（电力电子与电力传动专业论文）三电平逆变器故障诊断研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ho nf a u l td i a g n o s i so ft h r e e l e v e l l n v e r t e r m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r o n i c a ld r i v e n a m e ：g a n gx i a o s u p e r v i s o r ：p r o f s h o u z h il i a b s t r a c t s i g n a t 啪：五豳d s i g n a t u ，e ：至i 生! 必h w i t ht h ec o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o no fm u l t i l e v e li n v e r t e ri nh i g hv o l t a g ea n dl a r g ep o w e r f i e l d ，i t sf a u l tp r o b l e mb e c o m e sv e r yd i s t i n c t r e c e n t l y , r e s e a r c h e so nt h r e e - l e v e li n v e r t e rf a u l t d i a g n o s i so fh o m ea n da b r o a da r er e l a t i v e l yr a r e a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i v e a n a l y s i so fp o w e rd e v i c e s f a u l t si nm a i nc i r c u i t ，t w of a u l td i a g n o s i sm e t h o d sb a s e do nn e u r a l n e t w o r ka n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) f o rt h r e e l e v e li n v e r t e ra r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y , t o s o l v ef a u l td i a g n o s i sp r o b l e mo ft h r e e l e v e li n v e r t e r f i r s t l y , i nt e r m so ft h r e e l e v e li n v e r t e r st o p o l o g ya n dw o r kp r i n c i p l e ，f a u l tt y p e so fi n v e r t e r s m a i nc i r c u i ta r ea n a l y z e di nt h i st h e s i s t h eo p e nc i r c u i tf a u l t so fp o w e rd e v i c e si nm a i nc i r c u i t a r es e p a r a t e di n t on i n et y p e s s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h e s ef a u l t si s i m p l e m e n t e di nm a t l a b s o f t w a r e ，a n dt h r e eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r em a d e s e c o n d l y , t h ef a u l td i a g n o s i sm e t h o db a s e do n n e u r a ln e t w o r ki ss t u d i e d m a g n i t u d ea n dp h a s eo ft h ef a u l ts i g n a l sh a r m o n i c sa r eo b t a i n e da s f a u l tc h a r a c t e r i s t i cv e c t o r , b ym e a n so ff o u r i e rt r a n s f o r m ab a c k - p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k w i t ht h r e el a y e r si su s e dt oi d e n t i f yt h ea t y