CN111948573B - 一种级联多电平逆变器开路故障识别定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种级联多电平逆变器开路故障识别定位方法和系统，属于电路故障诊断领域。包括：利用上一周期的电流采样信息，获取当前H桥的输出电流与输出电压相对位置关系，并根据系统波形调制方法和死区插入动作方式将一个周期划分为四个区间；在每个区间内设置一个采样点，依据输出电流与输出电压相对位置关系，确定每个区间内的采样点位置；结合输出电流与输出电压相对位置关系，将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比，判断故障开关管的位置。本发明通过不同电压电流相位关系选取不同采样位置的方法，将每个H桥输出电压采样率降低为一周期4次，弥补了高频基波输出时故障诊断的空白。

Description

一种级联多电平逆变器开路故障识别定位方法和系统

技术领域

本发明属于电路故障诊断领域，更具体地，涉及一种级联多电平逆变器开路故障识别定位方法和系统。

背景技术

级联H桥结构为多电平逆变器常用拓扑，其由两个或多个H桥逆变单元在电气结构上级联，具有模块化的特点。级联多电平逆变器常使用阶梯波调制法，每个级联H桥输出脉冲宽度相等或相近，调整不同H桥逆变模块的输出脉冲相位，使级联后叠加输出的阶梯波电压具有更高的电平数、更低的谐波含量。级联工作时的功率开关管相比两电平逆变器工作时更容易发生故障，但目前对级联H桥多电平逆变器的开路故障诊断方法较少，能够低成本并准确定位单个H桥逆变单元中故障开关位置的文献更为不足。现有成熟开路故障诊断方法根据故障诊断原理可以分为两类：解析模型法、信号处理法。其中解析模型法应用的前提是对逆变电路进行精确建模，因而容易受模型参数、外界干扰影响，鲁棒性差。信号处理法是目前应用较多的方法，包括电流法与电压法。电流法根据输出电流的谐波分析进行故障单元判断，一方面不能定位具体开关位置，另一方面输出电平数越多，每周期需要采样的点就越多、计算量越大、可靠性就越差，不利于高频、多电平场合；现有电压法可以实现开关故障位置定位，可靠性也较高，但其通常在每个桥臂增加辅助硬件，需要检测桥臂中点电压，直接应用在多电平时成本较高。

级联多电平逆变器的开路故障诊断是其正常运行的重要保障，有必要对级联H桥结构的开路诊断进行研究，提高系统容错运行的可靠性与快速性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种级联多电平逆变器开路故障识别定位方法和系统，旨在解决传统检测技术中存在的检测速度慢、计算复杂，且电平数较多时诊断可靠性下降、成本较高的问题，使得在高频率多电平输出情况下仍能快速可靠地识别与定位开路故障位置。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种级联多电平逆变器开路故障识别定位方法，包括以下步骤：

S1、利用上一个周期的电流采样信息，获取当前所述逆变器中H桥的输出电流与输出电压相对位置关系，并根据系统波形调制方法和死区插入动作方式将一个周期划分为四个开关区间；

S2、在每个开关区间内设置一个采样点，依据所述输出电流与输出电压相对位置关系，确定每个开关区间内的采样点位置，在一个周期内共采样四次H桥输出电压；

S3、结合所述输出电流与输出电压相对位置关系，将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比，判断H桥中故障开关管的位置。

进一步地，根据系统波形调制方法和死区插入动作方式将一个周期划分为四个开关区间具体包括：

除去死区时间，根据H桥中四个开关管的控制信号组合与此时对应的H桥输出电压，将开关区间划分为第一区间、第二区间、第三区间和第四区间，确定每个开关区间的起始位置。

进一步地，所述输出电流与输出电压相对位置关系包括所述输出电流波形中心对称点超前或滞后所述第三区间中点。

进一步地，所述步骤S3包括：

当所述输出电流波形中心对称点超前于所述第三区间中点时，通过第一区间内的负极性母线电压故障输出直接定位H桥中右桥臂下管发生开路故障；对于第二区间内的零电压故障输出，此时等待下一个周期第一区间的到来，如果下一周期第一区间中有负极性母线电压故障输出，判断右桥臂下管发生开路故障；如果下一周期第一区间中无负极性母线电压故障输出，则确定右桥臂下管正常工作，从而反推左桥臂上管发生开路故障；

通过第三区间内的正极性母线电压故障输出直接定位右桥臂上管发生开路故障；对于第四区间内的零电压故障输出，此时等待下一个周期第三区间的到来，如果下一周期第三区间中有正极性母线电压故障输出，判断右桥臂上管发生开路故障；如果下一周期第三区间中无正极性母线电压故障输出，则确定右桥臂上管正常工作，从而反推左桥臂下管发生开路故障；

当所述输出电流波形中心对称点滞后于所述第三区间中点时，选取左桥臂上管、左桥臂下管作为直接定位逻辑，右桥臂下管、右桥臂上管为反推定位逻辑进行判断。

进一步地，所述H桥输出电压为电压大小和/或电压极性；所述步骤S3中将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比包括：

将采样点位置所采集的H桥输出电压大小与正常工作时的H桥输出电压大小进行对比，和/或将采样点位置所采集的H桥输出电压极性与正常工作时的H桥输出电压极性进行对比。

本发明的另一方面提供了一种级联多电平逆变器开路故障识别定位系统，包括：

预处理单元，利用上一个周期的电流采样信息，获取当前所述逆变器中H桥的输出电流与输出电压相对位置关系，并根据系统波形调制方法和死区插入动作方式将一个周期划分为四个开关区间；

