三相四开关有源电力滤波器故障诊断研究.pdf

第 4 2卷 第 1 1 期 2 0 1 6 年 l 1 月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Aut o ma t i on Vo I ． 4 2 NO ．1 1 NO V．2 O 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O l 6 1 1 0 0 5 9 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 1 1 ． 0 1 4 张满 ， 王涛 ， 李志新． 三相四开关有源电力滤波器故障诊断研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 1 5 9 6 3 ． 三相四开关有源电力滤波器故障诊断研究 张满 ， 王 涛 ， 李 志新 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 为解决三相四开关有源电力滤波器系统 中 I G B T开路故障诊断问题 ， 提 出了一种基于电压检测的 I GB T 开路 故 障诊 断 方 法。该 方法 只需 采集 一个 线 电压 信 号 ， 再 结合 系统控 制 器 已经检 测 出的 电流和 I GB T 开关信号， 便可快速准确地诊 断出故障并能确定故障位置 。该方法适 用于单管和 多管的开路故障诊 断。仿 真 和 实验 结 果验证 了该 方 法的有 效性 和 可靠性 。 关键词 三相四开关；有源电力滤波 器；故障诊断；电压检测 中图分类号 TD 6 1 1 文献标志码 A 网络 出版时间 2 0 1 6 1 0 2 8 1 6 2 9 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 1 0 2 8 ． 1 6 2 9 ． 0 1 4 ． h t ml S t u d y o n f a u l t d i a g no s i s o f t hr e e ph a s e f o ur s wi t c h a c t i v e p o we r f i l t e r s ZHANG M a n， W ANG Ta o，LI Zhi x i n S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y， Xu z h ou 2 2 1 0 0 8，Chi na Ab s t r a c t I n or d e r t o s ol v e pr ob l e m o f f a u l t di a gn os i s o f I GBT o pe n c i r c u i t o f t hr e e p ha s e f ou r - s wi t c h a c t i v e p o we r f i l t e r s y s t e m，a f a u l t d i a g n o s i s me t h o d o f I GBT o p e n c i r c u i t b a s e d o n v o l t a g e d e t e c t i o n wa s p u t f o r wa r d ．Th i s me t h o d o n l y n e e d t o s a mp l e a l i n e v o l t a g e s i g n a l ，a n d c o mb i n e s wi t h c u r r e n t a n d I GB T s wi t c h i n g s i g n a l s d e t e c t e d b y s y s t e m c o n t r o l l e r s ，t h e n i t c a n q u i c k l y a n d a c c u r a t e l y d i a g n o s e f a i l u r e a n d d e t e r mi n e t h e f a u l t 1 o c a t i o n．M e a n wh i l e 。t h e d i a g n o s i s me t h o d i S s u i t a b l e f o r I GB T o p e n c i r c u i t f a u l t di a g n os i s o f s i ng l e t ub e a nd mul t i t u be．The s i mul a t i on a n d e xp e r i me n t a l r e s ul t s ve r i f y t he va l i di t y a nd r e l i a bi l i t y o f t he d i a g no s i s m e t ho d． Ke y wo r d s t hr e e p ha s e f o ur s wi t c h；a c t i v e po we r f i l t e r；f a u l t d i a g no s i s；v o l t a g e de t e c t i o n 0 引言 随着电力 电子技术 的不断发展 ， 电力 电子设备 得 到 了广泛 的应用 ， 谐 波 所 产 生 的 危 害也 越 来 越 严 重f 】 J 。