a2 and T1b1 fault diagnosis in cell1

4.3 SPCNPCR的傳感器故障實驗結果

網側電流傳感器發生增益故障時的診斷實驗結果如圖7 所示。設定增益參數為1.1，從圖中可知當診斷出網側電流傳感器發生故障后，M(k)＜d1，N(k)＜d2，網側電流傳感器增益故障標志位Z(k)發生跳變，即可知網側電流傳感器發生增益故障。

圖7 網側電流傳感器增益故障診斷的實驗結果Fig.7 Experimental results of gain fault diagnosis of grid-side current sensor

附錄A 圖A15 給出了網側電流傳感器發生偏移故障時的診斷實驗結果。設定偏移參數為15，從圖中可知當診斷出網側電流傳感器發生故障后，M(k)＞d1，L(k)＞d4，網側電流傳感器增益故障標志位P(k)發生跳變，即可知網側電流傳感器發生偏移故障。

網側電流傳感器發生漂移故障時的診斷實驗結果如附錄A 圖A16 所示。設定漂移參數為10，從圖中可知當診斷出網側電流傳感器發生故障后，M(k)＞d1，d3＜L(k)＜d4，網側電流傳感器漂移故障標志位F(k)發生跳變，即可知網側電流傳感器發生漂移故障。

5 結論

本文研究了一種基于模型的SPCNPCR 的故障診斷方法，實現了SPCNPCR 的IGBT 開路故障和網側電流傳感器的增益、偏移、漂移故障的綜合診斷，通過MATLAB 以及硬件在環測試平臺驗證了該方法的正確性和有效性，所得結論如下：

1）針對SPCNPCR 中模塊數量多的問題，提出了一種基于輸入電壓殘差定位發生IGBT 開路故障的模塊的方法，該方法只需在輸入端增加1 個電壓傳感器；

2）針對SPCNPCR 中IGBT 數量為兩電平整流器的2 倍、模塊結構復雜的特點，通過電流殘差變化率結合信號注入的方法可實現單個或多個IGBT 開路故障定位；

3）通過電流殘差檢測故障，基于電壓殘差可區分IGBT 和電流傳感器故障類型，并且通過對電流殘差信號進行處理可實現電流傳感器的增益、偏移和漂移故障類型區分。

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