定位怎么开

基于电流矢量特征分析的逆变器开路故障快速诊断与定位方法

陈勇;刘志龙;陈章勇

【摘要】提出一种基于电流矢量特征分析的三相电压源逆变器单开关管开路故障

快速诊断与定位方法.该方法仅仅利用三相电压源逆变器的输出电流,根据电流矢量

瞬时频率特征和电流矢量瞬时角度特征在逆变器故障前后发生的变化进行故障诊断,

其中利用电流矢量瞬时频率的变化进行故障快速诊断,结合电流矢量瞬时角度信息

进行故障相定位,并结合一种基于电流平均值的诊断变量进行故障开关管定位.通过

仿真和搭建硬件实验平台证明所提出的故障诊断与定位方法能够有效地快速定位出

故障相以及故障开关管.%Thispaperproposamethodoffastfault

diagnosisandlocationforsingleswitchopenofthree-phavoltage

propodmethodonlyustheoutputcurrentofthree-phavoltage

iagnosisiscarriedoutregardingthevariationsof

theinstantaneousfrequencyandinstantaneousangleofcurrentvector

ultdetectionisbadonthe

instantaneousfrequencychangeofcurrentvector,whilethefaultphais

locatedbycombiningwithinstantaneousangleinformationofcurrent

vector,andthefaultswitchislocatedbycombiningwithadiagnostic

,thepropod

hardwareexperimentalplatformverifiesthepropodmethodcan

effectivelyandquicklylocatethefaultphaandfaultswitch.

【期刊名称】《电工技术学报》

【年(卷),期】2018(033)004

【总页数】9页(P883-891)

