姚 芳，陸 樂(lè)，王劉瀏，李超峰，唐圣學(xué)

（1. 河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院 省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300130；2. 河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300130；3. 中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌443002）

0 引言

三相三電平Vienna 整流器與傳統(tǒng)整流器最大的區(qū)別在于，它是一種中點(diǎn)箝位結(jié)構(gòu)整流器，具有更加靈活的控制策略［1-3］。與其他三電平整流器相比，三相三電平Vienna 整流器具有開關(guān)器件少、開關(guān)應(yīng)力小、諧波畸變率低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于整流效果要求較高的領(lǐng)域［4-5］。

目前專門針對(duì)Vienna 整流器的故障診斷方法并不是特別多，可以參考其他功率變換器的故障診斷經(jīng)驗(yàn)。工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，由于主要元器件故障而導(dǎo)致的功率變換器故障中，功率電容和功率開關(guān)管故障占比最高，故障率分別達(dá)到30%和26%［6］。其中功率開關(guān)管的故障主要分為短路故障和開路故障［7］。短路故障的研究相對(duì)成熟，短路保護(hù)主要有過(guò)流保護(hù)和欠壓保護(hù)，都是基于短路發(fā)生時(shí)電流瞬時(shí)增大的故障特性。而開路故障發(fā)生時(shí)，電流的畸變程度相對(duì)較小，尤其是當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，流過(guò)功率開關(guān)管的電流比較小，開路故障不易被短路保護(hù)檢測(cè)到，長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致電氣參數(shù)的惡化，容易造成二次故障。因此，為了提高功率變換器的可靠性，相關(guān)的開路故障診斷技術(shù)研究近幾年受到廣泛關(guān)注。目前的開路故障診斷方法大致分為基于電流特性和基于電壓特性兩大類。

當(dāng)開路故障發(fā)生時(shí)，電流會(huì)產(chǎn)生最直接明顯的變化，通過(guò)分析電流瞬時(shí)值和變化率，可以實(shí)現(xiàn)故障診斷［8］。針對(duì)牽引整流器，文獻(xiàn)［9］提出了利用網(wǎng)側(cè)電流的譜峭度進(jìn)行故障模式識(shí)別、利用故障前后電流均值進(jìn)行故障定位的開路故障診斷方法，但該方法會(huì)受到干擾的影響，需配合其他濾波算法。開路故障發(fā)生后，諧波特性也會(huì)發(fā)生改變，文獻(xiàn)［10］提出通過(guò)分析相電流直流分量進(jìn)行故障診斷。為了提高診斷的準(zhǔn)確性，不少學(xué)者將相電流進(jìn)行矢量變換，利用平均電流矢量［11］或電流矢量角［12］進(jìn)行故障診斷，但噪聲干擾或者負(fù)載波動(dòng)等情況會(huì)影響這些方法的診斷效果。

一些基于電壓特性的方法，利用特定的硬件來(lái)檢測(cè)特定位置的實(shí)際電壓，然后分析測(cè)量值與理論值的殘差，實(shí)現(xiàn)故障診斷［13-15］。但是這些方法往往需要增加額外的傳感器來(lái)提取特征變量，會(huì)增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，成本較高，通用性較差。針對(duì)這些缺點(diǎn)，一些文獻(xiàn)提出了不需要增加額外硬件的診斷方法。文獻(xiàn)［16］針對(duì)Vienna 整流器，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入開路故障診斷中，利用電流直流分量和電壓交流紋波作為訓(xùn)練樣本，能夠同時(shí)診斷功率開關(guān)管和二極管的開路故障。文獻(xiàn)［17］利用系統(tǒng)已知的直流側(cè)電壓，結(jié)合模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種逆變器開路故障診斷方法。文獻(xiàn)［18］采用電壓觀測(cè)器來(lái)估算實(shí)際的功率變換器電壓，具有良好的魯棒性。文獻(xiàn)［19］引入滑模觀測(cè)器（SMO），用于檢測(cè)模塊化多電平變換器的故障。這些方法不需要添加額外的測(cè)量元件，方便集成到已存在的控制系統(tǒng)中，但是往往需要多個(gè)周期的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為支撐，數(shù)據(jù)處理量大，計(jì)算復(fù)雜。