p i c a lf a u l t s t h ee x p e r tr u l e sa r ei n t r o d u c e di n t o d i a g n o s i sa l g o r i t h mt oi d e n t i r yt h et y p i c a lf a u l t s ，w h i c hl i g h t e n sc a l c u l a t i o nb u r d e no fn e u r a l n e t w o r ka n de n h a n c e ss p e e da n dv e r a c i t yo fd i a g n o s i s as a t i s f a c t o r yd i a g n o s i se f f e c ti s r e c e i v e d i ti sac r e a t i v ep o i n tt oa p p l yn e u r a ln e t w o r ka n de x p e r tr u l e si nf a u l td i a g n o s i so f t h r e e - l e v e lj n v e g e r i na d d i t i o n t h ef a n i td i a g n o s i sm e t h o db a s e do ns v mi ss t u d i e d a c c o r d i n g t ow a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m t h e o r y , f a u l ts i g n a l se n e r g yi nd i f f e r e n tf r e q u e n c yb a n di se x t r a c t e d a sf a u l tc h a r a c t e r i s t i cv e c t o ro fc l a s s i f i e r b a s e do no n e - a g a i n s t a l lm e t h o d ，t h em u l t i f a u l t c l a s s i f i e rm o d e li sc o n s t r u c t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dh a s e x c e l l e n tc l a s s i f i c a t i o n e f f e c t a p p l i c a t i o n o fs v mm e t h o di nt h r e e l e v e li n v e r t e rf a u l t d i a g n o s i sh a s n tb e e ns e e ni ne x i s t i n ga r t i c l e s l a s t l y , b yd e s i g n i n ga ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo f t h r e e - l e v e li n v e r t e rb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 4 0d s pc h i p ，a l lf a u l t so fp o w e rd e v i c e sa r es i m u l a t e d i nt h ep l a t f o r m s o m ef a u l tw a v e f o r m sa r cp r o v i d e d ，d i a g n o s i sr e s u l t sp r i m a r i l yd e m o n s t r a t e f e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so ff a u l td i a g n o s i sm e t h o db a s e do nn e u r a ln e t w o r k k e y w o r d s ：t h r e e l e v e li n v e r t e r ；f a u l td i a g n o s i s ；n e u r a ln e t w o r k ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) ；w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 逝圆! l 。