【关键词】三相电压源逆变器;电流矢量特征;开路故障诊断与定位;瞬时频率;瞬时角

度

【作者】陈勇;刘志龙;陈章勇

【作者单位】电子科技大学能源科学与工程学院成都611731;电子科技大学电动

汽车动力系统与安全技术研究所成都611731;电子科技大学能源科学与工程学院

成都611731;电子科技大学电动汽车动力系统与安全技术研究所成都611731;电

子科技大学能源科学与工程学院成都611731;电子科技大学电动汽车动力系统与

安全技术研究所成都611731

【正文语种】中文

【中图分类】TM46

电力电子逆变器的可靠性是先进工业电气系统的基本保障。逆变器装置将太阳电池、

燃料电池组等产生的直流电压转换成交流负载或并网所需的交流电压或电流，因此，

逆变器已广泛应用于家用电器、电动汽车、飞机等场合。同时，逆变器在工业电气

传动系统中也得到广泛应用。

在电压源逆变器中，半导体开关IGBT或MOSFET控制着系统所需交流电压的频

率和形状，半导体开关管的数目取决于逆变器电路拓扑。两电平三相电压源逆变器

用了6个开关管。在老化、过载以及一些不可预知的外界操作等条件影响下，逆

变器会发生开关管故障。在交流调速驱动中，几乎70%的故障都和电力电子开关

管有关[1]。因此许多故障检测和隔离技术的研究得到人们的关注，主要有三方面

[2]：故障检测、故障识别和补救措施即故障隔离。由此既保证目标系统安全连续

的工作，又能及时维护故障器件。

一般说来，逆变器功率元器件故障分为开路故障和短路故障。目前，工业应用中的

电力电子变换器一般都配备一些诊断装置，这样能抵抗干扰并严重故障情况下关闭

系统以避免更大损失。例如，通过监测功率晶体管集电极和发射极之间的电压来防

止晶体管过电压和短路，但是，因为开路故障缓慢的响应特性导致开路故障往往容

易忽略，也就是说这种故障不一定会导致系统停机，但在一段时间内无法被检测到

[3]。并且，它会造成运行中拓扑的不平衡，使未发生故障的开关管中流过的电流

增大，降低了系统性能，很可能会导致变换器二次故障，造成系统关机，从而增大

维修成本，甚至造成人身伤害。因此本文提出了一个简单有效的方法来实时检测逆

变器功率开关管开路故障。

对逆变器功率开关管的开路故障研究取得了一定成果。文献[4]对逆变器开路故障

诊断方法进行了分类，主要分为基于电压的方法和基于电流的方法。文献[5]对功

率开关管故障诊断方法分为专家系统法、电流检测法、电压检测法和智能算法。文

献[6]提出基于下管电压检测法，通过实际电压和参考电压进行比较，并且需要测

量桥臂的下管电压。这些基于电压的方法体现了它的快速诊断的性能，因此减少了

故障发生和故障容错之间的时间，但是它需要额外的硬件设备，如电压传感器和其

他硬件电路，增加了系统成本，降低了系统的可靠性。文献[7]提出了两种基于分

析电流矢量的方法。其中，方法一称为电流矢量轨迹斜率法，利用电流矢量轨迹的

斜率去检测和定位PWM逆变器故障，需要一个电流周期诊断和定位功率开关管

开路故障；方法二称作电流矢量瞬时频率法，它可以检测逆变器开路故障，但不能

识别故障开关。文献[8]提出了基于参考电流误差的故障诊断方法，这种方法利用

负载三相电流和它们对应的三相参考电流来获得诊断变量进行故障诊断，但是由于

负载的变化，诊断阈值难以确定。文献[9]提出了一种永磁直驱系统中变流器开路

故障诊断和定位方法，该方法通过电流Park矢量相位的变化来检测故障的发生，

并依据故障后机侧平均电流的Park矢量相位所在区间和网侧各相电流的正负来确

定故障器件的所在位置。文献[10,11]提出了基于非线性观测器的故障诊断方法，

该方法利用非线性观测器观测得到的定子电流和估算的残差进行故障检测和定位，

但至少需要一个周期才能定位故障开关。上述提到的基于电流的方法，优点是对额

外的硬件电路要求较少，甚至不需要额外的电流传感器，只需要利用系统本身的电

流传感器，缺点是对负载变化比较敏感而且诊断速度较慢。文献[12]利用逆变器故

障后电网中性点与直流侧负极之间的电压与正常工作时的不同这一特征量，进行故

障诊断。文献[13]运用模糊逻辑进行开路故障诊断，但是模糊逻辑的推理很容易受

到环境和参数变化的影响，存在很多不确定的因素，所以有效性差。还有一些基于

先进人工智能算法的故障诊断方法，如基于神经网络的诊断方法[14]，其主要缺点

是计算量过大。文献[15,16]提出了基于模型的故障诊断方法，负载影响小并且计

算量也较小，然而在模型参数变化方面的鲁棒性较差。

本文提出一种基于电流矢量特征的故障诊断方法，只需采用逆变器的输出电流，主

要分析电流矢量的两种特征量在逆变器故障前后发生的变化进行故障检测以及故障

相定位。这两种特征量分别是电流矢量瞬时频率和电流矢量的瞬时角度信息。利用

电流矢量瞬时频率的变化进行故障快速诊断，同时结合电流矢量瞬时角度信息进行

故障相定位，进而结合一个基于电流平均值的诊断变量，进行故障功率开关管定位。

最后搭建了如图1所示四桥臂容错逆变器拓扑[17]，并对故障诊断方法进行仿真和

实验验证，结果表明了本文所提出的故障诊断方法的有效性。

电流空间矢量为

式中，ia和ib为逆变器三相电流通过Concordia变换得到的；qs为电流矢量旋

转角度，其示意图如图2所示。

