CN115267606B - Anpc型三电平并网逆变器中igbt的开路故障诊断方法 - Google Patents

Anpc型三电平并网逆变器中igbt的开路故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法，是通过采集ANPC型三电平并网逆变器实时电压电流数据和电气参数，并通过判断逻辑对IGBT开路故障进行诊断，本发明能解决现有ANPC型三电平并网逆变器IGBT开路故障诊断方法中存在的所需数据样本、计算量大、增加额外的硬件电路、不能实时在线诊断、时间长等问题，从而能避免现有开路故障诊断方法对故障样本的依赖、减少硬件成本和诊断时间。

Description

ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法，属于电力电子设备故障诊断技术领域。
背景技术
随着科学技术和现代工业的发展，由于两电平拓扑存在的一些问题，导致两电平拓扑现如今远远不能满足现在的工业需求，多电平拓扑结构得到了广泛应用。但由于多电平拓扑结构的功率开关器件数量增多，导致所存在功率开关器件发生故障的风险得以增加，严重影响到系统的可靠性，因此需要对功率开关器件故障进行一定的研究。通常，功率开关器件的开关故障可分为短路故障和开路故障。短路故障一般会引起较大的故障电流，因此一般通过采用硬件保护电路的方式来对功率开关器件短路故障进行检测和保护，且功率开关器件短路故障如果不加以制止，最后会转变成开路故障。而开路故障不太容易被保护电路及时发现，从而存在引起更为严重故障的风险。另外，由于NPC型三电平拓扑逆变器存在功率开关器件损耗不均衡问题，ANPC型拓扑应用日益广泛。相比于NPC型三电平逆变器，ANPC型三电平逆变器功率开关器件增多，导致功率开关器件故障概率增加，且也存在控制算法上的不同，因此设计ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障诊断方法是非常有必要的。
目前，国内针对三电平逆变器功率开关器件开路故障诊断已经有了广泛的研究，主要分为以下几类：(1)基于智能算法的三电平逆变器功率开关器件开路故障诊断方法。该类方法使用神经网络等机器学习工具，将物理机理转化为完全的数学映射关系，选取能够反映出三电平逆变器功率开关器件开路故障的电气物理量作为特征信号，通过使用故障特征提取的方法来得出故障特征向量，最后使用对应的神经网络等机器学习工具来进行故障诊断。此类方法不需要进行复杂的故障特征分析，只需要通过现有的机器学习工具即可得出其数学映射关系，但其需要大量的实际正常工作状态和故障状态下的特征信号来保证相对的诊断精度，并且需要考虑现有的机器学习工具里面的参数对最后诊断精度的影响；(2)基于功率信号的三电平逆变器功率开关器件开路故障诊断方法。该类方法通过采集电压电流信号来进行故障诊断，能够精确地反映出功率开关器件开路故障的电压电流故障特性，提升故障诊断的准确性，但由于需要进行计算得到对应功率的数值，计算量较大，诊断时间一般为在故障特征出现后的1个基波周期以上；(3)基于电压信号的三电平逆变器功率开关器件开路故障诊断方法。该类方法通过电压信号来进行故障诊断，能够直观地描述出功率开关器件开路故障的故障特征，且能够快速地根据故障特征进行故障诊断，但该类方法一般都需要增加额外的硬件电路，从而能够得到可以反应到故障特征的电压信号；(4)基于电流信号的三电平逆变器功率开关器件开路故障诊断方法。该类方法通过电流信号特性或对电流信号进行数据处理来进行故障诊断，可以不需要增加额外的硬件电路，便能够进行故障诊断，但该方法目前诊断时一般为在故障特征出现后的1/2个基波周期左右或以上，且有的方法无法精确定位具体的故障开关管或只能对单个开关管进行故障诊断。
比较上述几种功率开关器件开路故障诊断方法，智能算法所需要的数据较多，计算量大，且不易于在线诊断；电压信号方法需要增加额外的硬件电路，提高工程上的经济成本；功率信号方法有时需要增加额外的硬件电路且诊断时间长；电流信号方法存在一些诊断时间较长。另外，由于ANPC型三电平逆变器与NPC型三电平逆变器存在调制策略和电路结构的不同，导致许多NPC型三电平逆变器功率开关器件开路故障诊断方法在ANPC型三电平逆变器并不适用，且现有的ANPC型三电平逆变器功率开关器件开路故障诊断方法主要应用离网情况下，在并网状态下ANPC型三电平逆变器背景上鲜有研究，因此，设计ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障诊断方法成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法，以期能解决现有ANPC型三电平并网逆变器故障诊断方法存在的时间长、所需要的数据大、不能在线实时对IGBT开路故障诊断、所需要添加额外硬件电路和成本高等问题，从而能在实时运行状态中，根据逆变器输出电流进行功率开关器件故障诊断，降低硬件成本，缩短诊断时间。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法，所述ANPC型三电平并网逆变器中的IGBT包括：三相垂直桥臂的功率开关器件和三相箝位桥臂的功率开关器件，其中，任意x相垂直桥臂的功率开关器件分别记为：Sx1、Sx2、Sx3和Sx4；任意x相箝位桥臂的功率开关器件分别记为：Sx5和Sx6；其特点在于，所述开路故障诊断方法包括以下步骤：