通過(guò)分析上述文獻(xiàn)可知，基于電流特性的診斷方法受輸入電流波動(dòng)和負(fù)載波動(dòng)的影響，基于電壓特性的診斷方法往往需要額外設(shè)備或復(fù)雜計(jì)算?？紤]到功率變換器大部分的多元件故障都是因?yàn)閱卧收衔醇皶r(shí)處理、長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行才導(dǎo)致的二次故障，真正的多元件同時(shí)發(fā)生故障的概率很小。

本文針對(duì)Vienna 整流器單管開路故障，提出了一種準(zhǔn)確、可靠、簡(jiǎn)單的診斷方法。該方法利用故障時(shí)輸入電流的零值穩(wěn)區(qū)以及輸出電容電壓差的諧波特性，能夠?qū)崿F(xiàn)單管開路故障的辨識(shí)和定位。所提出的故障診斷方法能夠配合其他容錯(cuò)策略，保障開路故障時(shí)電路仍能正常連續(xù)工作，并且不需要添加額外硬件設(shè)備，方便集成到已有的控制系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)在線診斷，具有成本低、準(zhǔn)確性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中能夠提高Vienna 整流器的運(yùn)行可靠性，并且具有較高的可行性。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提故障診斷方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 單管開路故障特性分析

1.1 Vienna整流器

圖1 為三相三電平Vienna 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中，ek（k=a，b，c）、ik分別為輸入電壓和輸入電流；Rk為等效串聯(lián)電阻；Lk為濾波電感；Dkj（j=1，2）為續(xù)流二極管；Skj為功率開關(guān)管；DSkj為反并聯(lián)二極管（實(shí)際應(yīng)用中用功率開關(guān)管的寄生二極管代替）；C1和C2為直流側(cè)濾波電容；UC1和UC2為濾波電容電壓；RL為負(fù)載電阻；Uo、io分別為直流側(cè)輸出電壓、電流；ip和in分別為直流母線正向和負(fù)向電流。

圖1 三相三電平Vienna整流器拓?fù)銯ig.1 Topology of three-phase three-level Vienna rectifier

Vienna 整流器的每一相橋臂均由一對(duì)方向相反的功率開關(guān)管組成，同一橋臂的2 個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，保證同一時(shí)刻每一相最多只有1 個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通。每一相的開關(guān)狀態(tài)可以用開關(guān)函數(shù)Sk表示為：

1.2 輸入電流故障特性分析

功率開關(guān)管開路故障是Vienna 整流器最常見(jiàn)的開路故障類型，本文提出的診斷方法將三相輸入電流經(jīng)過(guò)Clark 變換后，得到每相的變換電流iαk和iβk作為故障特征量，三相的Clark變換公式為：

以a 相為例，圖2（a）、（b）分別為Sa1、Sa2在0.10 s發(fā)生開路故障時(shí)輸入電流的瞬時(shí)值波形和經(jīng)過(guò)Clark變換后的電流波形。

圖2 Sa1和Sa2發(fā)生開路故障時(shí)的輸入電流波形Fig.2 Waveforms of input currents under open-circuit fault of Sa1 and Sa2

1.2.1iαk的零值穩(wěn)區(qū)

由圖2 可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Sa1發(fā)生開路故障時(shí)，iαa正半周出現(xiàn)零值穩(wěn)區(qū)；當(dāng)Sa2發(fā)生開路故障時(shí)，iαa負(fù)半周出現(xiàn)零值穩(wěn)區(qū)。非故障相電流波形會(huì)發(fā)生一定程度的畸變，且幅值有所增大。