采样单元，在每个开关区间内设置一个采样点，依据所述输出电流与输出电压相对位置关系，确定每个开关区间内的采样点位置，在一个周期内共采样四次H桥输出电压；

判断单元，结合所述输出电流与输出电压相对位置关系，将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比，判断H桥中故障开关管的位置。

进一步地，预处理单元根据系统波形调制方法和死区插入动作方式将一个周期划分为四个开关区间具体包括：

除去死区时间，根据H桥中四个开关管的控制信号组合与此时对应的H桥输出电压，将开关区间划分为第一区间、第二区间、第三区间和第四区间，确定每个开关区间的起始位置。

进一步地，所述输出电流与输出电压相对位置关系包括所述输出电流波形中心对称点超前或滞后所述第三区间中点。

进一步地，所述判断单元结合所述输出电流与输出电压相对位置关系，将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比，判断H桥中故障开关管的位置包括：

当所述输出电流波形中心对称点超前于所述第三区间中点时，通过第一区间内的负极性母线电压故障输出直接定位H桥中右桥臂下管发生开路故障；对于第二区间内的零电压故障输出，此时等待下一个周期第一区间的到来，如果下一周期第一区间中有负极性母线电压故障输出，判断右桥臂下管发生开路故障；如果下一周期第一区间中无负极性母线电压故障输出，则确定右桥臂下管正常工作，从而反推左桥臂上管发生开路故障；

通过第三区间内的正极性母线电压故障输出直接定位右桥臂上管发生开路故障；对于第四区间内的零电压故障输出，此时等待下一个周期第三区间的到来，如果下一周期第三区间中有正极性母线电压故障输出，判断右桥臂上管发生开路故障；如果下一周期第三区间中无正极性母线电压故障输出，则确定右桥臂上管正常工作，从而反推左桥臂下管发生开路故障；

当所述输出电流波形中心对称点滞后于所述第三区间中点时，选取左桥臂上管、左桥臂下管作为直接定位逻辑，右桥臂下管、右桥臂上管为反推定位逻辑进行判断。

进一步地，所述H桥输出电压为电压大小和/或电压极性；所述判断单元中将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比包括：

将采样点位置所采集的H桥输出电压大小与正常工作时的H桥输出电压大小进行对比，和/或将采样点位置所采集的H桥输出电压极性与正常工作时的H桥输出电压极性进行对比。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下技术效果：

(1)更好地解决了高频基波输出时级联多电平逆变器中功率开关开路故障识别与定位问题，通过不同电压电流相位关系选取不同采样位置的方法，将每个H桥输出电压采样率降低为一周期4次，弥补了高频基波输出故障诊断的空白。识别出故障最多需要1个周期，定位故障位置最多再需要3/4个周期，达到了快速故障诊断的目的。

(2)本发明的诊断方法不受负载电流变化影响，可以很好地适应变化负载环境，适用于电流开环或闭环的各种控制策略的电机驱动系统和电源系统中电压源逆变器单管或桥臂开路故障的诊断，不会因电流的畸变而影响诊断的有效性，准确可靠，有很好的工程应用价值。

(3)相比已有电压诊断法，本发明的诊断方法在应用时只需要在每个H桥额外增加一组输出电压极性测量装置，即可实现功率开关的快速定位，每个H单元节省了一半的硬件测量成本，在多电平级联应用场合更具经济效益。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种级联多电平逆变器中H桥逆变单元开路故障识别，定位方法的示意性流程框图；

图2是本发明实施例的级联多电平逆变器主电路拓扑图；

图3是本发明实施例的级联多电平逆变器的H桥拓扑图；

图4是本发明实施例的多电平系统对开关角进行电压脉冲平均后实施阶梯波调制的示意图(以四个逆变单元为例)；

图5是本发明实施例的H桥逆变单元的调制方案示意图；

图6(a)和图6(b)是本发明实施例总结的级联多电平逆变器中逆变单元所有可能的输出电压与电流相位情况；

图7(a)是H桥在开关区间3正常工作时正方向电流流通路径示意图，图7(b)是H桥在开关区间3发生开关1开路故障时正方向电流流通路径示意图；

图8是本发明实施例提出的H桥功率开关开路故障特征示意图；

图9是本发明实施例应用的级联多电平系统发生电压电流相位关系判断提前示意图；

图10是本发明实施例的级联多电平系统中故障诊断架构；

图11是本发明实施例中T₂发生开路故障后直接定位故障位置示意图；

图12是本发明实施例中T₄发生开路故障后反推定位故障位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种级联多电平逆变器开路故障识别定位方法，如图1，包括以下步骤：

S1、利用上一个周期的电流采样信息，获取当前所述逆变器中H桥的输出电流与输出电压相对位置关系，并根据系统波形调制方法和死区插入动作方式将一个周期划分为四个开关区间；

S2、在每个开关区间内设置一个采样点，依据所述输出电流与输出电压相对位置关系，确定每个开关区间内的采样点位置，在一个周期内共采样四次H桥输出电压；

S3、结合所述输出电流与输出电压相对位置关系，将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比，判断H桥中故障开关管的位置。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。本发明将诊断对象定为级联H桥逆变单元，提出的开路故障诊断方法适用于级联多电平系统中的任一位置逆变单元，具有普遍通用性。该方法只需要每周期采集四次H桥输出电压就可以快速识别功率管开路故障，用于容错控制；额外利用级联多电平系统已有的电流采样信息，就可以进一步定位具体故障功率管位置，进行故障处理。