步骤1、通过传感器实时采集ANPC型三电平并网逆变器的三相输出电流{Ix|x＝a,b,c}和电网三相电压{Ex|x＝a,b,c}，其中，Ix表示x相输出电流，Ex表示电网x相电压；
获取逆变器的电气参数，包括：直流侧电压Udc、逆变器的开关频率fs和逆变器三相输出电流的基波频率fn；
步骤2、根据所述电气参数计算逆变器的开关周期Ts和逆变器的三相输出电流的基波周期T，从而得到逆变器三相输出电流的正、负半周期区域，并根据所述正、负半周期区域，计算逆变器三相输出电流的正半周期区域内，电网三相电压{Ex|x＝a,b,c}首次等于Udc/6的时刻t1，以及逆变器三相输出电流的负半周期区域内，电网三相电压{Ex|x＝a,b,c}首次等于-Udc/6的时刻t2；
步骤3、利用式(1)确定零阈值范围Th1；
-Δ×Im≤Th1≤Δ×Im (1)
式(1)中，Δ表示所设定的电流零阈值系数，且Δ∈[0.01,0.1]，Im为ANPC型三电平并网逆变器的三相输出电流的幅值；
当逆变器的三相输出电流{Ix|x＝a,b,c}满足式(1)所示的零阈值范围Th1时，表示x相输出电流Ix的幅值为0；
步骤4、构建由规则1、规则2、规则3组成的诊断逻辑，用于对功率开关器件IGBT进行故障诊断，并得到诊断结果；
所述规则1为：在零阈值范围Th1内的逆变器x相输出电流Ix在正、负半周期区域内，若出现逆变器x相输出电流变化率ΔIx的电平转换次数超过脉冲阈值Th2时，则表示x相垂直桥臂功率开关器件发生开路故障，并令Fx1＝1；否则，表示x相垂直桥臂功率开关器件未发生开路故障，并令Fx1＝0；其中，Fx1表示x相垂直桥臂的功率开关器件是否发生开路故障；
所述规则2为：当Fx1＝1时，在0～t1/2或T/2～(T+t2)/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th3的情况，则表示x相垂直桥臂的Sx2或Sx3发生开路故障，并令Fx2＝1；否则，表示x相垂直桥臂的Sx2或Sx3未发生开路故障，并令Fx2＝0；其中，义Fx2表示Sx2或Sx3是否发生开路故障；
所述规则3为：在0～t1/2或T/2～(T+t2)/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th4的情况，则表示x相箝位桥臂的Sx5发生开路故障或Sx6发生开路故障，并令Fx3＝1；否则，表示x相箝位桥臂Sx5或Sx6未发生开路故障，并令Fx3＝0；其中，Fx3表示Sx5或Sx6是否发生开路故障。
本发明所述的ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法的特点也在于，利用式(2)得到所述脉冲阈值Th2：
Th2＝K×3fs/(4fn) (2)
式(2)中，K为上限阈值，K≥1。
所述规则1中，x相垂直桥臂功率开关器件发生开路故障是按如下情况进行判断：
若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的电平转换次数超过阈值Th2是发生在正半周期，则表示Sx1或Sx2发生开路故障；
若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的电平转换次数超过阈值Th2是发生在负半周期，则表示Sx3或Sx4发生开路故障。
利用式(3)计算所述阈值Th3：
Th3＝(Udc·Δt)/(6L) (3)
式(3)中，L为滤波器的等效电感；Δt为控制器的模拟量采样时间。
所述规则2中，Sx2或Sx3发生开路故障是按如下情况进行判断：
在0～t1/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th3的情况，即Fx2＝1时，且逆变器x相输出电流变化率ΔIx存在满足ΔIx＜-(Udc·Δt)/(6L)的情况，则表示Sx2发生开路故障；
在T/2～(T+t2)/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th3的情况，即Fx2＝1时，且逆变器x相输出电流变化率ΔIx存在满足ΔIx＞(Udc·Δt)/(6L)的情况，则表示Sx3发生开路故障。
利用式(4)计算所述阈值Th4：