在三相电压源逆变器发生功率开关管开路故障时，逆变器电流矢量的瞬时频率Fi

发生突变。与未发生故障情况相比，电流矢量瞬时频率Fi由某一瞬时频率值突变

为零。因此可以利用电流矢量瞬时频率Fi在逆变器发生故障前后的变化特征，对

逆变器开关管开路故障进行快速的故障检测[7]。

电流矢量瞬时频率Fi为

由图2可得

式中，T为电流采样周期；下标k表示第k个采样点。该方法利用式（3）求出逆

变器电流矢量瞬时频率Fi，通过和阈值比较，判断是否发生故障。

这种故障诊断方法可以有效快速地检测出是否发生开路故障，但却存在明显的缺陷，

即无法定位出哪一相发生了故障或者哪一个开关管发生了故障。为了克服上述的缺

陷，本文提出一种基于电流矢量特征的快速故障诊断与定位方法。

提出的故障诊断方法分三步。首先利用电流瞬时频率特征实现故障诊断；其次利用

qs的变化特征实现故障相定位；最后在故障相定位的基础上，结合基于电流平均

值的诊断变量进行故障开关定位。图3为故障诊断方法整体框图。图3中q为qs

的特征诊断变量，Fe为逆变器稳定运行时的电流矢量频率，e为瞬时频率残差，

dn为定位变量，虚线框部分是用来定位故障相，点划线框部分是用来定位故障开

关。表明故障相的定位需要瞬时频率信息和瞬时角度信息，而故障开关的定位不仅

需要瞬时角度和瞬时频率，还需要结合一个基于平均值的诊断变量。

利用电流矢量瞬时频率Fi在逆变器发生故障前后的变化特征，对逆变器开关管开

路故障进行快速的故障检测。电流矢量瞬时频率特征故障前后变化如图4所示。TI

为电流矢量周期。可以看出，在逆变器发生单开关开路故障前，Fi=Fe；故障后，

Fi在每个周期内，会有半个周期为零，另外半个周期为Fe。

定义瞬时频率残差e为

根据式（3）计算电流矢量瞬时频率Fi，并定义诊断变量S为

式中，km为瞬时频率残差阈值。当逆变器有功率开关管发生故障时，S的值由0

变为1。但是系统在运行过程中，由于受到外部噪声以及测量误差干扰电流可能会

含有纹波振幅，所以阈值km应该慎重选择。若km太小，可能会造成误诊断；若

km太大，且系统在较低频率运行时，故障检测会失效。

当故障发生时，电流矢量旋转角度qs会在半个周期内表现出明显的特征信息。因

此可以利用is在空间矢量中对应qs的特征进行故障定位。

定义表征qs特征的诊断变量为

式中，。

图5～图7为q在各相功率开关管开路故障前后的特征变化。

由图5～图7可以看出，逆变器发生故障时，的变化随着故障相的不同而不同。在

电流矢量每一个周期TI内，都会有半个周期不是连续变化而是保持为常量的情况。

当a相发生故障时，为或；当b相发生故障时，；当c相发生故障时，。因此故

障相定位为

式中，qth为所定义的诊断阈值。P=1，代表某一相发生故障；P=0，代表无故障

发生。在实际中由于负载电流噪声以及测量误差的影响，q并不完全等于理论值，

而是接近于理论值。因此在故障定位时需要定义阈值qth。阈值qth的定义和大

多数现有的故障诊断技术阈值定义方法相似，通过分析诊断变量在故障模式下和健

康模式下的特征来选取阈值。

诊断阈值qth分析示意图如图8所示，在对q变化特征分析的基础上，得出四个

阴影区域，用以限定qth的取值范围。区域Z1和Z2用来定位a相开路故障，区

域Z3用来定位b相故障，区域Z4用来定位c相故障。当诊断变量S=1时，并且

q位于区域Z1或Z2中，则定位故障到a相；当诊断变量S=1时，并且q位于区

域Z3中，则定位故障到b相；当诊断变量S=1时，并且q位于区域Z4中，则

定位故障到c相。qth的大小影响各区域的大小，当qth=p/6时，结合图8，得

到h1+h2+h3+h4=p，此时，相邻的区域会发生边界重合。当qth＞p/6时，

h1+h2+h3+h4＞p，相邻区域会发生重合，若q出现在重合的公共区域中，将导

致故障相无法正确定位。可见阈值qth选取太小会造成故障相定位不灵敏，选取

太大会造成故障相无法定位，因此选取qth为一个较小的正数，且离边界值0和

p/6保持一定的安全距离，即qth∈(0,p/6)。

为进一步优化故障诊断方法，使其能够在故障相定位的基础上定位逆变器的故障开

关管，需要定义额外的故障定位变量dn(t)来进行开关管故障快速定位，即

式中，n∈{a,b,c}，分别代表a、b、c三相。

在已定位出某一相发生故障的情况下，只需要判定变量dn大于零还是小于零即可

判断开关管故障，因发生开路故障后，负载电流会发生正半周或负半周缺失，所以

dn大于零或小于零（dn的绝对值最大值为1），但因负载电流存在噪声影响和测

量误差，则定义阈值kd，kd的取值范围为。若kd值太大，则故障开关管定位灵

敏度降低，定位速度变慢；kd值太小，则容易出现定位错误。kd值的选取应该以

能抵消电流纹波为标准。因此，在已定位故障相的情况下，当dn≥kd时，，表示

下桥臂开关管发生开路故障；当dn≤-kd时，则，表示上桥臂开关管发生开路故

障。

表1给出了故障诊断变量与故障相、故障开关之间的关系。可以看出故障相（上

桥臂开关管或者下桥臂开关管发生故障）的定位只需要变量S和变量Pn，不需要

变量Dn，而故障开关的定位不仅需要变量S和变量Pn，还需要变量Dn。

根据以上分析得到最终的故障相定位标志变量为

开关管故障标志变量为