7 年争月，日 学位论文使用授权声明 本人 国圆b 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：i ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：当函! l导师签名： 叼年甥 日 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 近年来，在高压、大功率应用场合，一种新型的变换器多电平逆变器( m u l t i l e v e l i n v e r t e r ) 受到越来越多的关注。它产生的背景是为了克服传统逆变器开关应力大，直流母 线电压利用率低等缺点，出发点是通过对主电路拓扑结构的改进，使所有功率器件工作在 基频以下，达到减小开关应力，改善输出波形的目的。与传统的两电平逆变器相比，多电 平逆变器具有功率开关电压应力低、功率器件串联均压、输出电压波形谐波含量低、电磁 干扰问题小、开关损耗小和工作效率高等优点n 1 ，因而这种结构的变换器在高电压、大电 流、大功率领域受到越来越多的关注。目前，多电平逆变器已被广泛应用在静止无功补偿 器( s t a t c o m ) 、大容量的u p s 、高压变频调速器和有源滤波等方面“1 3 1 4 1 。多电平逆变 技术已经成为电力电子领域中高压大功率变换方面最活跃的一个分支。 多电平逆变器是今后的一个发展趋势，随着多电平逆变器的广泛应用，人们对其可维 护性的要求也越来越高。虽然多电平逆变器的产生为电力电子技术在高压、大功率场合的 应用提供了很多便利，但随着电平数增加，主电路所需的开关管数量成倍增加，电路结构 和控制更加复杂，这使得电力电子设备的故障增多，系统的可靠性大大降低。多电平逆变 器一旦发生故障，轻则造成工矿企业停产，重则造成严重的、灾难性的事故，给使用部门 及社会造成了巨大的损失和影响。尽管人们为了提高系统的可靠性而采取降额设计电力电 子电路的或使用并联冗余元件或电路的方法，但这两种设计方法会使系统造价过高，仅适 应于空间条件许可的场合。为改变这种状况，国外已有研究者提出逆变器的容错技术，但 是容错技术的核心问题是逆变器的故障检测与诊断”，因此研究多电平逆变器的故障诊断 问题显得日趋重要。 传统的人工故障查找方法由于缺少详细的故障状态信息，并依赖于维修人员的经验， 要准确而且快速地诊断故障是比较困难的，导致维修周期长，影响了企业的生产。这就急 需建立一种故障自动检测和诊断系统来对逆变器故障进行有效地诊断。故障自动检测和诊 断就是实时监测电力电子设备运行状态，一旦发生故障，记录发生故障时的状态信息，运 用一定的故障诊断方法，分析故障产生的原因并确定故障发生的位置，以便及时维修，将 故障带来的损失降低到最小。目前，多电平逆变技术已经被广泛地应用，但对其故障诊断 技术，却鲜见到相关文献报道。因此，研究多电平逆变器故障诊断问题，对于今后在各种 工业场合使用的逆变器的故障诊断研究，无疑具有重要的理论意义和应用价值。 1 2 电力电子装置故障特点及诊断思想 电力电子电路的实际运行情况表明，大多数故障表现为功率开关器件的损坏，其中以 功率开关器件的开路故障和直通故障最为常见，所以一般多为结构性故障，主要是由器件 的开关特性所引起的。功率开关器件的损坏引起电路的拓扑结构改变。电力电子电路故障 西安理工大学硕士学位论文 诊断与一般的模拟电路、数字电路的故障诊断存在较大差别，故障信息仅存在于发生故障 到停电之前的数十毫秒之内，因此，需要实时监测、在线诊断；电力电子电路的功率有的 己达数千千瓦，模拟电路、数字电路中采用的改变输入看输出的方法不再适用，只能以输 出波形来诊断电力电子电路是否有故障及有何种故障“1 。 电力电子装置故障诊断是指在一定工作环境下，查明系统工作状态不正常的原因与性 质，定位故障发生的位置，预测状态劣化的发展趋势，其一般思想可以表述为： 设电力电子装置全部可能发生的状态组成状态空间x ，其可观测特征量的取值范围 全体构成特征空间l ，当电力电子装置处于某一状态鼍e x 时，系统具有特定状态y ；y ， 反之亦然，即一定特征对应一定状态，特征空间与状态空间存在一定的映射关系，故障诊 断的目的即在于根据可测量的特征向量来判断逆变器处于何种状态。 若电力电子装置可能发生的状态有限，此时我们可以将逆变器所处的正常状态称为 ，电力电子装置所处的不同故障状态称为x ，x ：，屯，当逆变器处于某一特定状态毛 时，其所对应的可测特征向量为y ，- 【y n , y 。) ，。，y 。】，故障诊断即是由其特征向量 q _ 【q l , q ：，g ，q ，】( q e y i ) 求出其所对应状态x i 的过程。故障特征值是在一定范围内变 动的，因而故障状态具有一定模糊性。故障诊断实际上是一类模式分类问题，它按特征向 量对电力电子装置状况进行分类，或者针对特征向量进行电力电子装置状态的识别。 1 3 电力电子装置故障诊断方法研究现状 电力电子故障诊断技术的研究与应用是围绕对故障征兆的“提取和识别”以及对电力 电子设备运行状态的评价展开的。电力电子故障诊断技术研究的主要内容，体现在设备故 障诊断过程中故障机理的研究、故障信息的获取、故障特征的提取、电力电子设备状态的 分析和诊断以及状态信息的存储与管理等”1 。故障诊断方法可大致分为以下几类： ( 1 ) 基于信号处理的故障诊断方法 基于信号处理的故障诊断方法通常有傅立叶分析、沃尔什分析、小波变换以及相关分 析等办法。