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基于残差变化率的单相级联H桥整流器IGBT开路故障诊断

为实现单相级联H桥整流器(SPCHBR)的IGBT开路故障实时诊断,提出一种基于残差变化率的IGBT开路故障诊断方法。

首先建立SPCHBR的混合逻辑动态模型(MLD),生成网侧电流残差。然后从理论和仿真分析IGBT故障时的残差特征,结合电流残差变化率,定义不同开关信号隔离下的归一化诊断变量。通过设定阈值可以实现不同模块单个或双IGBT开路故障的检测和定位。

所提方法不需要额外的传感器,诊断信号来自于控制系统,且诊断速度较快,在其他参数不变的前提下不受网压、负载和运行工况变化的影响。最后,通过硬件在环(HIL)测试系统验证了该诊断方法的有效性和可行性。

与工频变压器相比,电力电子牵引变压器(Power Electronic Traction Transformer, PETT)具有质量轻、体积小、效率高和环境友好等优势[1,2],成为未来高速动车组(Electric Multiple Units, EMUs)轻量化的最佳选择。

而一项变流器可靠性的工业调查显示,功率半导体器件是变流器中最脆弱的部分,失效率达31%[3]。作为PETT的输入级,单相级联H桥整流器(Single-Phase Cascaded H-Bridge Rectifier, SPCHBR)中的IGBT需要在铁路牵引系统高功率、热应力和电磁干扰环境中长期运行,有更高的故障率。

IGBT作为核心部件,短路故障和开路故障是它主要的故障类型。因为任何短路故障需要在10s内检测才能避免半导体器件的损坏和直通故障的出现[4],驱动电路集成了硬件保护和监控装置以防止短路故障,但这不包括对开路故障的保护。开路故障不会导致系统立即崩溃,但会使电流失真甚至其他组件发生二次故障。因此,为提高SPCHBR的可靠性和维护效率,实现IGBT开路故障的有效诊断非常重要。

目前的故障诊断方法可以分为基于信号[5-15]、基于知识[16-18]和基于模型[19-24]三类诊断方法。基于信号的方法通常提取输出信号的主要特征用于故障诊断,故障特征的提取方法因拓扑结构特点而有所不同。

在两电平变换器中,利用Park矢量[5]、电流矢量特征[6]、傅里叶变换[7]、电流轨迹[8]以及采样理论[9]来获取电流信号中的故障信息,检测单个或多个IGBT故障。

而基于电压信号的诊断技术有更短的检测时间[10,11],在模块化多电平变换器中也拓展了相应的诊断方法[12-15]。文献[12]中通过增加冗余电压传感器,比较测量得到子模块输出电压与计算出的参考电压实现开路故障、短路故障和电压传感器故障的检测和定位。考虑到半桥子模块故障前后下桥臂承受电压不同,一种硬件检测电路被提出[13]。

对于H桥子模块,通过分析电流波形和零电压开关状态来实现故障单元和故障开关的定位[14]。考虑诊断方法不受控制技术和系统对称性的影响,文献[15]做出了改进,但要为系统的每个支路添加电压和电流传感器。基于信号的方法对系统输入信号关注较少,诊断性能可能受未知输入干扰的影响。

基于知识的方法通常与信号处理相结合,利用神经网络[16,17]、支持向量机[18]、等智能算法实现故障检测。由于高度依赖大量历史数据进行训练,基于知识的方法计算成本很高,增大了控制器的计算负担,在线实现困难。

此外,Luenberger观测器[19]、滑模观测器[20]、卡尔曼滤波器[21]、混合逻辑动态(Mixed Logic Dynamic, MLD)[22-24]等基于模型的方法也被广泛提出。文献[20]将测得的环流与观测器的计算值进行比较,通过假设-验证的方法可以定位模块化多电平变换器的开路故障。而对于应用在铁路牵引系统的单相整流器而言,需要在尽量不增加传感器的基础上利用控制系统采集和输出的信号实现故障检测和定位。

考虑到变流器系统都是由连续变化事件和离散变化事件驱动的,是一个典型的混杂系统[25],而且MLD模型是混杂系统的一种建模方法,通过考虑系统的所有控制条件、电压和电流条件,即控制变迁和条件变迁,它可以建立更精确的系统模型。

为此,基于MLD建模的方法被应用到网侧两电平和三电平变流器的故障诊断中[22-24],对铁路牵引系统的故障定位有很好的适应性,能有效避免系统其他部件出现二次故障。基于模型的诊断方法对负载变化不敏感,不需要额外的硬件。但建立模型的精确性受到参数变化的显著影响,检测阈值的选择也是这类诊断方法的关键问题。

SPCHBR相比于两电平整流器有更多的H桥单元,这增加了故障定位的难度,为此,本文针对SPCHBR模块内与模块间的IGBT开路故障,研究了一种基于电流残差变化率的故障诊断方案。首先建立考虑控制变迁和条件变迁的SPCHBR系统MLD模型,并在此基础上得到网侧电流残差。

通过分析不同IGBT故障时的残差变化率特征建立特定驱动信号隔离的归一化诊断变量,诊断变量互相独立,可实现对SPCHBR的单个或双IGBT开路故障的实时诊断。最后通过硬件在环(Hardware in the Loop, HIL)测试系统验证了该诊断方法的有效性和可行性。

基于残差变化率的单相级联H桥整流器IGBT开路故障诊断
图1  单相级联H桥整流器示意图

基于残差变化率的单相级联H桥整流器IGBT开路故障诊断
图10  硬件在环测试平台

结论
本文研究了一种基于残差变化率的单相级联H桥整流器IGBT开路故障诊断方法,可以实现级联H桥模块的单个或双IGBT开路故障的有效诊断,硬件在环测试结果证明了该方法的有效性和鲁棒性。所构建MLD模型能较为准确地估计网侧电流,故障时能在1/4基波周期内实现单管的故障定位,在1个基波周期内实现双管故障的准确定位。

提出的诊断方法不需要额外硬件设备,所有诊断信号来自于现有的控制系统。由于归一化诊断变量的使用,该诊断算法在其他参数不变的前提下对网压、负载和运行工况的突变不敏感,适用于其他含级联H桥结构的功率变换系统。

本文的不足之处是:①建立的MLD模型未考虑零电流状态,电流估计的准确性有待提高;②提出的诊断算法没有考虑模型中电感参数的变化对诊断算法的影响;③诊断变量根据不同模块驱动信号的隔离来建立,随着级联模块的增多,诊断变量会更加复杂。针对以上不足,将在以后做进一步的分析和研究。
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