以開關(guān)管Sa1發(fā)生開路故障為例，三相輸入電流的關(guān)系為：

分析式（2）、（5）可知，iαa出現(xiàn)零值穩(wěn)區(qū)的原因是ia同時(shí)也出現(xiàn)零值穩(wěn)區(qū)，結(jié)合Vienna 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，出現(xiàn)上述輸入電流故障特性的原因如下。

1）當(dāng)電角度處于（0°，180°］時(shí)，Sa2被反并聯(lián)二極管DSa2短路，若Sa1開路，則只有Sa=0 一種情況。忽略二極管導(dǎo)通壓降，若續(xù)流二極管Da1兩端電壓UAN≤UJN，則Da1不導(dǎo)通，ia失去通路，形成零值穩(wěn)區(qū)。隨著輸入電壓的變化，當(dāng)UAN＞UJN時(shí)，Da1導(dǎo)通，ia通過(guò)Da1流入直流側(cè)形成通路，出現(xiàn)電流尖峰。

2）當(dāng)電角度處于（180°，360°］時(shí)，Sa1被反并聯(lián)二極管DSa1短路，此時(shí)無(wú)論Sa1是否故障，都不會(huì)影響開關(guān)函數(shù)Sa的取值，所以ia基本正常。

3）由于三相輸入電流滿足基爾霍夫電流定律，零值穩(wěn)區(qū)的出現(xiàn)會(huì)使非故障相電流發(fā)生畸變、幅值增大。

Sa2發(fā)生開路故障的原理與Sa1類似，只是分析時(shí)電流方向相反，b相和c相的故障特性與a相相同。

1.2.2iβk的正負(fù)特性

由圖2 可知，無(wú)故障時(shí)iβa比iαa滯后90°且波形幾乎相同，為了便于比較，將iβa延遲0.75T（T為工頻周期）。當(dāng)Sa1、Sa2發(fā)生開路故障時(shí)，iαa和延遲后的iβa波形分別見(jiàn)附錄A 圖A1（a）、（b）?？梢钥闯?，正常工作時(shí)，iαa和延遲0.75T后的iβa波形幾乎一致；當(dāng)上橋臂開關(guān)管Sa1開路時(shí)，iαa正半周出現(xiàn)零值穩(wěn)區(qū)，此時(shí)iβa為正值；當(dāng)下橋臂開關(guān)管Sa2開路時(shí)，iαa負(fù)半周出現(xiàn)零值穩(wěn)區(qū)，此時(shí)iβa為負(fù)值。

1.3 輸出電壓故障特性分析

由文獻(xiàn)［4］可知正常運(yùn)行時(shí)，三相橋臂電壓開關(guān)函數(shù)的基波分量dk為：

式中：M為調(diào)制比；Jk為開關(guān)函數(shù)基波分量；ω0為角速度；sgn(ik)為符號(hào)函數(shù)，ik≥0時(shí)為1，ik＜0時(shí)為-1。

直流側(cè)電壓與電流的關(guān)系為：

式中：Cf為輸出電容；ΔU為輸出電容電壓差，后文簡(jiǎn)稱為輸出電壓差；iDk1和iDk2分別為各個(gè)橋臂正向和負(fù)向續(xù)流二極管的電流。

結(jié)合式（6）—（9）可得：

三相輸入電流為：

式中：Im為輸入電流幅值。

由式（6）、（10）、（11）可得輸出電壓差為：

式（12）表明，輸出電壓差主要為3次諧波分量。

通過(guò)分析輸入電流的故障特性可知，故障相電流存在零值穩(wěn)區(qū)和電流尖峰2 種故障狀態(tài)，以Sa1發(fā)生開路故障為例進(jìn)行分析。電流處于零值穩(wěn)區(qū)時(shí)開關(guān)管和續(xù)流二極管均不導(dǎo)通，電流失去通路；電流處于電流尖峰時(shí)續(xù)流二極管導(dǎo)通，電流經(jīng)續(xù)流二極管流入直流側(cè)。