文献 8 1 提出了用傅立叶分析诊断三相全控整流电路的方法，通过对关键点 信号波形进行傅立叶分析，将时域信息变换到频域，根据幅值特征诊断出是哪一类故障， 再用相位特征诊断到故障中的具体故障元。文献【9 】提出了基于沃尔什分析法的三相全 控整流电路诊断方法。文献【1 0 】采用离散序列小波变换对4 0 0 k v 地下电缆系统进行瞬 时故障监测与分类，主要是利用小波可以对特定的频率和时间的信号分析的特性，对高频 信号采用短窗口，对低频信号采用长窗口，通过自动调整各种频率信号的小波窗口实现对 各种信号采用类似的处理方法。这些方法无需对象的数学模型，灵敏度高，诊断速度快， 但最大的缺点是故障特征判别参数的设定，没有一种通用切实可行的方法，通常需要根据 专家经验整理归纳来设定。 ( 2 ) 基于知识的故障诊断方法 基于知识的故障诊断方法是利用人们的生产经验及对系统结构和功能的理解等知识， 借助于逻辑推理，形成与系统故障特征相联系的逻辑函数及信息代码来对系统进行故障诊 2 绪论 断。较有代表的方法是专家系统方法。专家系统建立的基础是过去的经验及其对研究系统 的故障现象的观察。文献【1 1 】针对某电压型逆变器一交流电机驱动系统建立了一个故障 树的故障诊断专家系统。文献【1 2 根据对电流向量轨迹的分析，运用电流轨迹的斜率不 同来进行故障检测及分离。文献【1 3 】提出了根据逆变器相电压、电机相电压、电机线电 压或电机中性点电压与正常状态的偏差来诊断功率器件基极无驱动故障。这些方法表达直 观，灵活性大，缺点是存在知识和经验获取“瓶颈”问题。 ( 3 ) 基于神经网络的故障诊断方法 人工神经网络是由大量简单的处理单元以某种拓扑方式相互连接而成的动力学系统。 通过调整各单元之间的权值实现网络的训练，从而避免建立复杂的数学模型。在知识获取 上，神经网络的知识获取不需要知识工程师整理、总结知识，只需用领域专家解决问题的 实例或范例来训练神经网络。在知识表示中通用性强，神经网络同一层的推理是并行的， 不同层的推理是串行的，这种推理模式运算速度快。文献【1 4 1 利用神经网络方法对无功 发生器中逆变器主回路元件开路故障进行了诊断研究。文献【1 5 将一种改进的联想记忆 神经网络应用于变频器的故障诊断。文献【1 6 采用基于聚类的神经模糊推理系统的电压 型p w m 逆变器功率开关器件的开路故障诊断问题。神经网络方法不需要对象的数学模 型，将神经引入故障预测与诊断是一种颇具潜力的方法，特别是在对象的故障模型和故障 信号之间的逻辑关系难以描述的场合。虽然神经网络的方法具有上述的优越性，但也存在 一定问题，比如训练样本难以获取，忽略了领域专家的经验知识等缺点。 ( 4 ) 基于支持向量机的故障诊断方法 支持向量机( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ) 是一种以有限样本统计学习理论为基础发展起 来的新的通用学习方法，有效地解决了小样本、高维数和非线性等情况下的学习问题，并 克服了神经网络学习方法中网络结构难以确定、收敛速度慢、过学习与欠学习以及i ) l l 练时 需要大量数据样本等缺点。文献【1 7 将基于支持向量机的多分类方法成功地应用于电机 故障诊断中。通过对异步电机的定子电流的特征分析，来区别正常和故障发生状态以及对 电机4 种故障的分类。文献【1 8 提出了一种新的高压输电线路故障混合定位方法，该方 法基于支持向量机和系统中暂态电压和电流的频率特征。文献【1 9 1 先用小波变换来提取 电能质量信号的特征向量，构成特征空间后，用模糊支持向量机对7 种电能质量进行训练 后，成功地解决了电能质量信号扰动的识别问题。与其丰富的理论研究相比，支持向量机 在电力电子电路故障诊断问题中的应用研究相对比较滞后，目前尚未有支持向量机理论在 逆变电路故障诊断中的应用研究报道，本文探讨了支持向量机理论在三电平逆变器故障诊 断中的应用。 ( 5 ) 其它的一些故障诊断方法 逆变器的故障诊断涉及到产品的可靠性，非常值得开发和研究，可以采用的方法也是 多种多样的。国内外的许多学者从各个角度研究了逆变器的故障诊断方法。文献 2 0 ，2 1 】 提出了一种基于逆变器三相平均输出电流p a r k 矢量的电压源逆变器故障诊断方法。文献 3 西安理工大学硕士学位论文 【2 2 1 介绍了一种在线诊断p w m 逆变器触发脉冲间歇性丢失故障的方法。 目前，电力电子故障诊断技术主要集中在三相整流电路、斩波电路和两电平逆变电路 中，故障诊断理论在三电平逆变器中的应用还很不成熟，国内外这方面的文献报道较少。 文献【2 3 】提出了一种通过检测三相输出相电流的幅值来诊断三电平逆变器故障的专家系 统方法。文献【2 4 】对三台逆变单元串联而成的级联型逆变器的单个功率开关器件 ( m o s f e t ) 的开路故障进行了诊断，首先检测各逆变单元的平均电压将故障定位到逆变单 元上，然后再通过电流检测将故障定位到具体的功率器件上。文献 2 5 ，2 6 1 采用5 个多 层感知器网络诊断单相级联型三电平逆变器故障。文献【2 7 提出了一种基于知识的方法 来诊断单相三电平逆变器主电路功率开关器件的开路故障，并用晶闸管替代有故障的器件 实现了容错控制。