本發(fā)明涉及電力電子器件故障診斷技術(shù)，特別是涉及一種多電平逆變器的開路故障診斷方法。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，以二極管中點鉗位型(NPC)結(jié)構(gòu)為代表的三電平逆變器輸出電壓波形諧波含量低，電磁干擾小、電壓容量高、電壓跳變率低，已被廣泛應(yīng)用于牽引驅(qū)動系統(tǒng)。但是，NPC三電平逆變電路的開關(guān)器件數(shù)目較多，導(dǎo)致其故障率高、可靠性低，任何一個器件故障都可能導(dǎo)致整個電路停止工作，造成不可估量的經(jīng)濟損失。因此，如何快速實現(xiàn)電路的故障診斷對于提高NPC三電平逆變器的工作可靠性具有重大意義。

目前，國內(nèi)外針對NPC三電平逆變器的故障診斷問題研究出很多方法。如利用快速傅里葉變換、小波變換和主成分分析等信號處理方法提取故障特征信號，再利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機和關(guān)聯(lián)向量機等智能方法進行故障診斷。但這類方法需要對大量的故障信號進行訓(xùn)練，算法復(fù)雜、工作量很大。此外，還有針對NPC三電平逆變器單管開路故障，對橋臂電壓波形進行實時分析得出故障診斷依據(jù)，進行逆變器的開路故障診斷。但是，這些方法只考慮單個器件開路的故障模式，可靠性較低。因此，為了提高NPC三電平逆變器開路故障診斷的可靠性，減少故障診斷的工作量，本發(fā)明選取開關(guān)狀態(tài)、負載相電流的極性和橋臂相電壓作為故障特征，進行NPC三電平逆變器的開關(guān)管開路故障診斷。它不僅能夠診斷出單管開路故障，也能有效實現(xiàn)雙管開路故障診斷，此外還具有診斷迅速、可靠性高等優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種三電平逆變器的開關(guān)管開路故障診斷方法。該診斷方法邏輯簡單、易于實現(xiàn)，診斷速度快，可靠性高。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種三電平逆變器的開關(guān)管開路故障診斷方法，具體包括如下步驟：

(1)選取二極管中點鉗位型(NPC)三電平逆變電路的開關(guān)狀態(tài)、負載相電流的極性及橋臂相電壓作為故障特征。NPC三電平逆變器每相由4個IGBT開關(guān)器件串聯(lián)組成，每個開關(guān)器件反并聯(lián)1個續(xù)流二極管，三相橋臂并聯(lián)接直流電源U_d，每相中間兩個串聯(lián)的IGBT開關(guān)器件與兩個串聯(lián)的二極管并聯(lián)連接，兩個串聯(lián)的二極管的中間點接直流電源U_d的中性點(O)，即U_d/2電壓處，每相4個串聯(lián)的IGBT開關(guān)器件的中間點(A、B、C)輸出接對應(yīng)的三相負載，所述的負載相電流是流入負載端的電流，所述的橋臂相電壓是每相的中間點(A、B、C)與直流電源U_d的中性點(O)之間的電壓，所述的開關(guān)狀態(tài)是控制4個串聯(lián)的IGBT開關(guān)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的驅(qū)動信號，NPC三電平逆變器共有三種開關(guān)狀態(tài)，分別是P、O、N。所述的P狀態(tài)是控制每相上面2個IGBT開關(guān)器件導(dǎo)通、下面2個IGBT開關(guān)器件關(guān)斷的驅(qū)動信號，所述的O狀態(tài)是控制每相中間2個IGBT開關(guān)器件導(dǎo)通、另外2個IGBT開關(guān)器件關(guān)斷的驅(qū)動信號，所述的N狀態(tài)是控制每相下面2個IGBT開關(guān)器件導(dǎo)通、上面2個IGBT開關(guān)器件關(guān)斷的驅(qū)動信號。

(2)建立NPC三電平逆變電路的模型，根據(jù)實際運行的單管和雙管開路故障進行故障分類，共五類79種故障。

1)第一類：正常運行，無開關(guān)器件發(fā)生開路故障。

2)第二類：只有一個開關(guān)器件發(fā)生開路故障，即每相橋臂4個串聯(lián)的IGBT開關(guān)器件(Qi1-Qi4，i＝A、B、C)中任一開關(guān)管發(fā)生開路故障，共12種情況。