Th4＝(Udc·Δt)/(3L) (4)。
所述规则3中，Sx5或Sx6发生开路故障是如下情况信息判断：
在0～t1/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th4的情况，即Fx3＝1时，且逆变器x相输出电流变化率ΔIx存在满足ΔIx＜-(Udc·Δt)/(3L)的情况，则表示Sx6发生开路故障；
在T/2～(T+t2)/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th4的情况，即Fx3＝1时，且逆变器x相输出电流变化率ΔIx存在满足ΔIx＞(Udc·Δt)/(3L)的情况，则表示Sx5发生开路故障。
所述步骤4中的诊断逻辑包括：
a)若x相逆变器输出电流Ix在0～t1/2区域内，Fx1Fx2Fx3为100且ΔIx一直ΔIx＞-(Udc·Δt)/(6L)，则表示Sx1发生开路故障；
b)若x相逆变器输出电流Ix在0～t1/2区域内，Fx1Fx2Fx3＝110且ΔIx存在ΔIx＜-(Udc·Δt)/(6L)，则表示Sx2发生开路故障；
c)若x相逆变器输出电流Ix在T/2～(T+t2)/2区域内，Fx1Fx2Fx3＝110且ΔIx存在ΔIx＞(Udc·Δt)/(6L)，则表示Sx3发生开路故障；
d)若x相逆变器输出电流Ix在T/2～(T+t2)/2区域内，Fx1Fx2Fx3＝100且ΔIx一直ΔIx＜(Udc·Δt)/(6L)，则表示Sx4发生开路故障；
e)若x相逆变器输出电流Ix在T/2～(T+t2)/2区域内，Fx1Fx2Fx3＝001或011且ΔIx存在ΔIx＞(Udc·Δt)/(3L)，则表示Sx5发生开路故障；
f)若x相逆变器输出电流Ix在0～t1/2区域内，Fx1Fx2Fx3＝001或011且ΔIx存在ΔIx＜-(Udc·Δt)/(3L)，则表示Sx6发生开路故障。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障诊断方法采用电流信号作为故障特征信号，不需要额外添加硬件电路、大量的数据拟合、智能算法，从而减少了硬件成本、提高了故障诊断速度。
2、本发明方法通过对ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障进行故障特征分析，并根据其故障特性来进行故障诊断，与以往的电流信号故障诊断方法相比，减少了故障诊断时间，且提高故障诊断的准确性，实现了在线故障诊断。
3、本发明所使用的方法，是根据对ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障进行故障特征分析所得出的，且故障诊断方法的阈值是根据实际电路拓扑参数所设计出的，减少了人工干预，从而提升了ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障诊断方法的适应性。
附图说明
图1为本发明中ANPC型三电平并网逆变器主电路拓扑图；
图2为本发明中ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障诊断方法的具体步骤流程图；
图3为本发明中正常情况下，三相逆变器输出电流和诊断结果波形图；
图4为本发明中Sa1发生单管开路故障情况下，三相逆变器输出电流和诊断结果波形图；
图5为本发明中Sa2发生单管开路故障情况下，三相逆变器输出电流和诊断结果波形图；
图6为本发明中Sa6发生单管开路故障情况下，三相逆变器输出电流和诊断结果波形图；
图7为本发明中Sa1和Sa3发生双管开路故障情况下，三相逆变器输出电流和诊断结果波形图；
图8为本发明中Sa1和Sb1发生双管开路故障情况下，三相逆变器输出电流和诊断结果波形图；
图9为本发明中Sa2和Sb5发生双管开路故障情况下，三相逆变器输出电流和诊断结果波形图。
具体实施方式
本实施例中，一种ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法是以ANPC型三电平并网逆变器作为对象，采集ANPC型三电平并网逆变器实时电压电流数据和电气参数，并从故障机理出发，通过对ANPC型三电平并网逆变器中功率开关器件IGBT的不同开路故障进行故障分析，得出对应不同开路故障的故障特性，归纳出功率开关器件IGBT的开路故障特征，根据开路故障特征，对ANPC型三电平并网逆变器中功率开关器件IGBT的开路故障进行故障诊断，并得到诊断结果，使该故障诊断方法能够较为精确地对ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障进行识别。ANPC型三电平并网逆变器如图1所示，该ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障诊断方法包括以下步骤：