现在抑制谐波的一个有效措施是采用有源电 力 滤 波 器L 1 Ac t i v e P o we r F i l t e r ， AP F 。与 三 相 六 开关 AP F相 比 ， 三 相 四开关 AP F 的一 个 桥 臂 由 一 对 电容代替 ， 成本和损耗得到了降低 ， 也简化了驱 动电路 ] 。因此 ， 三相 四开关 AP F有很高的研究价 值。I G B T作为 AP F的开关器件 ， 它的可靠性直接 影响到 AP F的正常运行 ] 。I G B T作 为逆变器件 ， 长时间工作在高温、 高频状态， 因此， 其很容易发生 故障。AP F在运行过程中， 可 能出现 I GB T开路故 障和短路故障， 尤其在发生开路故 障时， 往往会选择 不 迅 速停 机 ， 这 将 有 可能 造 成 更 严 重 的 后 果l 4 ] 。在 开关器件发生开路故障时 ， 如何迅速诊 断出故障并 判断出故障位置 ， 然后采取有效措施 ， 避免更严重的 损 坏 ， 得 到越来 越 多学 者 的关 注 ] 。 对于 I G B T开路故障 ， 国内外已有很多研究 ， 也 提 出了很多故 障诊断的方法。参考文献[ 6 7 ] 提出 了平均电流 P a r k矢量法， 通过对 比正常状态和故障 状态时三相平均电流 P a r k矢量 的幅值和相位确定 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 5 - 2 7 修回 日期 2 0 1 6 - 0 7 1 9 责任编辑 张强 作者简介 张满 1 9 9 0 一 ， 男 ， 安徽蚌埠人 ， 硕士研 究生 ， 主要研究 方 向为 电力 电子 技术在 电力 系统 中的应用 、 电网 电能质量 动态 补偿 技术 E ma i l z h a n g ma n 2 8 0 9 1 6 3 ． c o m。 6 O 工矿 自动化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 故障位置， 但该方法在负载突变时容易出现误诊断 。 参考文献[ 8 ] 提出了基于离散傅里叶变换 的归一化 方法 ， 利用电动机 电流平均值对基波分 量进行归一 化 ， 从而避免负载突变时的误诊断。参考文献E 9 ] 提 出了直流侧电流频谱分析法 ， 根据直流侧 电流频谱 的低频部分判断故障， 但该方法无法确定故障位置。 参考文献[ 1 0 - ] 提 出了一种 电流矢量 瞬时频率诊断 法 ， 根据瞬时频率值判断故障 ， 该方法虽然简单、 易 实现， 但 不 能判 断 出故 障的具 体位 置。参考 文献 [ 1 1 ] 提出了一种小波分析法 ， 先对 电流信号进行小 波变换 ， 然后根据提取的特征信号判断故障 ， 这种方 法相对复杂 ， 实现起来 比较 困难。参考文献[ 1 2 ] 提 出了基于 I GB T输 出功率的开路故 障诊断方法 ， 由 于 AP F系统 电流 中含有 大量 谐波 ， 导致 该方 法 出现 误诊断。参考文献[ 1 3 ] 根据变频器故障时与正常状 态时电压的不同， 通过误差值判断故障， 其诊断时间 很短。参考文献[ 3 ， 1 4 ] 通过增加额外 的硬件电路来 诊断故障 ， 虽然该方法操作简单 ， 容易实现 ， 诊断时 间短 ， 但增加了成本。参考文献[ i s 一 1 6 ] 提出将专家 系统法用于故障诊断 ， 该方法的缺点是很难建立完 整 的知识库 。 考虑 到 AP F系统 中含 有 大量谐 波 ， 上述 参考文 献 中基于 电流诊 断 的方法 很容 易 出现误诊 断 。为解 决三相四开关 AP F系统中 I GB T开路故障诊断问 题 ， 结合三相四开关有源 电力滤波器的拓扑结构 ， 本 文提出了一种基于电压检测的 I GB T开路故障诊断 方法。该方法只需采集一个线电压信号 ， 结合系统 控制器 已经 使用 的信号 ， 便可 快速 准确 地诊 断 出 三相 四开关 AP F系统中的 I G B T开路故障。 1 A P F开 关 函数 模型 三相四开关 AP F主电路拓扑结构如图 1所示 ， 由图 1可以看出， 与传统三相六开关 A P F主电路拓 扑相 比， 第 3个桥臂由 2个电容器 C 和 C 。 组成 ， 其 中点接 C 相 。 “ s ． “ 图 l 三相四开关 A P F主电路拓扑结构 S 、 S 分别表示 a 、 b两相桥臂开关管的开关状 态 ， S 一1 ， 表示 T 导通， 1 r 3 关断 ； S 一0 ， 表示 T 关 断 ， T 。 导通 。 由基尔霍夫电压定律可以得到有源电力滤波器 输出线电压 一 “ 的表达式 [ U 2d F 2 S ． --一 IL 2 s 1 ] ㈤ L J 2 b 一 -J 一 式中u 为母线电压 。 同时也 可以得 出输 出线 电压 与 ‰ 、 。 的 关系 乱 b一 。 一 U b 2 由式 I 可 以看 出 ， 线 电压 ‰ 、 与开 关状态 相 关 ， 可 以直接通 过 调 节 I GB T 的开关 状 态 来 调 节 线 电压 。