一种常见级联多电平逆变器结构包括通过级联变压器串联的M个逆变单元，每个逆变单元均为H桥结构，同一桥臂包括上、下两个开关管，开关管均为含有反并联二极管的IGBT复合管，定义从左至右，从上至下四个开关管序号依次为T₁、T₂、T₃、T₄。当电平数较高时常采用阶梯波调制法，这种控制策略具有实现简单、开关频率低(等于基波频率)，开关损耗小的特点，因而适合大功率场合。生成阶梯波的算法有低次谐波含量最少原则法、选择谐波消去法、多载波调制法，不管采取何种算法求取开关角，采取常用的电压脉冲平均法进行多电平功率平衡后，每个H桥模块周期输出电压的正负脉冲宽度相等或相近，且宽度接近四分之一周期，同时输出电压波形具有四分之一偶对称和半周期奇对称的性质。不管在级联逆变器中处于何种位置，不考虑死区时间，H桥逆变单元的四个位置功率开关控制信号的组合都在一周期内呈现四种变化。为便于说明，现根据控制信号组合与此时H桥输出电压的不同，将一个周期划分为四个区间，第一区间T₂、T₄开通，第二区间T₁、T₄开通，第三区间T₁、T₃开通，第四区间T₂、T₃开通。

假设功率器件为理想开关且不考虑上下管死区时间，正常工作时H桥输出电压与描述各桥臂功率开关状态的开关函数S_x(x＝1，2，3，4)具有唯一对应关系，其中S_x(x＝1，2，3，4)分别为开关T_x(x＝1，2，3，4)的开关函数。S_x为1表示开关控制信号为高，开关开通；S_x为0表示开关控制信号为低，开关关断。第一区间内H桥输出电压为0；第二区间内H桥输出电压为正极性母线电压+V_dc；第三区间内H桥输出电压为0；第四区间内H桥输出电压为负极性母线电压-V_dc。定义电流方向从H桥逆变器的左桥臂流向右桥臂为正，从H桥逆变器的右桥臂流向左桥臂为负。当某一桥臂上的功率器件发生开路故障，并且与该器件反并联的二极管工作在非续流状态时，H桥输出电压就会与正常工作时不同。例如开关管1发生开路故障，在第二区间和第三区间内电流方向为正时，输出电压将变为与正常工作电压不同的0和-V_dc；开关管2发生开路故障，在第一区间和第四区间内电流方向为负时，输出电压将变为与正常工作电压不同的+V_dc和0；开关管3发生开路故障，在第三区间和第四区间内电流方向为负时，输出电压将变为与正常工作电压不同的+V_dc和0；开关管4发生开路故障，在第一区间和第二区间内电流方向为正时，输出电压将变为与正常工作电压不同的-V_dc和0。根据这一故障信息，通过在四个区间内各采集一次H桥输出电压极性，就可以根据电压信号判断H桥逆变单元是否发生异常，用于容错控制。

此时尚不能保证精确定位所有故障开关位置，第一区间和第三区间虽然包含两种故障信息，但因为两种故障信息的电压极性不同，所以无需电流信息也能确定故障开关位置可以据此区分实际故障位置；第二区间和第四区间因为包含的故障电压极性相同，因此在该区间内采集的故障信息仅靠电压极性无法确定故障开关位置。

如果开关发生开路故障后可依据故障信息立即定位故障开关位置，则定义该故障信息所在区间为开关的“特征区间”，那么开关1与开关3的“特征区间”为第三区间，开关2与开关4的“特征区间”为第一区间。取开关1和开关4一组，开关2和开关3一组。通过分析任意一种级联多电平中H桥逆变单元的输出电压与电流相位关系，可以发现当某个开关无法准确定位是否发生故障时，同组的另一个开关始终在“特征区间”内，一旦故障可确保被定位故障位置。因此，如果得到的故障信息在第二或第四区间，并且没有其他故障信息出现时，可以通过检测同组另外一个开关的正常运行，反推故障开关位置。这就需要配合级联多电平系统已有的电流采样信息数据或额外增加电流采样装置，判断电压电流相位关系，从而实现任意情况下故障开关定位。值得说明的是，此处通过利用阶梯波调制波形的特点：H桥逆变单元输出电压波形四分之一偶对称和半周期奇对称且正负脉冲宽度接近四分之一周期，因而可以巧妙地利用系统已有电流采样装置进行辅助相位判断，减少实施成本。

在上述说明基础上，本发明提出了一种基于输出电压极性的H桥逆变电路功率器件开路故障快速识别与定位方法，包括以下步骤：

(1)在正式故障检测前，利用系统已有电流检测装置或额外电流检测装置的上一个周期的采样信息，获取此时H桥输出电流与输出电压相对位置关系并记录上周期的死区插入动作方式；

(2)依据电流电压相位关系、系统调制方法与死区补偿动作，选择合适的开关故障定位逻辑，分配开关区间起始和选择采样点公式；

(3)利用步骤(2)中的开关区间起始位置与采样点公式，计算每周期四个开关区间内的采样点位置，每个区间内设置一个采样点，单周期共进行四次H桥输出电压(极性)采样；

(4)本周期故障诊断运行时，在步骤(3)中选定的采样时刻采集输出电压(极性)信息，与正常工作时输出电压(极性)进行对比，并依据步骤(2)中选择的当前电流电压相位关系下采取的故障定位逻辑，判断H桥四个位置的开关是否发生开路故障。