当某一相有开路故障发生时，epn=1。此时，对于四桥臂容错拓扑来说，确定故

障相后，就可以进行桥臂切换，实现容错。相故障标志变量epn是由基于is瞬时

特征确定的，因此能够快速定位出故障相。当某一相上桥臂开关管发生故障时，，

下桥臂开关管发生故障时，esn=1。esn是在epn的基础上引入基于电流平均值

的诊断变量Dn，从而实现了故障开关快速定位。

根据图1和图3，在Matlab/Simulink中搭建四桥臂容错逆变器仿真模型和故障

诊断与定位模型，对故障诊断方法进行仿真分析和证明。仿真参数如下：直流侧电

压30V，开关频率9kHz，负载50W。

仿真分析VT2开路故障后故障诊断与定位方法的有效性以及性能。在t=0.313s时，

VT2发生故障。

图9为VT2发生故障后三相电流仿真结果，可以看出a相电流只出现在正半周期。

图10为VT2发生故障后电流矢量瞬时频率的仿真结果，描述了is的瞬时频率在

故障前后的变化特征。当故障发生在t=0.313s时，经过不到1.2ms，Fi变化量突

然增大，变化量会大于阈值，从而诊断出故障发生。

图11为电流矢量瞬时角度q的仿真结果。在利用is瞬时频率诊断出故障发生的

同时，q约为-p/2。再根据以上两个变量的瞬时变化特点就可以进行故障相定位。

从图12中epa的仿真结果中看出，在故障发生后不到1.2ms处epa=1，此时定

位出逆变器a相故障。

图13为故障定位变量da的仿真结果，当故障相定位标志信号epa=1时，并且故

障定位变量da达到阈值后，则故障开关定位标志变量esa=1。图14为故障开关

定位标志变量esa仿真结果。从图14的仿真结果可以得到故障开关定位标志变量

esa在故障后接近3ms处突变为1。表明a相上桥臂开关管开路故障，即VT2发

生开路故障。

当定位出逆变器a相有功率开关管发生开路故障后，即当epa=1时，就可触发四

桥臂容错逆变器进行容错，隔离故障相，插入冗余桥臂。

本文的实验是在dSPACE实验平台和所搭建的四桥臂容错逆变器上实现的，实验

平台如图15所示。四桥臂逆变器功率开关管采用的是IRFP460MOSFET，双向

隔离开关采用的是BTA20双向晶闸管。其中dSPACEDS2004板卡采集电流传感

器信号，dSPACEEV1048板卡用来输出MOSFET和双向晶闸管的控制信号。实

验采用直流电压30V，负载电阻50W，开关频率9kHz。

实验分析VT2开路故障后故障诊断与定位方法的有效性以及性能。在t=3.599s时，

VT2发生故障。

图16为VT2发生故障后三相电流实验结果，可以看出a相电流只出现在正半周

期，验证了图9的仿真结果。

图17为VT2故障后电流矢量瞬时频率的实验结果。当故障在t=3.599s发生时，

经过接近2ms，Fi变化量突然增大，通过和阈值比较，从而诊断故障，和图10仿

真结果相似，不到2ms就诊断出故障。

图18为电流矢量瞬时角度q的实验结果。验证了图11仿真结果。从图19中

epa的实验结果中看出，在故障发生后不到2ms处epa=1，定位出逆变器a相故

障，和图12仿真结果相似，在小于2ms内实现故障相定位。

图20是故障定位变量da的实验结果，验证了图13仿真结果。从图21所示的故

障开关定位标志变量esa实验结果可以得到，故障开关定位标志变量esa大约在

故障后不到3ms处突变为1。定位出了a相上桥臂开关管开路故障，即VT2发生

开路故障，验证了图14仿真结果，实现了故障桥臂的定位。

当定位出逆变器a相有功率开关管发生开路故障后，即当epa=1时，立即触发四

桥臂容错逆变器进行容错，隔离故障相，插入冗余桥臂。

根据仿真和实验结果可知，故障相定位的最短时间小于10%的电流周期，最长时

间小于60%的电流周期；故障开关管定位的最短时间小于15%电流周期，最长时

间小于65%的电流周期。克服了传统的基于电流故障诊断方法诊断速度慢，诊断

时间大于一个电流周期的缺点。仿真中的故障相定位速度比实验中的快，但相差不

多。仿真中的故障开关定位速度和实验中的一致，仿真和实验结果一致，验证了本

文所提出的故障诊断方法的有效性和快速性。

本文提出了一种基于电流矢量特征的快速故障诊断与定位方法。通过三相电压源逆

变器输出电流in，分析is的瞬时频率和瞬时角度信息在逆变器故障前后发生的变

化进行故障诊断以及故障相定位。为了便于逆变器进行故障后维护，提出了一个基

于电流平均值的诊断变量dn，进行故障开关管定位。本文所提出的方法克服了传

统的基于电流矢量频率的故障诊断方法不能进行故障定位的缺点，并且在所搭建的

四桥臂容错逆变器和dSPACE实验平台上进行了验证，实验表明此方法定位故障

的最快时间小于10%的电流周期，定位故障开关的最快时间小于15%的电流周期。

陈勇男，1977年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力电子、电机控

制、先进控制、电动汽车以及故障容错控制。E-mail:*****************.cn

（通信作者）

刘志龙男，1990年生，硕士，研究方向为逆变器故障诊断与容错控制。E-mail:

************************

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