将式 1 代入式 2 ， 可以得到 瞬时值与开 关 管状 态 的关 系 ， 见 表 1 。 表 1 ‰ 瞬时值与开关管状态的关系 2故 障诊 断原 理 当 AP F中的 I GB T发生开路故 障时， AP F输 出线电压 的真实值与正常模式下 的理论值存在 误差 ， 通过该误差值， 再结合电流方 向和开关信号来 判断故障位置 在 电流为零时 ， 不参与故 障诊断 ， 不 做分析 。由于篇幅限制 ， 只分析 T 发生开路故 障 时 A P F输出线电压的真实值 U 与正常模式下的理 论值 ， 见表 2 i 、 i 为 AP F输 出电流， 并定义电 流流出 AP F方向为正 ， 反之为负 。同理可分析其 他单管故障及多管故障情况下 ， AP F输 出线电压的 真实值 与正常模式下的理论值 。 通过对比分析 I G B T出现单管故障及多管故障 时 AP F输出线电压 的真实值与正常模式下的理 论值的关系， 总结出电流方 向、 开关信号 、 输出线 电 压 ‰ 与故障诊断信号的关系， 确定为三相四开关有 源电力 滤波器 I G B T开路 故障诊 断规则 ， 见表 3 。 表 3中， F a u l t 为 1 ， 2 ， 3 ， 4时 ， 表示 T ， T 2 ， T 。 ， T 故 障 ； F a u l t 为 5时 ， 表示 T l ， T4 故 障； F a u l t 为 6时 ， 表示 T ， T。 故障。 2 0 1 6年第 1 1 期 张满等 三相四开关有源电力滤波器故 障诊断研 究 6 1 表 2 T 正常和开路故 障时的输 出线电压 因此， 在原有系统的基础上 ， 增加一个 电压传感 器 ， 检测 AP F输出线电压 ， 再配合电流方 向和开 关信号 ， 便可按照表 3判断出故障位置。 3 仿 真验 证 根据故障诊断原理 ， 采用 Ma t l a b搭建故障诊断 仿真模型。仿真参数 电网线 电压有效值 为 6 0 V， 频率为 5 0 Hz ， AP F输出电感为 1 ． 5 mH， 母线电容 C 一4 ． 4 mF ， C 一4 ． 4 mF， 直 流侧 电压参考 值为 2 0 0 V， 三相不控整流桥带 2 ． 6 7 Q电阻作为公共谐 波源。故障诊断仿真模型如 图 2所示 ， 通过封脉冲 模拟 I G B T开路故障。 图 2故 障 诊 断 仿 真 模 型 为 了防止 同一 桥 臂 的上 下 2个 管 子 同 时导 通 ， 仿真中设定了死 区。在故障诊断的过程 中， 死 区时 间段 内 ， 不 对故 障进 行 判 断 。按 照 图 2进 行仿 真 验 证 ， 所 有 I GB T均 正 常 工 作 ， 但 是 在 仿 真 进 行 时 ， 由 于 T 和T。 导 通 延 迟 ，导 致 线 电 压 在 1 ． 4 9 1 3 5 ms 时 未变 为 0 ， 出现 了误诊 断信 号 ， 如 图 3 所 示 S 和 S 一分 别 为 a桥 臂 的上 管 脉 冲 和下 管 脉冲 ， S 和 S 一分别 为 b桥臂 的上 管 脉 冲和下 管 脉冲 。经 过分 析 ， I GB T关 断 延 时不 会 影 响 到故 障 诊 断 的准确 性 。因此 ， 为 了 防 止 I GB T 导 通 延 时 导 致的误诊断， 在图 2中， 对 4路 P WM 脉冲波进行延 迟 ， 再送入 Ma t l a b F u n c t i o n中进行故障判断。 I J l l l l l l I I l l I I l l l l l J l I I l l n I l l I I l l l l l l l I l l l l l l l l l l l l l l l l f l I l l I I ／ l l } } B T 爿 通 延 扭 ／ ／ 1 l 。 lf I I I l 差 ]] 三 E 三 王皿 1 ．4 9 1 0 1 ． 4 9 1 1 1 ．4 9 1 2 1 ．4 9 1 3 1 ． 4 9 1 4 4 9 1 5 t ／ 1 o 一 s 、 图 3 I G B T导通 延迟导致的误 诊断信号 1 单管故 障。T 开路故 障时 的仿真波形 如 图 4所 示 ， 在 AP F运 行 到 0 ． 0 0 1 S时 ， T 封 脉 冲 。 观察仿真波形可知 ， 在 0 ． 0 0 1 3 3 s 时 ， F a u l t 为 1 ， 故 障信号显示为 T 出现开路。 一 n w O 0 一 十 一 一 一 O O O 1 1 1 0 1 O O 1 1 O O O 1 1 O 1 1 0 l 1 0 1 O O O 1 O 6 2 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 图 4 T 开 路 故 障 时 的仿 真 波 形 2 双管故障。T 和 T。 开路故障时的仿真波 形 如 图 5 所 示 ， T 和 T 。 分别 在 0 ． 0 0 1 S和 0 ． 0 0 2 S 封 脉冲 ， 观察仿 真波 形可 知 ， 在 0 ． 0 1 3 S时 ， F a u l t 显 示为 1 ， 故 障信 号显示 为 T 开路 ， 在 0 ． 0 2 3 S时 ， F a u l t 显示为 2 ， 故障信号显示为 T 开路 。 