步骤1、通过传感器实时采集ANPC型三电平并网逆变器的三相输出电流{Ix|x＝a,b,c}和电网三相电压{Ex|x＝a,b,c}，其中，Ix表示x相输出电流，Ex表示电网x相电压；
获取逆变器的电气参数，包括：直流侧电压Udc、逆变器的开关频率fs和逆变器三相输出电流的基波频率fn。
步骤2、根据电气参数计算逆变器的开关周期Ts和逆变器的三相输出电流的基波周期T，从而得到逆变器三相输出电流的正、负半周期区域，并根据正、负半周期区域，计算逆变器三相输出电流的正半周期区域内，电网三相电压{Ex|x＝a,b,c}首次等于Udc/6的时刻t1，以及逆变器三相输出电流的负半周期区域内，电网三相电压{Ex|x＝a,b,c}首次等于-Udc/6的时刻t2。
步骤3、利用式(1)确定零阈值范围Th1；
式(1)中，Δ表示所设定的电流零阈值系数，一般Δ＝0.05且Δ∈[0.01,0.1]，Im为ANPC型三电平并网逆变器的三相输出电流的幅值。
当逆变器的三相输出电流{Ix|x＝a,b,c}满足式(1)所示的零阈值范围Th1时，表示x相输出电流Ix的幅值为0。
零阈值范围的设定主要是考虑：当发生垂直桥臂功率开关器件开路故障时，考虑到实际电路中，电力电子器件不是理想器件，当电路不导通时，线路中可能仍有微小的反向电流，且对应的逆变器输出电流在零附近波动，因此对电流信号设置过零阈值Th1，当逆变器输出电流在过零阈值内，即-Th1≤I≤Th1，则视为逆变器输出电流为0，当逆变器输出电流的绝对值大于过零阈值，则视为逆变器输出电流不为0。
步骤4、构建由规则1、规则2、规则3组成的诊断逻辑，用于对功率开关器件IGBT进行故障诊断，并得到诊断结果。
步骤4.1、通过对ANPC型三电平并网逆变器中功率开关器件IGBT的不同开路故障进行故障分析，得出对应不同开路故障的故障特性：
以a相功率开关管发生故障为例，由于主电路拓扑是上下对称的，因此只分析Sa1、Sa2和Sa6发生开路故障的逆变器输出电流特性。
由于电网电压EA在快等于Udc/6时，Da1Da2二极管在不存在电感的情况下会导通，开始存在反向电流。假设电网电压在半个周期内EA等于Udc/6的时刻分别为t1和t3，且a相逆变器输出电流周期时间为T。则将a相逆变器输出电流正半周期分为三个部分：0～t1；t1～t3；t3～T/2。
当Sa1发生开路故障时，a相逆变器输出电流在0～t1，a相逆变器输出电流总体特征为先上升后下降，a相端电压输出为0电平；在t1～T/2区域内，a相逆变器输出电流总体特征为存在大量反向电流，但幅值较小，a相端电压输出为0、Udc/2以及断流情况下对应的电压；在T/2～T区域内，逆变器输出电流和输出端电压基本不受影响。
当Sa2发生开路故障时，a相逆变器输出电流在0～t1区域内，a相逆变器输出电流总体特征为先上升后下降，a相端电压输出为0电平和-Udc/2电平；在t1～T/2区域内，a相逆变器输出电流总体特征为存在大量反向电流，但幅值较小，a相端电压输出为0、Udc/2以及断流情况下对应的电压；在T/2～T区域内，逆变器输出电流和输出端电压基本不受影响。
当Sa6发生开路故障时，a相逆变器输出电流在0～t1和t3～T/2区域内，a相逆变器输出电流总体特征为在零附近存在电流波动的情况，a相端电压输出为0电平、Udc/2电平和-Udc/2电平；在t1～t3区域内，a相逆变器输出电流总体特征与正常情况下的逆变器输出电流一致，但谐波分量会比正常情况下的大，a相端电压输出为0电平、Udc/2电平和-Udc/2电平；在T/2～T区域内，逆变器输出电流和输出端电压基本不受影响。
Sa3、Sa4和Sa5发生开路故障的逆变器输出电流特性则与上述基本一致，区别在于作用时间周期不一样，Sa3、Sa4和Sa5发生开路故障主要作用在T/2～T区域内。
步骤4.2、根据步骤1所得出的故障特性归纳出功率开关器件开路故障特征：
当ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件发生开路故障时，会使逆变器输出电流以及逆变器输出端电压均发生变化，由于Sa1发生开路故障与Sa2发生开路故障或Sa4发生开路故障与Sa3发生开路故障对逆变器输出电流的故障特性相差不大，所以仅凭单纯的逆变器输出电流的幅值等难以分辨出Sa1发生开路故障还是Sa2发生开路故障或Sa4发生开路故障还是Sa3发生开路故障，因此可以通过逆变器输出电流与端电压相结合后的逆变器输出电流变化率作为ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障特征。考虑不同的半个桥臂的功率开关器件在逆变器输出电流的作用时间和效果不同，因此不同位置的功率开关器件发生开路故障会对逆变器输出电流有着不同的影响。
1.垂直桥臂功率开关器件开路故障影响；