这些方法都只解决了三电平逆变器主电路的单个功率开关器件的开路故 障诊断问题。本文主要研究三电平逆变器主电路单个功率开关管以及双管故障诊断问题， 将这些故障为九大类，研究神经网络和专家规则相结合的方法在三电平逆变器故障诊断中 的应用，探讨了基于支持向量机理论的三电平逆变器多故障诊断方法。 1 4 本文的主要研究工作 本文主要研究目前应用最广泛的二极管钳位式三电平逆变器主电路故障诊断问题，首 先，对三电平逆变器各种功率开关器件的故障进行了深入的分析，然后，研究神经网络和 支持向量机理论在三电平逆变器故障诊断中的应用，最后，搭建了三电平逆变器的实验平 台，以验证本文所提出的故障诊断方法的可行性。主要研究工作有： ( 1 ) 在熟悉三电平逆变器电路拓扑结构和工作原理的基础上，分析了三电平逆变器故 障类型，建立了它的故障模型，应用m a t l a b 软件对三电平逆变器的各种功率开关器件 开路故障进行仿真，通过了对仿真结果的分析得出了一些有用的结论，并对第2 条结论进 行了数学证明，为实际系统的故障诊断提供先验知识和依据。 ( 2 ) 利用傅立叶变换提取故障信号各次谐波的幅值和相位特征，并将仿真所得结论用 于故障样本的编码中，降低了网络学习的复杂性。研究了神经网络在三电平逆变器故障诊 断中的应用，并引进专家规则对典型逆变器故障进行诊断，减轻了神经网络的负担，提高 了算法的速度和准确性。 ( 3 ) 利用小波包变换理论提取故障信号各频带的能量，作为故障分类器的特征向量。 研究了基于支持向量机的多分类方法在三电平逆变器故障诊断中的应用，仿真实验结果表 明了该方法具有很好的分类效果，在三电平逆变器故障诊断方面具有很好的应用前景。 ( 4 ) 搭建以d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 为核心控制芯片的实验系统，包括主电路、隔离与驱 动电路、采样电路、显示电路、控制电路的供电部分的设计以及d s p 控制算法程序编写 等，以验证本文所提出算法的可行性和有效性。 4 三电平逆变器故障分析与仿真研究 2 三电平逆变器故障分析与仿真研究 在对三电平逆变器进行故障诊断之前首先要对其电路拓扑和工作原理要有深入的了 解，并对可能出现的故障情况都尽可能做到全面详细的分析，为实际系统的故障诊断提供 先验知识和依据。本章在熟悉三电平逆变器拓扑结构和工作原理的基础上，分析了三电平 逆变器的故障类型，建立了它的故障模型，其次，指出了电力电子电路仿真中应该注意的 问题，应用m a t l a b 软件对三电平逆变器的各种故障进行仿真分析，得出了一些有用的 结论。 2 1 三电平逆变电路拓扑结构 多电平逆变器的一般结构是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。经过 多年的研究和发展，。多电平逆变器主要有以下三种拓扑结构。1 ：( 1 ) 中点钳位式( n e u r a l p o i n t c l a m p e d ，n _ p c ) 或二极管钳位式( d i o d e c l a m p e d ) ，( 2 ) 电容钳位式( h y i n g - c a p a c i t o r ) ， ( 3 ) 具有独立直流电压源的级联型逆变器( c a s c a d e d i n v e r t e r sw i t hs e p a r a t e dd cs o u r c e s ) 。二 极管钳位式逆变电路是多电平逆变电路拓扑结构中发展最早的一种。这种电路通过多个功 率器件串联，按一定的开关控制产生需要的电平级数，在输出端合成相应的正弦波。由于 目前二极管钳位式结构在三电平逆变器中应用最为广泛，本文主要研究这种拓扑结构的三 电平逆变器故障诊断问题。 巩2 | p 图2 - 1 二极管钳位式三电平逆变器的主电路 f i g 2 - 1m a i nc i r c u i to f n e u r a l - p o i n t - c l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r 图2 - 1 为二极管钳位式三电平逆变器的拓扑结构图，逆变器的直流母线电压为u 。， 每相由4 个开关器件( s x , 1 - s 刖，x = a ，b 或c ) 以及2 个钳位二极管( d x 。与d 砧) 组成。2 个输入电容c 。，c ：串联均分输入电压以，每个电容上的电压为玑2 ，由于钳位二极管 的作用，每个开关管在关断时所承受的电压为电容电压，即u 。2 。因此，三电平逆变器 可以在不增加器件耐压等级的情况下成倍的升高输入电压。由于控制上不存在两个器件同 5 ，；l 西安理工大学硕士学位论文 时导通或者同时关断的现象，没有动态均压和驱动信号同步的问题，对器件参数的要求不 是非常严格，系统的安全系数比传统的直接器件串联方式提高了很多。1 。 2 2 二极管钳位式三电平逆变器工作原理 以输出相电压a 相为例，分析图2 - 1 所示三电平逆变器主电路工作情况舯1 3 1 l i ( 1 ) 给s 。j 、s t 2 导通触发脉冲，s ”、s 州关断时，如负载电流为流入方向( 相对于 负载) ，则电源对电容c 。