2 0 广T ]T] ] 一 28 l 二] 二丁二二 工二二 0 0 ．0 0 5 0 ．0 1 0 0 ．0 1 5 0 ．0 2 0 0 ． 0 2 5 0 ． 0 3 0 t ／ s 图 5 T 和 T z开路 故障时的仿 真波形 T 和 T 开路故 障时的仿真波形如 图 6 所示 ， T 和 T 3分 别 在 0 ． 0 0 1 s和 0 ． 0 0 2 S封 脉 冲 ， 在 0 ． 0 1 7 S 时 ， F a u l t 显示 为 1 ， 故 障信 号 显 示 为 T 开 路。在0 ． 0 2 2 S 时 ， F a u l t 显示 为 3 ， 故障信号显示为 T 。 开路 。 上述仿真结果验证了所提诊断方法在单管和双 管故障下的诊断性能 。由故 障诊断原理可得出， 该 方法 可 以诊 断 出三管 故 障及 4 个 I GB T全 部 发生 开 路故障。 4实验 结果 搭建三相 四开关有源 电力滤波器实验平台 ， 实 验平台主要参数如下 电网线 电压为 6 O V， 频率为 5 0 Hz ， 三相不控整流桥带 2 ． 6 7 1 2 3个 8 Q电阻并 联 电阻作为公共谐 波源 ， 直流侧上下电容值 均为 一 E王三 三 壬 E玉 一 匠j三三 j 三 三王三E丑 6 i[ 二二 】 】【 ] [ ][二 】 I 6 一l l■ I ■ l ■ -一 6 瞳瞳■]【[二 I ] [ [二工]I [ ] 6 瞳-■l l l J l I I 8 巨 差L生 兰 I 兰 一 l 0 0 ．0 0 5 0 ．0 1 0 0 ．O 1 5 0 ． 0 2 0 0 ．0 2 5 0 ． 0 3 0 t／ S 图 6 T 和 ] r 3开路故 障时的仿真 波形 4 ． 4 mF， 直流侧 电压参考值为 2 0 0 V， 输出 电感为 1 ． 5 mH， 开关 频率 为 1 2 ． 5 k HZ 。 在实验中， 通过封脉冲模拟 I G B T开路故 障， 实 验波形 1如 图 7所示。当对 T 封脉冲时 ， AP F发 出 的补 偿谐 波 出现变 化 ， 在 1 7 ms 后 ， ‰ 0 ， O ， b0 ， 诊断出 T 4 故障 ， F a u 1 t 一4 。 瓣 2 ， 、 ■ E l l■■ L J、 睫 岫 _■ ll Ll 啊H - lIl 1f 强 『 啊_ ln i l m _ f V _ 凡 ．． ； ＼ 。八 V ’ 。 。 』 、 } L ’ ’ 曰 厂一 ] 4 封脉 帅 “ a b 蛳 0 i 1 。 ● L ． ⋯． n l ” 、 ＼ Fa l 2 t --- 4 t ／ 5 ms ／ m 图 7 实验波形 1 实验 波形 2如 图 8所示 ， 当对 T 封 脉 冲时， I GB T不 能正 常导通 ， AP F无 法正 常工 作 ， 补偿 后 的 电流 出现 了严 重 的畸变 。在 8 ms 后 ， 诊 断 出 T 故 障 ， F a u l t 4 。 一 蜒 ■ I 誓 | I I 一 豳 ⋯ ■ i - _ _ ～ ∥ ’ I _ ，{ 、 ■ 多 ／ r／ ， ． ．一 L封脉冲 。l l m lt-- 4 k 上 ．L-I 丘j f ’ ⋯W’ t／ 5 ms ／ 格 图 8 实验波形 2 古 壹 ∞ ， 嚼 昂 2 0 1 6年 第 1 l 期 张满 等 三 相 四开 关有 源 电力滤 波 器故 障诊 断研 究 6 3 5 结语 基于电压检测的 I GB T开路故障诊断方法根据 A P F的两相电流， 4路 I G B T脉 冲信号 ， 再结合1个 线 电压信号 ， 按照故障诊断规则 ， 便可诊断出故障位 置 。仿 真 和 实 验 结 果 表 明 ， 该 方 法 可 准 确 诊 断 出 三相四开关 AP F单管开路故障和多管开路故障 ， 故 障诊断简单 ， 易于实现 。 参考文献 [1 ] [ 2] [3] [4] [5 ] [6 ] [ 7] 王兆 安 ， 杨 君 ， 刘 进 军． 谐 波抑 制 和无 功 功 率补 偿 [ M] ． 2 版 ． 北京 机 械工 业出版社 ， 2 0 0 5 ． BLAAB J ERG F，NEACS U D O，P EDERS EN J K． Ad a p t i v e S VM t o c o mp e n s a t e DC- l i n k v o l t a g e r i p p l e f o r f ou r - s wi t c h t hr e e - pha s e vo l t ag e s o ur c e i nve r t e r s [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o we r E l e c t r o n i c s ， 1 9 9 9 ， 1 4 4 7 4 3 - 7 5 2 ． 董伟杰 ， 白晓 民， 朱 宁辉 ， 等 ． 电力有 源滤波 器故 障诊 断与容错 控 制 研 究 [ J ] ． 