由步骤1分析可知，垂直桥臂功率开关器件Sa1～Sa4发生开路故障，对逆变器输出电流整体特征会产生较大的影响，使逆变器输出电流幅值基本上在对应影响的半个周期内为0附近。
当功率开关器件Sa1发生开路故障，在a相逆变器输出电流的正半周期内，Sa1发生开路故障会导致a相逆变器输出电流在零附近波动。
当功率开关器件Sa2发生开路故障，在a相逆变器输出电流的正半周期内，Sa2发生开路故障会导致a相逆变器输出电流在零附近波动。
而Sa2发生开路故障和Sa1发生开路故障的故障特性的区别在于0～t1区域内a相逆变器输出端电压是否存在输出-Udc/2电平，由于实际电路中存在小的电压波动，导致其在t1之前可能已经进入t1～T/2的故障特性，故此在Sa2发生开路故障时，在0～t1/2区域内，会使逆变器输出电流下降的电流变化率满足ΔI＞(Udc·Δt)/(6L)，即逆变器输出电流变化率满足ΔI＜-(Udc·Δt)/(6L)。而Sa1发生开路故障时，在0～t1/2区域内，逆变器输出电流下降的电流变化率不满足ΔI＞(Udc·Δt)/(6L)，即逆变器输出电流变化率不满足ΔI＜-(Udc·Δt)/(6L)。
功率开关器件Sa3发生开路故障与功率开关器件Sa2发生开路故障类似，Sa4发生开路故障与Sa1发生开路故障类似，故此功率开关器件Sa3发生开路故障时，有在a相逆变器输出电流的负半周期内，a相逆变器输出电流在零附近波动且在T/2～(T+t2)/2区域内，会使逆变器输出电流上升的电流变化率满足ΔI＞(Udc·Δt)/(6L)；功率开关器件Sa4发生开路故障时，有在a相逆变器输出电流的负半周期内，a相逆变器输出电流在零附近波动且在T/2～(T+t2)/2区域内，会使逆变器输出电流上升的电流变化率不满足ΔI＞(Udc·Δt)/(6L)。
2.箝位功率开关器件开路故障影响；
根据步骤1可知，箝位功率开关器件Sa5和Sa6发生开路故障主要对逆变器输出电流的整体特征不会产生较大的影响，但能够较大影响到逆变器输出电流的THD。
当功率开关器件Sa6发生开路故障，在0～t1区域内，Sa6发生开路故障导致a相逆变器输出电流下降变化率满足ΔI＞(Udc·Δt)/(3L)，即a相逆变器输出电流变化率满足ΔI＜-(Udc·Δt)/(3L)。
当功率开关器件Sa5发生开路故障时，其与功率开关器件Sa6发生开路故障类似，考虑在T/2～(T+t2)/2区域内，Sa5发生开路故障导致a相逆变器输出电流上升变化率满足ΔI＞(Udc·Δt)/(3L)，即a相逆变器输出电流变化率满足ΔI＞(Udc·Δt)/(3L)。
功率器件开路故障特征如表1所示，其中，ΔI为逆变器输出电流变化率；Δt为逆变器输出电流变化时间；L为滤波器等效电感；Udc为直流侧电压；T为逆变器输出电流基波周期；t1为在电网电压的每半周期内，电网电压Ex第一次等于Udc/6的时刻；Ia为a相逆变器输出电流。类似地，可以得出b相、c相开路故障特征。
表1 a相桥臂功率器件开路故障特征
步骤4.3、根据步骤2中的开路故障特征，建立一个针对ANPC型三电平并网逆变器IGBT开路故障的故障诊断方法：
对逆变器输出电流变化率进行符号判断，当其大于0，为1；小于0，为0，并对逆变器输出电流变化率电平转换次数进行计数。由于在正常工作状态下，逆变器输出电流在零阈值内的电流变化率电平转换次数很少，且存在时间较短，因此通过判断逆变器输出电流在零阈值内的电流变化率电平转换次数来诊断是否出现垂直桥臂功率开关器件开路故障。为了增加故障诊断方法的可靠性，以免出现误判断，对逆变器输出电流在零阈值内的电流变化率电平转换次数设置阈值Th2。由于电流变化率变化主要取决于三相开关量的变化，且垂直桥臂功率开关器件发生开路故障会使电流处于零阈值内，考虑双相双管开路故障，会对另一个非故障相产生较大的影响，故此考虑1/4个基波周期内的电流变化率的电平转换次数，电流变化率电平转换次数阈值Th2满足条件：
Th2＝K*3fs/(4fn) (2)
式(2)中，fs为逆变器开关频率；fn为电网基波频率；由于实际电路可能存在其他因素会使电流产生一定的影响，故此考虑一个上限阈值K，K≥1。
当发生箝位功率开关器件开路故障时，考虑其对逆变器输出电流的幅值影响不大，且由于逆变器输出电流变化率比较大对其THD产生较大的影响，因此考虑通过判断逆变器输出电流变化率来诊断出箝位功率开关器件是否发生开路故障。
诊断方法的诊断逻辑由规则1、规则2和规则3三部分组成的。规则如下：
规则1为：在零阈值范围Th1内的逆变器x相输出电流Ix在正、负半周期区域内，若出现逆变器x相输出电流变化率ΔIx的电平转换次数超过脉冲阈值Th2时，则表示x相垂直桥臂功率开关器件发生开路故障，并令Fx1＝1；否则，表示x相垂直桥臂功率开关器件未发生开路故障，并令Fx1＝0；其中，Fx1表示x相垂直桥臂的功率开关器件是否发生开路故障；