进一步地，在本发明中如果需要精确定位级联H桥单元中具体开路故障位置，只需要提前一个周期采集当前H桥状态信息，包括输出电流电压相位关系、死区插入方式，在接下来的一个周期就可以利用上一周期的状态信息进行处理，选取合适的故障诊断逻辑与每周期四次电压采样位置。这样即使负载变动也可以在一个周期内自动跟随，并且由于在采样点位置选择时已经考虑到电流电压临界过渡情况，因此不会出现误诊断现象。

进一步地，所述步骤(2)包括：

(201)依据系统波形调制方法以及死区插入动作方式划分开关区间：除掉死区时间，由四个开关的控制信号构成的组合呈现周期性变化，并在每个周期由四种控制信号组合构成。依据控制信号组合的不同，定义这四种组合在周期中按照时间顺次对应第一区间、第二区间、第三区间、第四区间，其输出电压表现依次对应0、正极性母线电压+V_dc、0、负极性母线电压-V_dc。划分区间后，将四个区间的起始点x与结束点y存入微机；

(202)依据已得输出电流电压相对相位关系选择开关管故障定位逻辑：如果电流波形中心对称点超前第三区间的中点，则选取开关管3与开关4为故障电压直接定位，开关管2与开关管1为故障电压反推定位，如果电流波形中心对称点滞后第三区间的中点，则选取开关管1与开关管2为故障电压直接定位，开关管4与开关管3为故障电压反推定位；

(203)依据已得输出电流电压相对相位关系选择区间内采样点位置计算公式：电压采样点位于该开关区间中点的前半段对应超前采样，选择公式x+(y-x)/N或x+(y-x)*num/N、电压采样点位于该开关区间中点的后半段对应滞后采样，选择公式y-(y-x)/N或y-(y-x)*num/N，其中N为“采样范围控制变量”、num为“过渡控制变量”，二者事先可依据负载阻抗角变化范围通过仿真进行大小调整。

进一步地，步骤(202)解释为：

当电流波形中心对称点超前于第三区间的中点时，第一区间内的负极性母线电压故障输出可以直接定位开关4发生开路故障，但第二区间内的零电压故障输出只能判断H桥中开关1或开关4发生故障，尚无法定位具体故障位置。此时可以通过等待下一个周期第一区间的到来，如果下一周期第一区间中有负极性母线电压故障输出，则确定开关4发生开路故障；如果下一周期第一区间中无负极性母线电压故障输出，则可以确定开关4正常工作，从而反推开关1发生开路故障。

同理，第三区间内的正极性母线电压故障输出可以直接定位开关3发生开路故障，但第四区间内的零电压故障输出只能判断开关2或开关3发生故障，尚无法定位具体开关位置。此时可以通过等待下一个周期第三区间的到来，如果下一周期第三区间中有正极性母线电压故障输出，则确定开关3发生开路故障；如果下一周期第三区间中无正极性母线电压故障输出，则可以确定开关3正常工作，从而反推开关2发生开路故障。

当电流波形中心对称点滞后于第三区间的中点时，选取开关1、开关2作为直接定位逻辑，开关4、开关3为反推定位逻辑，可以得到类似的结论。值得一提的是，因为开关1与开关4一组可互相反推，开关2与开关3一组可互相反推，所以文中涉及到判断逻辑时均按此对应关系。

进一步地，步骤(4)解释为：

当H桥中某一开关管发生开路故障且与该器件反并联的二极管工作在非续流状态时，H桥输出电压会与正常工作时不同，具体体现为正母线电压、零电压、负母线电压三种电平之间相邻电平的变动。实际采样时可以直接获取输出电压具体大小进行比较，或利用该特点只采集输出电压极性信息，节省采样成本。

本发明应用的一种常见级联多电平逆变器包括通过级联变压器串联的M个逆变H桥单元，变压器二次侧输出幅值为M倍V_dc的交流阶梯波，其中V_dc为直流母线电压，主电路拓扑如图2所示。每个逆变子单元均为H桥结构，如图3所示，每桥臂包含上、下两个开关管，因为IGBT单管只有单相通流能力，所以四个开关管均选用带反并联二极管的IGBT复合管。系统阶梯波调制方案与功率均衡策略如图4所示，利用特定谐波消除法或多载波调制法求取开关角，并依据电压脉冲平均法进行功率平衡后，H桥逆变单元输出电压波形四分之一偶对称和半周期奇对称且正负脉冲宽度接近四分之一周期，其中α_i为第i个功率单元的开通角。图5展示单个逆变H桥单元输出的交流方波电压由两桥臂分别输出50％占空比方波移相得到，其中S_x(x＝1，2，3，4)为高/低分别对应开关管T_x(x＝1，2，3，4)的开通/关断。理论上同一桥臂上的开关管状态应当无缝衔接，每个周期存在四次输出电压切换时刻分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄，分别对应第一区间与第二区间分界点、第二区间与第三区间分界点、第三区间与第四区间分界点、第四区间分界点与下一周期第一区间分界点。但在实际工程中，由于IGBT开关管的开通和关断存在延时，同一桥臂上下两管的状态切换必须经过一个“死区”——上下两管均关断。

