0 引言

    隨著石化能源的枯竭和環境污染的嚴重，分布式清潔能源發電在世界范圍內迅速發展，比如風能成為解決能源危機和環境污染的不可替代的能源^[1-2]。相比于風力發電機組中的其他的機械部件，逆變器的穩定性是較差的。因此有必要提高風力發電系統中的逆變器的可靠性與穩定性^[3]。

    目前對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開環系統進行的，而實際網側變流器采用雙閉環控制方式，這些診斷方法的不足局限了在實際系統中的應用。因此，以前針對并網逆變器開環系統的故障診斷方法在閉環系統中可能不再適用或需要重新設計。

    本文通過分析對比閉環控制的并網逆變器在正常與開路故障狀態下的三相電流，提取出開路故障時的歸一化三相電流平均值和平均絕對值，在此基礎上提出一種基于相電流的多管開路故障診斷方法。通過實驗驗證，證明該方法能夠快速實時對各種單個和雙個IGBT開路故障進行準確定位。

1 單個IGBT開路故障特征分析

    并網逆變器常見的電路拓撲結構如圖1所示，其拓撲結構中包含了6個IGBT 開關管 T1~T6和6個并聯二極管D1~D6，輸入的直流電壓為V_dc。

    以開關管T1為例，當T1發生開路故障時，a相電流沒有正向流通路徑，導致其正半周期基本為0，而a相電流的負向流通路徑不受T1開路故障影響，所以負半周期不變。且這段時間內的b相和c相電流受到影響發生畸變。

    對于這種故障情況，可以利用閉環控制回路中Park變換所產生的相電流，與測量的相電流進行歸一化處理，然后取歸一化后的相電流平均值，以此來判斷故障的發生。

    對于閉環控制系統，從abc三相坐標系到dq旋轉坐標系的變換為：

2 多個IGBT開路故障特征分析

2.1 同橋臂的兩個IGBT管同時故障

    當 T1、T2同時發生開路故障時，此時a相電流既沒有正向流通路徑，也沒有負向流通路徑，而僅存在續流通路，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，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上取絕對值，然后根據條件得到歸一化的相電流平均絕對值為：

    當k_en>k_d時，就表示T1、T2同時發生開路故障。

2.2 不同橋臂的兩個IGBT管同時故障

    當T1、T3同時發生開路故障時，此時a相電流只有負向流通路徑，b相電流也只有負向流通路徑，故a相電流在正半周期變為0，b相電流則在正半周期變為0。此時的故障可以認為是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計

    通過對各種故障情況下的電流特征進行分析，從而實現故障管定位。具體的相電流故障診斷算法流程如圖2所示。

    首先利用閉環控制系統中Park變換生成的dq指令電流進行平方和開方，生成的電流矢量幅值與測量的相電流進行歸一化處理，然后對歸一化的相電流進行取絕對值和移動均值，得到相電流平均絕對值，接著與正常系統產生的相電流平均絕對值進行對比產生e_n；其次直接取移動均值，得到相電流平均值；最后根據故障診斷規則表實現故障診斷和定位。

3.1 正常工作狀態

3.2 單個IGBT管開路故障

    以T1開路故障為例進行分析，當T1發生開路故障時，a相電流的正半周期為0，理論上負半周期不受影響。此時：

3.3 同橋臂IGBT開路故障

    以a相橋臂的T1和T2開路故障為例進行分析，當T1和T2同時發生開路故障時，a相電流基本為0。此時：

3.4 不同橋臂的兩個IGBT管開路故障

    以a、b相橋臂的T1和T3同時開路故障為例進行分析，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a相電流為：

3.5 診斷規則

    為了讓診斷的方法更加簡單規則化，定義2個診斷變量，分別是：

    考慮到閉環控制對開路故障的結果有影響，所以具體的取值還需要根據實際系統的實驗結果來進行調整。詳細的故障診斷規則如表1所示。

4 實驗及驗證

    具體實驗參數如表2所示。通過對各類單個IGBT或2個IGBT開路故障進行測試，這里設定診斷閾值k_f和k_d為-0.1和0.6，其值大小可根據實際診斷需要自行設定。

4.1 正常狀態

    圖3為并網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生。

4.2 單個IGBT管開路故障

    圖4為T1開路故障時診斷波形，可以看出a相的正半周期為0。并且診斷變量ea持續增大，但它的斜率不超過閾值 k_d，而e_b和e_c向著負方向緩慢增大，且斜率都小于閾值k_f。另一方面由于上一級開關處于開路狀態，底部IGBT可使電流流過，在這個階段產生較大的負平均值，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則表中T1開路的故障特征，所以T1開路故障被檢測出來。

4.3 同橋臂的IGBT管開路故障

    圖5為T1和T2同時開路故障時診斷波形，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。所以當診斷變量e_a的斜率超過閾值k_d時，可以根據故障診斷規則表診斷出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同時開路故障時診斷波形。可以看出a相電流正半周期基本為0，b、c相電流都受到影響產生畸變。此時診斷變量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負向緩慢增大，它的斜率不低于k_f，診斷變量e_c負向增大，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，然后就可以根據故障診斷規則表診斷出T1、T3開路故障。

    同樣地，其他單個開關管或兩個開關管開路故障的實驗診斷結果均可以根據故障診斷規則表來判斷其開路故障。

5 結論

    本文綜合考慮了并網逆變器閉環控制系統的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，仿真實驗結果表明，該診斷方法是可準確快速定位故障，診斷時間很短，無需增加額外的傳感器等硬件；并且在閉環控制下進行故障診斷具有很高的可靠性，不會出現誤診斷和漏診斷現象。

參考文獻

[1] 賈君，姜建國，趙劍飛.風力發電并網控制系統的實驗研究[J].電力電子技術，2010，44(5)：5-6.

[2] 王建，李興源，邱曉燕.含有分布式發電裝置的電力系統研究綜述[J].電力系統自動化，2005(24)：90-97.

[3] 徐流建.基于鍵合圖和BP神經網絡的并網逆變器故障診斷研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2015.

[4] 安群濤，孫力，孫立志，等.三相逆變器開關管故障診斷方法研究進展[J].電工技術學報，2011，26(4)：135-144.

[5] DEBEBE K，RAJAGOPALAN V，SANKAR T S.Expert systems for fault diagnosis of VSI fed AC drives[C].Conference Record of the Industry Applications Society Meeting，1991.IEEE，1991：368-373.

[6] DEBEBE K，RAJAGOPALAN V，SANKAR T S.Diagnosis and monitoring for AC drives[C].Conference Record of the Industry Applications Society Meeting，1992.IEEE，1992：370-377.

[7] NANDI S，TOLIYAT H A，LI X.Condition monitoring and fault diagnosis of electrical motors—a review[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2005，20(4)：719-729.

[8] KHOMFOI S，TOLBERT L M.Fault diagnostic system for a multilevel inverter using a neural network[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22(3)：1062-1069.

作者信息:

韓  艷，帕孜來·馬合木提

(新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊830047)