规则2为：当Fx1＝1时，在0～t1/2或T/2～(T+t2)/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th3的情况，则表示x相垂直桥臂的Sx2或Sx3发生开路故障，并令Fx2＝1；否则，表示x相垂直桥臂的Sx2或Sx3未发生开路故障，并令Fx2＝0；其中，义Fx2表示Sx2或Sx3是否发生开路故障；
利用式(3)计算阈值Th3：
Th3＝(Udc·Δt)/(6L) (3)
式(3)中，L为滤波器的等效电感；Δt为控制器的模拟量采样时间。
规则3为：在0～t1/2或T/2～(T+t2)/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th4的情况，则表示x相箝位桥臂的Sx5发生开路故障或Sx6发生开路故障，并令Fx3＝1；否则，表示x相箝位桥臂Sx5或Sx6未发生开路故障，并令Fx3＝0；其中，Fx3表示Sx5或Sx6是否发生开路故障。
利用式(4)计算阈值Th4：
Th4＝(Udc·Δt)/(3L) (4)
x相垂直桥臂功率开关器件发生开路故障是按如下情况进行判断：
若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的电平转换次数超过阈值Th2是发生在正半周期，则表示Sx1或Sx2发生开路故障；
若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的电平转换次数超过阈值Th2是发生在负半周期，则表示Sx3或Sx4发生开路故障。
具体实施中，Sx2或Sx3发生开路故障是按如下情况进行判断：
在0～t1/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th3的情况，即Fx2＝1时，且逆变器x相输出电流变化率ΔIx存在满足ΔIx＜-(Udc·Δt)/(6L)的情况，则表示Sx2发生开路故障；
在T/2～(T+t2)/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th3的情况，即Fx2＝1时，且逆变器x相输出电流变化率ΔIx存在满足ΔIx＞(Udc·Δt)/(6L)的情况，则表示Sx3发生开路故障。
具体实施中，Sx5或Sx6发生开路故障是如下情况信息判断：
在0～t1/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th4的情况，即Fx3＝1时，且逆变器x相输出电流变化率ΔIx存在满足ΔIx＜-(Udc·Δt)/(3L)的情况，则表示Sx6发生开路故障；
在T/2～(T+t2)/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th4的情况，即Fx3＝1时，且逆变器x相输出电流变化率ΔIx存在满足ΔIx＞(Udc·Δt)/(3L)的情况，则表示Sx5发生开路故障。
定义Fx为x相发生开路故障的功率开关器件序号：若Fx＝y，则代表x相的第y个功率开关器件发生开路故障；若Fx＝0，则代表x相的没有功率开关器件发生开路故障，其中x＝a,b,c；y＝1,2,3,4,5,6。故障诊断具体步骤流程图如图2所示，a相功率开关器件开路故障诊断表如表2所示。类似地，可以得出b相、c相开路故障诊断表。
表2 a相桥臂功率开关器件开路故障诊断表
由于只靠电逆变器输出电流变化率不能完全诊断出所有的双管开路故障，例如Sx1和Sx2双管发生开路故障与Sx2发生单管故障，Sx3和Sx4双管发生开路故障与Sx3发生单管故障一致，Sx1和Sx6双管发生开路故障与Sx1发生单管故障，Sx2和Sx6双管发生开路故障与Sx2发生单管故障，Sx3和Sx5双管发生开路故障与Sx3发生单管故障，Sx4和Sx5双管发生开路故障与Sx4发生单管故障，故此将Sx1和Sx2双管发生开路故障与Sx2发生单管故障归为一种类型，Sx3和Sx4双管发生开路故障与Sx3发生单管故障归为一种类型，Sx1和Sx6双管发生开路故障与Sx1发生单管故障归为一种类型，Sx2和Sx6双管发生开路故障与Sx2发生单管故障归为一种类型，Sx3和Sx5双管发生开路故障与Sx3发生单管故障归为一种类型，Sx4和Sx5双管发生开路故障与Sx4发生单管故障归为一种类型，故此能够检测单管故障+其他的双管复合故障+正常工作状态，一共为154种工作状态(总共172种类型)。令Sx1和Sx3双管发生开路故障时，Fx＝7；Sx1和Sx4双管发生开路故障时，Fx＝8；Sx1和Sx5双管发生开路故障时，Fx＝9；Sx2和Sx3双管发生开路故障时，Fx＝10；Sx2和Sx4双管发生开路故障时，Fx＝11；Sx2和Sx5双管发生开路故障时，Fx＝12；Sx3和Sx6双管发生开路故障时，Fx＝13；Sx4和Sx6双管发生开路故障时，Fx＝14。