死区的引入会使逆变器输出电压的基波含量下降，并引入低次谐波，往往需要对其进行死区消除控制，这样会使一个周期内的实际开关区间起始位置与理想开关区间起始位置发生差异，故障诊断时需要考虑这点影响。死区消除控制不是本发明的研究重点，因此下面直接介绍一种常用的死区消除方法，从而体现完整系统运行情况。值得一提的是，这里只利用死区消除模块的电流采样结果判断大致的输出电流与输出电压相位关系进行辅助定位，即作为预处理单元。在其它电流闭环系统中也可以利用闭环控制使用的电流采样数据，本发明对死区消除模块并没有必需要求。

该方法在θ₁和θ₃时刻左桥臂插入死区，在θ₂和θ₄时刻右桥臂插入死区，死区插入的方式分为延时开通和提前关断两种，死区插入方式选择依靠在每个理想状态切换时刻提前死区时间Δθ采集的电流数据。工程中输出电压的周期变化取决于控制脉冲的周期变化，在软件实现时则体现为每个计数循环中的特定计数值发出控制特定的信号，将周期时间折算为周期循环计数，更贴近机器动作且便于分析。为便于工程实现与说明，现将四个状态切换时刻以及死区时间Δθ折算至每周期5000计数单位内用数值表示，θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别对应opendata、closedata、opendata+2500、closedata+2500，Δθ对应Td，具体判断逻辑见表1。

表1死区控制逻辑

级联多电平逆变器含M个H桥逆变单元，每个H桥逆变单元的输出电压依次滞后某个相位，第1路和第M路相差接近1/4周期，但是因为变压器级联的缘故，M路逆变单元的输出电流大小和相位完全相同，根据H桥输出电流波形中心对称点超前或滞后于第三区间的中点，可以将多电平逆变器中H桥可能出现的电流与电压相对相位关系分为图6(a)电流相位超前电压相位情况和图6(b)电流相位滞后电压相位情况。如果进一步依据电流波形中心对称点所在区间位置划分，又可以细分为六种情况，电流波形中心对称点落在第二区间中点前部分(case1)、第二区间中点后部分(case2)、第三区间中点前部分(case3)以及第三区间中点后部分(case4)、第四区间中点前部分(case5)、第四区间中点后部分(case6)，其中前三种对应“电流相位超前电压相位”情况，后三种对应“电流相位滞后电压相位”情况。至此，已分类完毕级联多电平逆变器运行中所有可能的电压电流相位关系，因为输出电流中心对称点在一段范围内移动时仍可能属于同一电流电压相位关系，且安排电压采样点位置时也需要满足在相邻电流电压相位关系切换时的临界过渡状态仍能捕获完整故障信息的原则，所以本方法中对电流电压相位关系所属情况进行判断时允许存在一定偏差。因此可以根据H桥输出电压的对称性与接近四分之一周期的正负脉冲宽度(实际略大于四分之一周期)、死区时间远小于周期时间，假设四个开关区间的宽度相等、死区模块测量电流数据即为理想开关区间切换时刻电流数据，利用上文介绍的死区模块在每周期内电流采样的信息，依照图6分类情况中的电流特征与图形特点，大致判断当前输出电流与电压的相位关系属于哪种情况，具体分类依据见表2。仿真结果证明这种假设是合理的，当采样点选取合适时并不会出现误诊断现象。

表2电压电流相位情况分类依据

情况	判据	判定开关
			case1	I<sub>b</sub>＜O&amp;I<sub>b</sub>＜I<sub>c</sub>	3&4
case2	I<sub>b</sub>＜O&amp;I<sub>b</sub>＞I<sub>c</sub>	3&4
			case3	I<sub>a</sub>＞I<sub>b</sub>	3&4
case4	I<sub>a</sub>＜I<sub>b</sub>	1&2
			case5	I<sub>a</sub>＜O&amp;I<sub>a</sub>＞I<sub>d</sub>	1&2
case6	I<sub>a</sub>＜O&amp;I<sub>a</sub>＜I<sub>d</sub>	1&2

为了便于书写，表2中定义四个电流采样时刻opendata-Td、closedata-Td、opendata+2500-Td、closedata+2500-Td采集的输出电流大小分别为I_a、I_b、I_c、I_d。

截至目前己介绍完本发明应用的多电平系统组成，单个H桥单元输出电流电压可能相位关系及利用已有电流测量信息进行相位判断的方法。下文展开的开路故障诊断方法，只需要在已有死区控制模块电流测量数据基础上，额外测量单个H桥输出电压每周期四个点的电压极性，即可实现级联多电平逆变器中任意H桥开路故障快速识别与定位。

假设功率器件为理想开关且不考虑上下管死区时间，正常工作时H桥输出电压与描述各桥臂IGBT开关状态的开关函数S_x(x＝1，2，3，4)具有唯一对应关系。当某一桥臂上的功率器件发生开路故障，并且与该器件反并联的二极管工作在非续流状态时，H桥输出电压就会与正常工作时不同。以第三区间内，电流方向为正，开关1发生开路故障为例进行说明，根据此时控制开关通断的脉冲信号极性，开关1与开关3闭合，开关2与开关4断开。如图7(a)H桥正常工作时，电流从开关1流出桥臂，由开关3反并联二极管流入桥臂，形成闭合回路，H桥输出电压为0；如图7(b)当开关1发生开路故障时，即使给开关1开通信号，开关1仍处于断开状态，此时只有开关3闭合，为了维持电流正方向的闭合回路，此时电流只能从开关2反并联二极管流出桥臂，从开关3反并联二极管流入桥臂，H桥输出电压变为负极性母线电压-V_dc，呈现故障状态。其他开关故障时也存在类似的故障电压输出，推导过程相同，将其总结为表3，根据故障电压信息，可以实现开路故障识别与定位。