充电，电流流过主管s 。，、s 。：，忽略管压降，该相输出端电压 u u 。2 ；如负载电流为流出方向，电流流过与主管s 。、s a , 2 并联的续流二极管对电 容c ，充电，则该相输出端电压是u u 。2 。 ( 2 ) 给s a 2 、s 导通触发脉冲，s 。j 、s a , a 关断时，如负载电流为流入方向，则电源 对电容c ，充电，电流流过钳位二极管d 。、主管s 。，此时该相输出端电压u = o ；，如负 载电流为流出方向，电流流过与主管s ”，再流过钳位二极管d 柚，电源对电容c ：充电， 则该相输出端电压是u = o 。 ( 3 ) 给s 。、s a , 4 导通触发脉冲，s 。、s a , 2 关断时，如负载电流为流入方向，则电源 对电容c ：充电，电流流过主管s a 3 、s “，该相输出端电压u 一一u 。2 ；如负载电流为 流出方向，电流流过与主管5 。、s a , 4 并联的续流二极管对电容c ：充电，则该相输出端电 压是u ；一u d 2 。 表2 - 1 给出了x ( x = ab 或c ) 相的输出电压与功率器件三种开关状态的关系，从表 2 - 1 可以发现，功率开关s 。j 和，的状态是相反的，：和，。的状态也是相反的；每 相桥臂中间的两个m o s f e t 工作的时间最长，发热也多一些，因此实际系统散热设计应 以这两个m o s f e t 为准。 表2 - 1 输出电压与主管开关状态关系 t a b 2 - 1t h er e l a t i o nb e t w e e no u t p u tv o l t a g ea n dm a i ns w i t c hs t a t e s 开关状态 s z js j ，2s f ，3s z 4 输出电压 p o no no f fo f f + 玑2 0 o f fo no no f f0 no f f o f fo no n 一【，d 2 2 3 三电平逆变器主电路故障分析 所谓逆变器系统故障，是指系统的运行处于不正常状态( 劣化状态) ，即逆变器相应的 行为( 输出) 超出容许范围，使逆变器的功能低于规定的水平，这种劣化状态称为故障。据 统计，8 0 的控制系统失效都源于元器件的故障“1 。三电平逆变器装置中，主电路功率 开关器件是其中最易于发生故障的薄弱环节。图2 1 所示的常见的三电平逆变器的主电路 故障模式可分为以下几种“： ( 1 ) 任一功率开关器件基极驱动故障( e ) 。 ( 2 ) 任一功率开关器件短路故障( e ) 。 6 三电平逆变器故障分析与仿真研究 ( 3 ) 任一功率开关器件间歇性断路故障( e ) 。 ( 4 ) 任一逆变桥臂几个功率开关器件同时断路故障( 或逆变器输出缺相故障) ( 只) 。 ( 5 ) 任一逆变桥臂几个功率开关器件同时短路故障( ，5 ) 。 ( 6 ) 交叉两逆变桥臂几个功率开关器件同时断路故障( e ) 。 ( 7 ) 无源元件失效故障( ，7 ) 。 三电平逆变器上的开关元件通常由独立的基极驱动电路驱动，驱动电路单元的故障通 常表现为驱动电源失效，元件击穿或开路，造成第一类故障，其故障特性为控制极击穿或 断路，即开关元件断路；故障f ，可能是由于开关元件的反向击穿所引起，也可能是由于 桥臂的绝缘破坏或并接在元件两端的r c 吸收回路短路所造成；故障只多是由于控制电路 元件性能变差或电磁兼容性差( 例如电路自激) 导致开关元件基极驱动出现故障，这会使逆 变器电压输出波形变差，引起其它元件过载；故障e 可能由于基极电路故障所致；故障只 产生的原因很多，如同一桥臂功率元件互锁延迟时间太小，过大的a v d t 在漏栅极之间产 生转移电流而形成误导通等，任一元件短路后造成另一元件开关应力增大也致使其短路破 坏；故障疋可能由门极故障、串接熔断器熔断或触发脉冲丢失所致；故障f 4 、e 和，6 这 三种故障都会造成整个逆变器失效：故障只往往表现为电容击穿、漏气爆炸、电感饱和、 电阻器烧断等现象，这也会直接造成逆变器失效。 电力电子装置的功率开关器件工作在高频开关状态，损耗较大，发热严重，发生故障 的概率最大，实际运行情况表明，大多数故障表现为功率开关器件的损坏，其中以功率开 关器件的开路故障和直通故障最为常见“1 。短路故障由于存在的时间非常短，在线实时检 测难度很大，短路故障最终还是会表现为开路。短路故障很快会导致过流保护，因此如果 系统中有电流传感器和过流保护，该故障很快被检测到。开路故障不会导致过流，然而系 统可以“带病”运行。由于有器件故障的桥臂不能输出电压，逆变器的输出电流回路会因 此中断，这将使得输出电压幅值减小，这种故障在系统实际运行中很难被发现，虽然系统 也可能有欠压保护，但这种保护的适应范围也很有限。输出电压的不正常导致负载工作不 正常并且可能对负载( 如电机) 造成很大程度的损坏，所以对于这种故障需要特别的测试措 施。考虑到以上原因，本文主要研究功率开关器件的开路故障( 即以上的e 、f 4 和f 6 ) 诊 断问题。 三电平逆变器主电路故障情况比较复杂，由于它是由多个功率开关器件串联的非线性 系统，所以其故障组合数目众多，只有在抓住主要问题的情况下进行合理简化才能得到比 较满意的效果。