3)第三類：單相橋臂上下半橋各有一個開關(guān)管發(fā)生開路故障，共12種情況。

4)第四類：單相橋臂上半橋或下半橋兩個開關(guān)管發(fā)生開路故障，共6種情況。

5)第五類：交叉橋臂兩個開關(guān)管發(fā)生開路故障，共48種情況。

(3)鑒于電路的對稱性，以A相橋臂為例，對工作在P、O狀態(tài)下的NPC三電平逆變電路，進行步驟(2)中第二類的單管開路故障特征分析，得到單管開路故障診斷依據(jù)，輸入到單管開路故障診斷模塊進行診斷，能夠診斷出NPC三電平逆變器的第一類、第二類故障，共13種情況。

(4)基于單管開路故障診斷，可得到雙管開路故障診斷依據(jù)，輸入到雙管故障診斷模塊進行診斷，能夠診斷出NPC三電平逆變器的第三類、第五類故障，共60種情況。

(5)對步驟(2)中NPC三電平逆變器的第四類故障，進行開關(guān)管開路故障診斷。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用開關(guān)狀態(tài)、橋臂相電壓及負載相電流的極性實現(xiàn)了NPC三電平逆變器的開關(guān)管開路故障診斷。相比于基于信號的故障診斷方法，該診斷方法不需要對故障特征信號進行信號處理，直接根據(jù)所選取信號的特征識別出開路故障。相比于基于知識的故障診斷方法，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在線診斷，且不需要對大量的故障數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，大大減少了工作量。此外，該診斷方法不需要進行復(fù)雜的算法運算，邏輯診斷思路簡單，診斷速度快、可靠性高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明NPC三電平逆變電路A相橋臂等效圖；

圖2為本發(fā)明NPC三電平逆變電路的開關(guān)狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明P狀態(tài)下，開路故障后的電流流通路徑變化圖；

圖4為本發(fā)明O狀態(tài)下，開路故障后的電流流通路徑變化圖；

圖5單管開路故障診斷流程圖；

圖6雙管開路故障診斷邏輯圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。

以圖1所示的NPC三電平逆變電路的A相橋臂為例，分析NPC三電平逆變電路的工作情況。P狀態(tài)(QA1QA2導(dǎo)通，QA3QA4關(guān)斷)：如圖1(a)所示，負載相電流為正時(圖中實線方向)，電流流過QA1、QA2(忽略管壓降)，此時U_AO＝+1/2U_d；負載相電流為負時(圖中虛線方向)，電流流過與QA1、QA2并聯(lián)的續(xù)流二極管D1、D2，同理U_AO＝+1/2U_d；O狀態(tài)(QA2QA3導(dǎo)通，QA1QA4關(guān)斷):如圖1(b)所示，負載相電流為正時，電流流過D5和QA2，此時U_AO＝0；負載相電流為負時，電流流過QA3和D6，同理U_AO＝0；N狀態(tài)(QA3QA4導(dǎo)通，QA1QA2關(guān)斷):如圖1(c)所示，負載相電流為正時，電流流過與QA3、QA4并聯(lián)的續(xù)流二極管D3、D4，此時U_AO＝-1/2U_d；負載相電流為負時，電流流過QA3、QA4(忽略管壓降)，同理U_AO＝-1/2U_d。上述分析可知A相橋臂存在三種開關(guān)狀態(tài)，因此NPC三電平逆變器共有27種開關(guān)狀態(tài)，本發(fā)明選用的NPC三電平逆變器的開關(guān)狀態(tài)如圖2所示。

分別提取NPC三電平逆變器的開關(guān)狀態(tài)、橋臂相電壓及負載相電流的極性作為故障特征，基于電流流通路徑法進行不同開關(guān)狀態(tài)下開路故障特征的分析。鑒于電路的對稱性，以A相橋臂為例，分析P、O狀態(tài)下的單管開路故障特征。

P狀態(tài)下，負載相電流(I_a)的分析：由圖1(a)可見，NPC三電平逆變電路工作在P狀態(tài)，QA3、QA4開關(guān)管斷開，僅進行QA1、QA2開關(guān)管開路故障特征分析。由逆變電路的工作原理知，當逆變電路工作在P狀態(tài)且正常工作時，I_a可正可負，且I_a由負到正會出現(xiàn)瞬時值為零的情況；由圖3可見，I_a＜0時(圖中1號虛線)，QA1、QA2開關(guān)管開路故障對該狀態(tài)無影響，I_a依然可以形成負向通路；I_a＞0時(圖中2號實線)，QA1開關(guān)管開路故障，I_a無法經(jīng)過QA1、QA2流向負載，只能經(jīng)過D5和QA2流向負載(圖中3號虛線)，電路工作狀態(tài)變?yōu)镺狀態(tài)，I_a依然可以形成正向通路，由圖2可見，仍存在部分開關(guān)狀態(tài)無法轉(zhuǎn)變?yōu)镺狀態(tài)，如PPN、PON、PNN等，這些開關(guān)狀態(tài)下的I_a只能為零；I_a＞0時(圖中2號實線)，QA2開關(guān)管開路故障，電路斷開，I_a＝0。綜上所述：P狀態(tài)下正常工作時，NPC三電平逆變器的I_a可大于小于等于零，QA1開關(guān)管開路故障下的I_a可大于小于等于零，QA2開關(guān)管開路故障下的I_a不可能大于零，因此P狀態(tài)下利用I_a的極性可識別出QA2開關(guān)管開路故障，無法對QA1開關(guān)管開路故障和正常狀態(tài)加以區(qū)分。因此，選取橋臂相電壓作為另一故障特征，實現(xiàn)QA1開關(guān)管的開路故障診斷。