表3 H桥功率开关开路故障特征

表3中，ia为H桥输出电流方向，其正方向为图5所示；Uout为1表示输出正极性母线电压、为0表示输出0、为-1表示输出负极性母线电压。

将表3画为更直观的开路故障特征图，如图8所示，区间标号上的数字与正负符号对应该区间出现故障电压时的可能的故障开关位置及电流流向要求。

延续上文“特征区间”的定义，对于开关1与开关3来说，其“特征区间”均为第三区间；对于开关2和开关4来说，其“特征区间”均为第一区间。取开关1和开关4一组，开关2和开关3一组。通过分析图6中的电压电流相位关系可以发现，当某个开关无法准确定位是否发生故障时，同组的另一个开关始终在“特性区间”内，一旦故障可确保被发现。因此，如果得到的故障信息在区间2或4时，并且没有其他故障信息出现时，可以通过检测同组另外一个开关的正常运行，反推故障开关位置。

例如在图6(a)“电流相位超前电压相位”变化期间，当开关4发生故障时，可以立即根据故障信息定位故障位置。如果开关1发生开路故障，这时只能根据第二区间的异常，暂时得到开关1或者开关4可能出现故障的结论，因为在开关1的“特征区间”第三区间内电流(大部分或全部)为负极性，电压中不包含故障信息，不会得到直接的故障开关位置。这时只需要在下一个周期的第一区间检测开关4有无故障发生，如果无任何异常，则反推开关1故障。

又如在图6(b)“电流相位滞后电压相位”变化期间，当开关1发生故障时，可以立即根据故障信息定位故障位置。如果开关4发生开路故障，这时只能根据第二区间的异常，暂时得到开关1或者开关4可能出现故障的结论，因为在开关4的“特征区间”第一区间内电流(大部分或全部)为负极性，电压中不包含故障信息，不会得到直接的故障开关位置。这时只需要在下一个周期的第三区间检测开关1有无故障发生，如果无任何异常，则反推开关4故障。

上述结论将开关4换成开关3，将开关1换成开关2，并选择对应的“特征区间”，可以有同样的结论。

明确故障定位逻辑后，需要根据不同电压电流相位关系情况，在四个开关区间(1、2、3、4)内各采集一次电压极性信息，作为故障信息来源。在前面的讨论中已经将周期动作的时间轴转化为周期循环5000计数，因此选择电压采样点就是选择每个计数循环中发出控制电压采样信号的特定计数值，当计数器等于该计数值时，进行一次电压采样。因为电压采样点位置按照每个开关区间只采样一次的采样规则，所以计数值的选定可以分解为“开关区间位置划分”与“区间内采样位置确定”两步进行。

在本发明应用的级联多电平逆变器系统中，不考虑死区时，各个开关函数的区间的理想分界点为opendata、closedata、opendata+2500、closedata+2500。当考虑死区因素时，实际开关区间分布受死区控制模块动作影响，定义死区控制模块四个电流采样点位置opendata-Td、closedata-Td、opendata+2500-Td、closedata+2500-Td四个位置采集的电流极性信息存至变量a、b、c、d，极性为正则值为true，极性为负则值为false。这时只需要根据表4最后一列“死区动作方式对区间的影响”，并结合动作开关，即可得到新的区间分界点，完成区间划分，为确定各个区间内具体电压采样位置做准备。

表4死区插入动作对区间分布影响

每个区间内的具体采样位置受电压电流相位关系影响，不同电压电流相位情况下需要选取不同的采样位置，这样才能用每个周期四个采样点的信息进行各种负载阻抗性质下的开路故障诊断。为保证不遗漏采样信息，且不出现误诊断，采样位置选定的原则有两点：一是在该电压电流相位关系判断依据范围内，不遗漏故障信息；二是在不同电压电流相位关系判断依据范围间切换时，不遗漏故障信息。

得到各开关区间的划分方式后，开关区间(1、2、3、4)在计数轴上就可以用起始计数点x和结束计数点y表示，对于区间内的任意一点，都可以用含有变量x和y的公式表示。

原则一解释为，在每种电压电流相位关系内，四个区间都包含一段电流极性始终不变的区间，采样点可能位于该区间中点以前位置，对应“提前采样”；也可能位于该区间中点以后位置，对应“滞后采样”。

原则二针对本发明所在系统的死区控制模块采样特点提出，应用在其他系统时同样具有指导意义。为了减少定位故障需要的测量值，表2根据系统已有的死区控制模块采样信息将电压电流相位关系划分为“电流相位超前电压相位”和“电流相位滞后电压相位”两大类，又细分为六种具体情况。但死区控制模块的电流采样总在理想区间切换时刻前Td(死区时间)时刻进行，从而判断该提前动作还是延后动作，直接影响到每个区间起始位置x为理想时刻还是滞后理想时刻Td处。一般死区时间Td都远小于开关周期，但这仍会导致出现依据电流信息判断的电压电流相位关系超前实际电压电流相位关系的现象。如图9所示，如果根据死区控制模块电流信息判断，此时电压电流相位关系已经由图6(a)的case2切换至case3，但是实际相位关系仍为case2，这时如果case3的电压采样点不能包含部分case2相位关系下的故障特征，就会导致错过故障信息。此外，实际的H桥输出电压正负脉宽大于四分之一周期，这也会使上文介绍的电流电压相位判断方法与实际存在一定偏差。因此该原则要求通过case(n)的电压采样信息，仍能识别并定位case(n-1)临界变化情况的开路故障，其中n大于等于2，从而弥补只依据电流采样信息进行大致相位判断的误差。