考虑到实际系统运行时出现故障的情况，为便于分析，假定最多同时有两 个功率开关器件发生故障，再多故障的诊断也可以此类推。另外，假定有多个功率开关器 件同时发生故障，逆变器也早已不能工作了，对这些情况考虑也没有太大的研究意义。将 无故障情况看作一种特殊故障，这样可将三电平逆变器主电路功率器件开路故障情况分为 九大类，分别如下： 第一大类：正常运行，没有功率m o s f e t 故障； 7 西安理工大学硕士学位论文 第二大类： 第三大类： 第四大类： 第五大类： 第六大类： 有一只功率m o s f e t 故障，分为1 2 小类，o p s 。故障，其中： ，- l 2 , 3 ，4 ； 单一桥臂有两只功率m o s f e t 同时发生故障，分为1 2 小类， 同时发生故障，其中：i 一爿，b ，c ，一1 , 2 ，万一3 , 4 ； i 一一，b ，c ， 即s “与s h 逆变器上半部分交叉两桥臂有两只功率m o s f e t 同时发生故障，分为 c ，2 c ：- 1 2 d 类，即& 与s 。同时发生故障，其中：i , m 一彳，b ，c ，f - m ， j , n 一1 , 2 。 逆变器下半部分交叉两桥臂有两只功率m o s f e t 同时发生故障，分为 口c ：一1 2 d x 类，即& 与s 。同时发生故障，其中：i , m a ，b ，c ，i _ m ， j , n 一3 , 4 a 逆变器交叉两桥臂中，每只桥臂1 ，4 管中各有一只功率m o s f e t 发生故 障，分为c ，2 c ：一6 小类，即氏与s 。同时发生故障，其中： f ，所一a ，b ，c ，i r a ，j , n 一1 , 4 ，j 雄。 第七大类：逆变器交叉两桥臂中，每只桥臂2 ，3 管中各有一只功率m o s f e t 发生故 障，分为c ，2 c ：一6 小类，即品与s 。同时发生故障，其中： f ，行一a ，b ，c ，i _ r a ，y , n 一2 ，3 ，j n 。 第八大类：逆变器交叉两桥臂中，每只桥臂1 ，3 管中各有一只功率m o s f e t 发生故 障，分为c ；c ：；6 小类，即& 与s 。同时发生故障，其中： i , m a ，b ，c ，i ，m ，玎一l 3 ，- 厅。 第九大类：逆变器交叉两桥臂中，每只桥臂2 ，4 管中各有一只功率m o s f e t 发生故 障，分为口c ：一6 小类，即晶与s 。同时发生故障，其中： i , m - a ，b ，c ，i - m ，l n 一2 ，4 ，j h 。 以上将三电平逆变器主电路功率开关器件的开路故障分为九大类，共有1 + 4 x1 2 + 4x6 = 7 3 小类。本文将第一大类到第三大类共2 5 种故障记为典型故障，将其余的第四大 类到第九大类共4 8 种故障记为非典型故障。本论文其余地方如无特别说明，典型故障和 非典型故障的含义均与此处的含义相同。 2 4 三电平逆变器故障仿真研究 2 4 1 主电路仿真中需要注意的问题 故障诊断的核心问题在于检测相应的故障特征，在无完全实践经验的情况下，为描述 逆变器的故障模式及实现系统故障后的迅速修复，对逆变器系统的不正常状态的计算机仿 真就显得很有必要“1 。为了更加准确地把握故障特征，给实际系统的故障诊断提供先验知 识和依据，在仿真时需要注意如下一些问题。 电力电子电路故障波形的仿真研究的是为了获取进行故障特征提取的原始信号。当逆 变器电路出现故障时，测试点的电压电流及电压电流波形发生异常。基于这一思想，要选 三电平逆变器故障分析与仿真研究 择合适的测试点，首先对无故障的电路进行仿真分析，建立测试点波形，然后根据电路实 际情况模拟各种故障，建立测试点的故障波形。 在电力电子电路主回路故障时，要仿真分析电力电子装置所有可能的工作状况，以尽 可能符合实际工作情况。因为不同的工作状况对应的正常情况波形和故障情况波形不尽相 同，例如三电平逆变器在实际中工作时，输入电压和负载大小都可能发生变化，若只对部 分工作状况波形进行分析则必然会造成信息的遗漏，因此，在进行仿真时，就应当在了解 逆变器所有的工作状况下，选取其中具有代表性的情况，在合理简化之后进行波形仿真， 以最大限度保持信息的完整性，为正确地进行故障诊断打下良好的基础，这也会使研究出 的诊断方法更具有合理性和适应性。 在具体电路仿真时，仿真算法和步长的选取、仿真时间长短的设定以及故障波形的采 样频率的选取等问题都需要认真考虑，并通过反复实验最终来确定。因为这些都密切关系 到仿真的速度、精度及有效性等。 2 4 2 兰电平逆变器故障仿真 三电平逆变器是十分复杂的非线性时变系统，采用常规方法对其建模和分析非常困 难。本文利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 和p o w e rs y s t e mb l o c k s e t 建立三电 平逆变器故障检测与诊断系统的电路仿真模型，通过仿真实验模拟三电平逆变器的各种故 障并对其进行分析，为后面的诊断提取尽可能多的系统故障特征信息。 