P狀態(tài)下，橋臂相電壓(U_AO)的分析：由逆變電路的工作原理知，當逆變電路工作在P狀態(tài)且正常工作時，U_AO＝+1/2U_d；QA1開關(guān)管開路故障，由圖3可見，若I_a＜0(圖中2號虛線)，電流流過與QA1、QA2并聯(lián)的續(xù)流二極管D1、D2，QA1開關(guān)管開路故障對該狀態(tài)無影響，U_AO＝+1/2U_d；若I_a＞0(圖中1號實線)，QA1開關(guān)管開路故障，電流流過D5和QA2(圖中3號虛線)，電路工作狀態(tài)變?yōu)镺狀態(tài)，U_AO＝0；若I_a＝0，A相橋臂不工作，此時，U_AO取決于B、C相的工作狀態(tài)。由圖2可知B、C相工作狀態(tài)有OP/PO、ON/NO、NP/PN、OO、NN等，若B、C相工作在OP狀態(tài)時，所對應(yīng)的相電壓U_BO、U_CO分別為0、+1/2U_d，因此，N點點位為+1/4U_d。阻感性負載的電流滯后于電壓，因此，I_a＝0，U_AN≠0。若U_AN＞0，則A點電位大于N點點位大于+1/4U_d，直到電感放電完畢，電壓穩(wěn)定在+1/4U_d，若U_AN＜0，則A點電位小于N點點位小于+1/4U_d，直到電感充電完畢，電壓穩(wěn)定在+1/4U_d；若在I_a＝0之前，U_AN已經(jīng)變?yōu)榱?，即A點點位等于N點點位。若B、C相工作在NP狀態(tài)時，所對應(yīng)的相電壓U_BO、U_CO分別為-1/2U_d、+1/2U_d，因此，N點點位為零，由U_AN＝0推出A點點位為零，即U_AO＝0；同理可推出其他工作狀態(tài)下的橋臂相電壓U_AO＜+1/2U_d。綜上所述，P狀態(tài)下QA1開關(guān)管開路故障，存在橋臂相電壓U_AO＜+1/2U_d，P狀態(tài)下正常工作時，橋臂相電壓U_AO＝+1/2U_d，因此利用橋臂相電壓可識別出QA1開關(guān)管開路故障。同理可推出QA2開關(guān)管開路故障下，存在橋臂相電壓U_AO＜+1/2U_d。

O狀態(tài)下，負載相電流(I_a)的分析：由圖1(b)可見，當逆變器工作在O狀態(tài)下，QA1、QA4開關(guān)管斷開，僅進行QA2、QA3開關(guān)管開路故障特征分析。由逆變電路的工作原理知，當逆變電路工作在O狀態(tài)且正常工作時，I_a可正可負，且I_a由負到正會出現(xiàn)瞬時值為零的情況；由圖4可見，I_a＜0時(圖中虛線)，QA2開關(guān)管開路故障對該狀態(tài)無影響，I_a依然可以形成負向通路，I_a＜0時QA3開關(guān)管開路故障，電路斷開，I_a＝0；I_a＞0(圖中實線)，QA2開關(guān)管開路故障，電流無法經(jīng)過D5和QA2流向負載，電路斷開，I_a＝0，QA3開關(guān)管開路故障對該狀態(tài)無影響，I_a依然可以形成正向通路；綜上所述：O狀態(tài)下，QA2開關(guān)管開路故障下的I_a恒小于等于零，QA3故障下的I_a恒大于等于零，因此僅通過I_a的極性可識別出QA2、QA3開關(guān)管開路故障，無需進行橋臂相電壓的分析。