为验证本发明中的ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障诊断方法的正确性，通过使用MATLAB/Simulink来进行对ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障建模，首先对正常情况下进行仿真，仿真诊断结果如图3所示，再通过切断功率开关器件的驱动信号来模拟不同故障类型的功率开关器件开路故障，并对本发明中的ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障诊断方法进行建模，最后将本发明中诊断方法的输出与实际发生开路故障的功率开关器件进行对比，得出开路故障诊断方法的正确性。具体如下：
(1)设Sa1在0.04s时发生单管开路故障，本发明中诊断方法的输出与逆变器输出电流对比图如图4所示。
(2)设Sa2在0.04s时发生单管开路故障，本发明中诊断方法的输出与逆变器输出电流对比图如图5所示。
(3)设Sa6在0.04s时发生单管开路故障，本发明中诊断方法的输出与逆变器输出电流对比图如图6所示。
(4)设Sa1在0.04s且Sa3在0.05s时在发生双管开路故障，本发明中诊断方法的输出与逆变器输出电流对比图如图7所示。
(5)设Sa1在0.04s且Sb1在0.05s时发生双管开路故障，本发明中诊断方法的输出与逆变器输出电流对比图如图8所示。
(6)设Sa2在0.04s且Sb5在0.05s时发生双管开路故障，本发明中诊断方法的输出与逆变器输出电流对比图如图9所示。
图4、图5、图6、图7、图8和图9的结果证明，本发明提出的ANPC型三电平并网逆变器功率开关器件开路故障诊断方法能够在故障特征出现后的1/4个基波周期内诊断出其故障类型，且最快的诊断时间为小于1ms，具有无需额外的传感器、成本低、故障识别仅需要逻辑推理、工程实践简单，能够识别单管、复合管153种故障类别、较高的准确性和快速性等特点。
以上仅为本发明的具体实施方式，并不用于限制本发明，凡采用等同替换、改进等得到的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法，所述ANPC型三电平并网逆变器中的IGBT包括：三相垂直桥臂的功率开关器件和三相箝位桥臂的功率开关器件，其中，任意x相垂直桥臂的功率开关器件分别记为：Sx1、Sx2、Sx3和Sx4；任意x相箝位桥臂的功率开关器件分别记为：Sx5和Sx6；其特征在于，所述开路故障诊断方法包括以下步骤：
步骤1、通过传感器实时采集ANPC型三电平并网逆变器的三相输出电流{Ix|x＝a,b,c}和电网三相电压{Ex|x＝a,b,c}，其中，Ix表示x相输出电流，Ex表示电网x相电压；
获取逆变器的电气参数，包括：直流侧电压Udc、逆变器的开关频率fs和逆变器三相输出电流的基波频率fn；
步骤2、根据所述电气参数计算逆变器的开关周期Ts和逆变器的三相输出电流的基波周期T，从而得到逆变器三相输出电流的正、负半周期区域，并根据所述正、负半周期区域，计算逆变器三相输出电流的正半周期区域内，电网三相电压{Ex|x＝a,b,c}首次等于Udc/6的时刻t1，以及逆变器三相输出电流的负半周期区域内，电网三相电压{Ex|x＝a,b,c}首次等于-Udc/6的时刻t2；
步骤3、利用式(1)确定零阈值范围Th1；
-Δ×Im≤Th1≤Δ×Im (1)
式(1)中，Δ表示所设定的电流零阈值系数，且Δ∈[0.01,0.1]，Im为ANPC型三电平并网逆变器的三相输出电流的幅值；
当逆变器的三相输出电流{Ix|x＝a,b,c}满足式(1)所示的零阈值范围Th1时，表示x相输出电流Ix的幅值为0；
步骤4、构建由规则1、规则2、规则3组成的诊断逻辑，用于对功率开关器件IGBT进行故障诊断，并得到诊断结果；
所述规则1为：在零阈值范围Th1内的逆变器x相输出电流Ix在正、负半周期区域内，若出现逆变器x相输出电流变化率ΔIx的电平转换次数超过脉冲阈值Th2时，则表示x相垂直桥臂功率开关器件发生开路故障，并令Fx1＝1；否则，表示x相垂直桥臂功率开关器件未发生开路故障，并令Fx1＝0；其中，Fx1表示x相垂直桥臂的功率开关器件是否发生开路故障；
所述规则2为：当Fx1＝1时，在0～t1/2或T/2～(T+t2)/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th3的情况，则表示x相垂直桥臂的Sx2或Sx3发生开路故障，并令Fx2＝1；否则，表示x相垂直桥臂的Sx2或Sx3未发生开路故障，并令Fx2＝0；其中，义Fx2表示Sx2或Sx3是否发生开路故障；
所述规则3为：在0～t1/2或T/2～(T+t2)/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th4的情况，则表示x相箝位桥臂的Sx5发生开路故障或Sx6发生开路故障，并令Fx3＝1；否则，表示x相箝位桥臂Sx5或Sx6未发生开路故障，并令Fx3＝0；其中，Fx3表示Sx5或Sx6是否发生开路故障。