本文建立的三电平逆变器电路仿真模型如图2 2 所示，该模型由t h r e e p h a s eb r i d g e 、 t h r e el e v e lb r i d g e 、l cf i l t e r 、t h r e e p h a s es e r i e sl o a d 、v o l t a g e r e g u l a t o r 、s p w m g e n e r a t o r 、f a u l t 。g e n e r a t o r 以及m e a s u r e 、p o w e r g u i 等模块构成，下面对该系统做简要的 介绍。 图2 - 2 三电平逆变器的电路仿真模型 f i g 2 - 2c i r c u i ts i m u l a t i o nm o d e lo ft h r e e - l e v e li n v e r t e r 9 西安理工大学硕士学位论文 t h r e el e v e lb r i d g e 为三电平逆变器主电路模块，由m o s f e t 和钳位二极管组成，接 受由f a u l t g e n e r a t o r 模块生成的1 2 个功率m o s f e t 的控制信号。 s p w m g e n e r a t o r 模块用于产生三电平逆变器工作所需的功率器件驱动信号，图2 3 为该模块内部一相的s p w m 信号产生图。产生的方法为载波正弦脉冲宽度调制法 ( s p w m ) ，图2 4 给出了这种方法的原理图。从图2 4 可以看到，它是以一个正弦波作为 基准波，用一列等幅的三角波载波与基准正弦波进行比较。当基准正弦波高于三角波时， 输出为高电平，否则输出为低电平，这样可以得到一列p w m 脉冲，然后根据这些脉冲和 基准正弦的正负来产生该相4 个功率器件的驱动信号波形。其它两相驱动信号产生的方法 类似，只是基准正弦波相位互差2 e t 3 角度。这种方法产生的驱动信号的特点是：在半个 周期中等距、等幅、不等宽，总是中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲面积与该区间正 弦波下的面积成比例，饲方波调制相比，输出电压中高次的谐波分量显然可以大大减小。 图2 - 3 一相s p w m 控制信号仿真图 f i g 2 - 3s i m u l a t i o np i c t u r eo fs i n g l e - a ms p w m c o n t r o ls i g n a l 兰角载波 基准确玄渡 负基准正弦渡 u 5 l u 5 0 u 驴 u 酣 图2 4 一相s p w m 控制信号产生原理图 f i g 2 - - 4p r i n c i p l ep i c t u r eo f s i n g l e - a n ns p w m c o n t r o ls i g n a l v o l t a g er e g u l a t o r 模块实时地调节逆变器输出电压的幅值，以满足实际需要，该模块 内部如图2 5 所示。该模块采用数字p i 控制，采样逆变器三相电压值，通过p a r k 变换转 化为二维信号，这样可降低所要处理信号的复杂性又不丢掉系统的信息，转化后的信号与 参考信号比较并经p i 调节，最后再将p i 调节器的输出信号反变换成三相正弦信号送给 1 0 三电平逆变器故障分析与仿真研究 s p w m g e n e r a t o r 模块。 图2 - 5p i 电压调节模块 f i g 2 - 5p iv o r a g er e g u l a t o rm o d u l e f a u l tg e n e r a t o r 模块由m 文件和基本仿真模块构成，可以通过修改m 文件产生各种 故障，可以方便的设定发生故障的起始时刻，也可以在一次仿真中对所有可能发生的故障 都进行模拟，然后可通过t of i l e 模块将故障波形的采样数据存储成m a t 文件格式，以便 后面的分析与处理，m a t 文件中数据排列方式是按行排列的，第一行为时间信息，第二至 第四行为三相输出电压值。 4 0 0 毛2 0 0 b 0 - 2 0 0 加o 鞘 至匿 署2 0 0 一b 0 2 t m a e ( s ) 。i h e ( s ) ( a ) 相电压波形( b ) 线电压波形 图2 - 6 三电平逆变器无故障时输出电压波形图 f i g 2 - 6o u t p u tv o l t a g ew a v e f o r m so ft h r e e l e v e li n v e r t e rw h e n n of a u l t so c c u r 图2 - 6 给出了用以上方法建立的三电平逆变器模型，仿真得到无故障时逆变器输出电 压波形图。从图2 - 6 可以看到，三电平逆变器输出相电压和线电压波形均为工频5 0 h z 的 正弦波，线电压的幅值为相电压幅值的3 倍，线电压相位与相电压相位相差3 0 。，即 d 。一, - 3 u 。- 3 0 。，从而说明此仿真平台搭建是正确的。 为了节约篇幅，图2 7 只给出了a 相各种故障情况下