中 国 电机 工 程 学 报 ， 2 0 1 3 ， 3 3 1 8 6 5 - 7 2 ． LU B， S HARM A S ． A l i t e r a t u r e r e v i e w o f I GBT f a u l t d i a g n o s t i c a n d p r o t e c t i o n me t h o d s f o r p o we r i n v e r t e r s [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y Ap p l i c a t i o n s ， 2 0 0 8， 4 5 5 1 7 7 0 - 1 7 7 7 ． 张晓 ， 孙传 达 ， 刘 娟 ， 等 ． 三 相 四线 制有 源 电力 滤波 器 开路故障诊断E J ] ． 电网技术 ， 2 0 1 6 ， 4 0 2 5 7 1 5 7 8 ． MENDES A M S， M ARQUES C A J ． Vo l t a g e s o u r c e i n v e r t e r f a u l t d i a g n o s i s i n v a r i a b l e s p e e d AC d r i v e s ，b y t h e a v e r a g e c u r r e n t P a r k s v e c t o r a p p r o a c h [ c ] ／ ／ P r 0 c e e d i n g s o f t h e 7 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o we r El e c t r o n i c s a n d Va r i a b l e S p e e d Dr i v e s ， Lon do n， 1 9 98 5 38 5 43 ． CAS EI RO J A A，CARD0S 0 A J M．F a u l t d i a g n o s i s on a PW M r e c t i f i e r AC d r i v e s ys t e m wi t h f a ul t t ol e r a nc e us i n g t he a v e r a g e c ur r e nt Pa r k s v e c t o r a p p r o a c h [ C ] ／ ／I E E E I n t e r n a t i o n a l E l e c t r i c Ma c h i n e s a n d Dr i v e s C o n f e r e n c e ， M i a mi ， F L， 2 0 0 9 6 9 5 - 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S I L VA E R c， e t a 1 ． Fa u l t d e t e c t i o n o f o p e n - s wi t c h d a ma g e i n v o l t a g e - f e d P WM mo t o r d r i v e s y s t e ms[ J ] ．I E E E Tr a n s a c t i o n s o n P o we r El e c t r o n i c s ，2 0 0 3 ，1 82 5 87 59 3． [ 1 4 ] 安群涛 ， 孙 力 ， 赵克 ， 等． 基 于开关 函数 模型 的逆变 器 开路故 障诊 断方 法 [ J ] ． 中 国 电机 工 程 学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 0 6 1 - 6 ． [ 1 5 ] MAS R UR M A，C HE N Z h i h a n g ， Z HANG B a i f a n g ， e t a 1 ． M o d e l b a s e d f a u l t d i a g n o s i s i n e l e c t r i c d r i v e i n v e r t e r s u s i n g a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k [ C ] ／ ／P o we r E n g i n e e r i n g S o c i e t y Ge n e r a l M e e t i n g，Ta m p a ，FL， USA ， 2 00 7 1 - 7． [ 1 6 ] P AR K J H，KI M D H，K I M S S ．C ANF I S b a s e d f a u l t d i a g n o s i s f o r v o l t a g e - f e d P W M mo t o r d r i v e s y s t e m f u z z y i n f o r ma t i o n [ C ] ／ ／An n u a l C o n f e r e n c e o f t h e Nor t h Ame r i c a n Fuz z y I nf o r ma t i o n Pr oc e s s i ng S o c i e t y ， B a n f f ， Al t a ， Ca n a d a ， 2 0 0 4 3 7 9 3 8 3 ．