根据上述两个原则，就可以得到6种电压电流相位关系采样点位置公式。

以图6(a)case1为例，这种情况下不存在电压电流相位关系判断提前的问题，并且在这种电压电流相位关系变化期间，第一区间和第二区间的靠前部分电流极性始终为正，可以识别与定位开关1和开关4故障，第三区间和第四区间的靠前部分电流极性始终为负，可以识别并定位开关2和开关3故障，因而采取“提前采样”电压采样位置选择，该位置可以用公式x+(y-x)/N表示，其中N为“采样范围控制变量”，控制采样位置的“偏移程度”，N的值越大则采样位置越靠前，该变量直接影响该故障诊断方法的适用的最大容性负载阻抗角。

又以图6(a)case3为例，这种情况下因为第一区间起始部分电流极性为负，而在这种电压电流相位变化范围期间，第一区间的结束部分电流极性始终为正，可以识别开关1和开关4故障，类似的是第三区间结束部分电流极性始终为负，可以识别开关2和开关3故障，根据原则一应该选取“滞后采样”电压位置选择。但因为此时n大于2，需要考虑原则二，即通过此时的电压采样点位置，仍能采集caSe2临界变化情况下的故障信息。比较case2(case2为提前采样方式，推导方式略)与case3的不同，由提前采样变化为滞后采样，对第一区间和第三区间的电压采样没有影响，但如果滞后采样位置过于靠后，会错失第二区间的正极性电流范围和第四区间的负极性电流范围，因而此处的滞后采样位置不再是越靠后越好。为了减少需要确定的参数，此处引入“过渡控制变量”num，将该位置用公式y-(y-x)*num/N表示，通过控制num的大小，在保留诊断范围的情况下，满足原则二状态切换。

通过仿真发现，应用于本发明中举例的系统环境下，当N大于等于8时，可诊断负载变化范围为(-85°，85°)，其中85°为T₃上限盲区，已经不包含T3故障信息。这一现象源于死区插入动作，只发生在电流和电压相位的极端情况，在之前分析开关“特征区间”时也可以看出，开关故障后在电压上体现故障信息对此时电流方向有一定要求。对于输出电流超前输出电压的极端情况，会导致无法诊断开关1和开关2；对于输出电流滞后输出电压的极端情况，会导致无法诊断开关3与开关4。这是基于开关函数模型诊断开路故障的缺陷，不管是旧有方法基于桥臂电压进行故障诊断，还是本发明中提出的基于开关函数模型与电压法进行故障诊断，都无法避免盲区的存在。当N等于6时，可诊断负载变化范围为(-80°，80°)。针对临界状态设立的num，当N与num大小关系满足N/num≤5时，即可实现在相邻电流电压相位情况间稳定过渡，从而保证负载变动时不会出现误诊断。本例仿真中采用的参数组合为N＝9、num＝3，以上参数及取值范围虽然为本发明举例的多电平逆变系统中适用范围，但在应用于其他系统时仍具有参考意义。

其他电压电流相位关系下的采样点位置分布公式，也可以依据这两个原则完成推导，此处不再一一列举，最终结果汇总为表5。

表5不同电压电流相位关系下采样点位置分布

表中采样点位置一栏中的“pre”代表“提前采样”方式，“delay”代表“滞后采样”方式。

至此，本发明具体实施的一种多电平级联H桥开路故障诊断方法已经介绍完毕，故障诊断模型架构与所需采样信息总结为图10，虚线框内是相比原有系统增加的部分。首先根据死区控制模块的动作信息确定当前电流电压相位关系，从而划分区间分布以及确定采样点位置公式，得到电压采样点位置，最后根据四个电压采样点的电压极性信息，运行开路故障识别与定位判断逻辑。

图11是本发明具体实施方法中T₂发生开路故障后直接定位故障位置示意图，这种电压电流相位关系下，当T₂发生开路故障时可以直接定位故障位置，H桥故障信号与T₂开关故障信号重合；图12是本发明具体实施方法中T₄发生开路故障后反推定位故障位置示意图，这种电压电流相位关系下，当T₄发生开路故障时可以反推定位故障位置，H桥故障信号超前T₄开关故障信号。

本发明实施例还提供了一种级联多电平逆变器开路故障识别定位系统，包括

预处理单元，在正式故障检测前，利用上一个周期的电流采样信息，获取当前所述逆变器中H桥的输出电流与输出电压相对位置关系，并根据系统波形调制方法和死区插入动作方式将一个周期划分为四个开关区间；

采样单元，在每个开关区间内设置一个采样点，依据所述输出电流与输出电压相对位置关系，确定每个开关区间内的采样点位置，在一个周期内共采样四次H桥输出电压；

判断单元，结合所述输出电流与输出电压相对位置关系，将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比，判断H桥中故障开关管的位置。

具体每个单元的功能可参见前述方法实施例中的介绍，在此不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种级联多电平逆变器开路故障识别定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用上一个周期的电流采样信息，获取当前所述逆变器中H桥的输出电流与输出电压相对位置关系，并根据系统波形调制方法和死区插入动作方式将一个周期划分为四个开关区间；