由A相橋臂的單管開路故障特征分析，可推出NPC三電平逆變器的單管開路故障特征表，如表1所示。

表1 單管開路故障特征表

單管開路故障診斷：由表1可得單管開路故障診斷依據(jù)，若P狀態(tài)下橋臂相電壓小于+1/2U_d且負載相電流極性為正，則為Qi1開關(guān)管開路故障，若P、O狀態(tài)下負載相電流極性恒為負，則為Qi2開關(guān)管開路故障；若0、N狀態(tài)下負載相電流極性恒為正，則為Qi3開關(guān)管開路故障；若N狀態(tài)下，橋臂相電壓大于-1/2U_d且負載相電流極性為負，則為Qi4開關(guān)管開路故障。因此可得圖5所示的單管開路故障診斷流程圖。

基于單管開路故障診斷依據(jù)，得到圖6所示的雙管開路故障診斷邏輯圖：

(1)針對步驟(2)中第三類故障：基于不同開關(guān)狀態(tài)下的單管開路故障互不影響，雙管開路故障診斷可看成是兩個開關(guān)管單獨開路故障診斷。由單管開路故障診斷依據(jù)知，Qi3單管開路故障對P狀態(tài)無影響，該狀態(tài)下NPC三電平逆變器正常工作，Qi1單管開路故障時，僅對P狀態(tài)有影響，因此，若利用單管開路故障診斷依據(jù)診斷出Qi1、Qi3開關(guān)管都開路故障，則為Qi1Qi3雙管開路故障。同理利用單管故障診斷依據(jù)分別診斷Qi1、Qi4或Qi2、Qi4開關(guān)管是否開路故障來進行Qi1Qi4或Qi2Qi4雙管開路故障診斷。

(2)針對步驟(2)中第三類故障：基于同一開關(guān)狀態(tài)下的單管開路故障互相影響，雙管開路故障診斷不可看成是兩個開關(guān)管單獨開路故障診斷。由單管開路故障診斷依據(jù)可推出，若0狀態(tài)下負載相電流恒為零，則為Qi2Qi3雙管開路故障。因此，無法再利用單管開路故障診斷依據(jù)分別診斷Qi2、Qi3開關(guān)管是否開路故障來進行雙管開路故障診斷，只能依據(jù)O狀態(tài)下，負載相電流恒為零進行Qi2Qi3雙管開路故障診斷。

(3)針對步驟(2)中第四類故障：基于同一開關(guān)狀態(tài)下的單管開路故障互相影響，雙管開路故障誤診為單管開路故障。由P狀態(tài)下QA1、QA2開關(guān)管開路故障特征分析知，P狀態(tài)下QA1開關(guān)管開路故障，負載相電流可大于小于等于零且橋臂相電壓小于+1/2U_d；P狀態(tài)下QA2開關(guān)管開路故障，負載相電流小于等于零且橋臂相電壓小于+1/2U_d；可推出若P狀態(tài)下負載相電流小于等于零且橋臂相電壓小于+1/2U_d，則為QA1QA2雙管開路故障。由上述分析知，QA1QA2雙管開路故障和QA2單管開路故障的故障特征相同，因此，易將QA1QA2雙管開路故障誤診為QA2單管開路故障。同理易將QA3QA4雙管開路故障誤診為QA3單管開路故障，此類型的故障共有6種。

(4)針對步驟(2)中第五類故障：基于不同橋臂的開路故障特征不同且互不影響，交叉橋臂兩個開關(guān)管開路故障可看成是兩個單相橋臂單管單獨開路故障，即利用單管開路故障診斷依據(jù)分別診斷兩相橋臂的兩個開關(guān)管是否開路故障來進行交叉橋臂兩個開關(guān)管開路故障診斷。

對步驟(2)中NPC三電平逆變器的第四類故障，進行開關(guān)管開路故障診斷：

(1)由上述分析知，Qi1Qi2/Qi3Qi4雙管開路故障和Qi2/Qi3單管開路故障的故障特征相同，進行NPC三電平逆變器的開關(guān)管開路故障診斷時，易將Qi1Qi2/Qi3Qi4雙管開路故障誤診為Qi2/Qi3單管開路故障。但這兩類故障都包含Qi2/Qi3開關(guān)管故障，為了對這兩類故障加以區(qū)分，可更換Qi2/Qi3故障開關(guān)管，再利用Qi1/Qi4單管開路故障診斷依據(jù)判斷Qi1/Qi4開關(guān)管是否開路故障，若Qi1/Qi4開關(guān)管開路故障，則為Qi1Qi2/Qi3Qi4雙管開路故障，否則Qi2/Qi3單管開路故障。此類型的故障共有6種，均按此思路加以區(qū)分。