2.根据权利要求1所述的ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法，其特征是，利用式(2)得到所述脉冲阈值Th2：
Th2＝K×3fs/(4fn) (2)
式(2)中，K为上限阈值，K≥1。
3.根据权利要求1所述的ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法，其特征是，所述规则1中，x相垂直桥臂功率开关器件发生开路故障是按如下情况进行判断：
若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的电平转换次数超过阈值Th2是发生在正半周期，则表示Sx1或Sx2发生开路故障；
若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的电平转换次数超过阈值Th2是发生在负半周期，则表示Sx3或Sx4发生开路故障。
4.根据权利要求1所述的ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法，其特征是，其特征是，利用式(3)计算所述阈值Th3：
Th3＝(Udc·Δt)/(6L) (3)
式(3)中，L为滤波器的等效电感；Δt为控制器的模拟量采样时间。
5.根据权利要求1所述的ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法，其特征是，所述规则2中，Sx2或Sx3发生开路故障是按如下情况进行判断：
在0～t1/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th3的情况，即Fx2＝1时，且逆变器x相输出电流变化率ΔIx存在满足ΔIx＜-(Udc·Δt)/(6L)的情况，则表示Sx2发生开路故障；
在T/2～(T+t2)/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th3的情况，即Fx2＝1时，且逆变器x相输出电流变化率ΔIx存在满足ΔIx＞(Udc·Δt)/(6L)的情况，则表示Sx3发生开路故障。
6.根据权利要求1所述的ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法，其特征是，利用式(4)计算所述阈值Th4：
Th4＝(Udc·Δt)/(3L) (4)。
7.根据权利要求1所述的ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法，其特征是，所述规则3中，Sx5或Sx6发生开路故障是如下情况信息判断：
在0～t1/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th4的情况，即Fx3＝1时，且逆变器x相输出电流变化率ΔIx存在满足ΔIx＜-(Udc·Δt)/(3L)的情况，则表示Sx6发生开路故障；
在T/2～(T+t2)/2区域内，若逆变器x相输出电流变化率ΔIx的绝对值|ΔIx|存在大于阈值Th4的情况，即Fx3＝1时，且逆变器x相输出电流变化率ΔIx存在满足ΔIx＞(Udc·Δt)/(3L)的情况，则表示Sx5发生开路故障。
8.根据权利要求1所述的ANPC型三电平并网逆变器中IGBT的开路故障诊断方法，其特征是，所述步骤4中的诊断逻辑包括：
a)若x相逆变器输出电流Ix在0～t1/2区域内，Fx1Fx2Fx3为100且ΔIx一直ΔIx＞-(Udc·Δt)/(6L)，则表示Sx1发生开路故障；
b)若x相逆变器输出电流Ix在0～t1/2区域内，Fx1Fx2Fx3＝110且ΔIx存在ΔIx＜-(Udc·Δt)/(6L)，则表示Sx2发生开路故障；
c)若x相逆变器输出电流Ix在T/2～(T+t2)/2区域内，Fx1Fx2Fx3＝110且ΔIx存在ΔIx＞(Udc·Δt)/(6L)，则表示Sx3发生开路故障；
d)若x相逆变器输出电流Ix在T/2～(T+t2)/2区域内，Fx1Fx2Fx3＝100且ΔIx一直ΔIx＜(Udc·Δt)/(6L)，则表示Sx4发生开路故障；
e)若x相逆变器输出电流Ix在T/2～(T+t2)/2区域内，Fx1Fx2Fx3＝001或011且ΔIx存在ΔIx＞(Udc·Δt)/(3L)，则表示Sx5发生开路故障；
f)若x相逆变器输出电流Ix在0～t1/2区域内，Fx1Fx2Fx3＝001或011且ΔIx存在ΔIx＜-(Udc·Δt)/(3L)，则表示Sx6发生开路故障。
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