S2、在每个开关区间内设置一个采样点，依据所述输出电流与输出电压相对位置关系，确定每个开关区间内的采样点位置，在一个周期内共采样四次H桥输出电压；

S3、结合所述输出电流与输出电压相对位置关系，将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比，判断H桥中故障开关管的位置；

根据系统波形调制方法和死区插入动作方式将一个周期划分为四个开关区间具体包括：

除去死区时间，根据H桥中四个开关管的控制信号组合与此时对应的H桥输出电压，将开关区间划分为第一区间、第二区间、第三区间和第四区间，确定每个开关区间的起始位置；

所述输出电流与输出电压相对位置关系包括所述输出电流波形中心对称点超前或滞后所述第三区间中点。

2.如权利要求1所述的级联多电平逆变器开路故障识别定位方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

当所述输出电流波形中心对称点超前于所述第三区间中点时，通过第一区间内的负极性母线电压故障输出直接定位H桥中右桥臂下管(T₄)发生开路故障；对于第二区间内的零电压故障输出，此时等待下一个周期第一区间的到来，如果下一周期第一区间中有负极性母线电压故障输出，判断右桥臂下管(T₄)发生开路故障；如果下一周期第一区间中无负极性母线电压故障输出，则反推确定左桥臂上管(T₁)发生开路故障；

通过第三区间内的正极性母线电压故障输出直接定位右桥臂上管(T₃)发生开路故障；对于第四区间内的零电压故障输出，此时等待下一个周期第三区间的到来，如果下一周期第三区间中有正极性母线电压故障输出，判断右桥臂上管(T₃)发生开路故障；如果下一周期第三区间中无正极性母线电压故障输出，则反推确定左桥臂下管(T₂)发生开路故障；

当所述输出电流波形中心对称点滞后于所述第三区间中点时，选取左桥臂上管(T₁)、左桥臂下管(T₂)作为直接定位逻辑，右桥臂下管(T₄)、右桥臂上管(T₃)为反推定位逻辑进行判断。

3.如权利要求1或2所述的级联多电平逆变器开路故障识别定位方法，其特征在于，所述H桥输出电压为电压大小和/或电压极性；所述步骤S3中将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比包括：

将采样点位置所采集的H桥输出电压大小与正常工作时的H桥输出电压大小进行对比，和/或将采样点位置所采集的H桥输出电压极性与正常工作时的H桥输出电压极性进行对比。

4.一种级联多电平逆变器开路故障识别定位系统，其特征在于，包括

预处理单元，利用上一个周期的电流采样信息，获取当前所述逆变器中H桥的输出电流与输出电压相对位置关系，并根据系统波形调制方法和死区插入动作方式将一个周期划分为四个开关区间；

采样单元，在每个开关区间内设置一个采样点，依据所述输出电流与输出电压相对位置关系，确定每个开关区间内的采样点位置，在一个周期内共采样四次H桥输出电压；

判断单元，结合所述输出电流与输出电压相对位置关系，将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比，判断H桥中故障开关管的位置；

预处理单元根据系统波形调制方法和死区插入动作方式将一个周期划分为四个开关区间具体包括：

除去死区时间，根据H桥中四个开关管的控制信号组合与此时对应的H桥输出电压，将开关区间划分为第一区间、第二区间、第三区间和第四区间，确定每个开关区间的起始位置；

所述输出电流与输出电压相对位置关系包括所述输出电流波形中心对称点超前或滞后所述第三区间中点。

5.如权利要求4所述的级联多电平逆变器开路故障识别定位系统，其特征在于，所述判断单元结合所述输出电流与输出电压相对位置关系，将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比，判断H桥中故障开关管的位置包括：

当所述输出电流波形中心对称点超前于所述第三区间中点时，通过第一区间内的负极性母线电压故障输出直接定位H桥中右桥臂下管(T₄)发生开路故障；对于第二区间内的零电压故障输出，此时等待下一个周期第一区间的到来，如果下一周期第一区间中有负极性母线电压故障输出，判断右桥臂下管(T₄)发生开路故障；如果下一周期第一区间中无负极性母线电压故障输出，则反推确定左桥臂上管(T₁)发生开路故障；

通过第三区间内的正极性母线电压故障输出直接定位右桥臂上管(T₃)发生开路故障；对于第四区间内的零电压故障输出，此时等待下一个周期第三区间的到来，如果下一周期第三区间中有正极性母线电压故障输出，判断右桥臂上管(T₃)发生开路故障；如果下一周期第三区间中无正极性母线电压故障输出，则反推确定左桥臂下管(T₂)发生开路故障；

当所述输出电流波形中心对称点滞后于所述第三区间中点时，选取左桥臂上管(T₁)、左桥臂下管(T₂)作为直接定位逻辑，右桥臂下管(T₄)、右桥臂上管(T₃)为反推定位逻辑进行判断。

6.如权利要求4或5所述的级联多电平逆变器开路故障识别定位系统，其特征在于，所述H桥输出电压为电压大小和/或电压极性；所述判断单元中将采样点位置所采集的H桥输出电压与正常工作时的H桥输出电压进行对比包括：

将采样点位置所采集的H桥输出电压大小与正常工作时的H桥输出电压大小进行对比，和/或将采样点位置所采集的H桥输出电压极性与正常工作时的H桥输出电压极性进行对比。

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