1）電流處于零值穩(wěn)區(qū)時(shí)。

此時(shí)式（9）中Da1的電流為：

由式（6）—（9）、（11）、（13）可得：

式（15）表明，當(dāng)單管開路故障電流處于零值穩(wěn)區(qū)時(shí)，輸出電壓差的直流分量和2 次諧波分量會(huì)明顯升高。

2）電流處于電流尖峰時(shí)。

此時(shí)式（9）中Da1的電流為：

由式（6）—（9）、（11）、（16）可得：

由式（17）可得：

式（18）表明，當(dāng)單管開路故障電流處于電流尖峰時(shí)，輸出電壓差的直流分量、基波分量和2 次諧波分量會(huì)明顯升高。

2 單管開路故障診斷方法設(shè)計(jì)

通過(guò)分析故障特性可知，單管開路故障會(huì)使輸入電流出現(xiàn)零值穩(wěn)區(qū)、輸出電壓差諧波發(fā)生變化。所提出的故障診斷方法利用輸入電流進(jìn)行故障辨識(shí)和定位，利用輸出電壓差進(jìn)行漏診檢測(cè)。

單管開路故障診斷流程如圖3所示。圖中，ith為零值穩(wěn)區(qū)檢測(cè)的電流閾值；tth為故障辨識(shí)的時(shí)間閾值；Ath為直流分量檢測(cè)的幅值閾值；A0為輸出電壓差經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換（FFT）分析后直流分量的幅值；Fk為故障相定位標(biāo)志；Fup和Fdown為每相故障橋臂定位標(biāo)志；F為漏診檢測(cè)的故障標(biāo)志位。

圖3 單管開路故障診斷流程Fig.3 Flowchart of single switch open circuit fault diagnosis

所提出的單管開路故障診斷方法主要分為兩部分。首先，將三相輸入電流經(jīng)過(guò)Clark 變換后，檢測(cè)iαk的零值穩(wěn)區(qū)時(shí)間，進(jìn)行故障辨識(shí)并確定故障相，將iβk延遲0.75T后，根據(jù)iβk的正負(fù)特性，定位故障橋臂；其次，針對(duì)調(diào)制比過(guò)小時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)漏診的問(wèn)題，對(duì)輸出電壓差進(jìn)行諧波分析，通過(guò)檢測(cè)直流分量的幅值變化進(jìn)行漏診檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果與故障診斷不一致時(shí)，自動(dòng)調(diào)整時(shí)間閾值大小。

2.1 基于輸入電流的故障辨識(shí)和定位

2.1.1 故障辨識(shí)

當(dāng)發(fā)生單管開路故障時(shí)，Vienna 整流器三相輸入電流經(jīng)過(guò)Clark 變換后，iαk會(huì)出現(xiàn)明顯的零值穩(wěn)區(qū)。因此，可以通過(guò)檢測(cè)是否存在零值穩(wěn)區(qū)進(jìn)行故障辨識(shí)，同時(shí)確定故障發(fā)生相。

在實(shí)際工況下，由于諧波、噪聲、負(fù)載波動(dòng)、控制誤差等因素的影響，電流處于零值穩(wěn)區(qū)時(shí)，并不是完全保持為0，而是圍繞0存在微小的波動(dòng)。設(shè)定檢測(cè)零值穩(wěn)區(qū)的電流閾值ith，若-ith≤ik≤ith則認(rèn)為此時(shí)電流為0，ith的選取會(huì)影響檢測(cè)精度，ith過(guò)小可能會(huì)導(dǎo)致漏診斷，ith過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致誤診斷，本文結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定ith為峰值電流的10%。定義零點(diǎn)標(biāo)志位εk為：

式中：εk=1 表示ik處于零值穩(wěn)區(qū)；εk=0 表示ik不處于零值穩(wěn)區(qū)。

當(dāng)εk由0 置為1 時(shí)，進(jìn)入零值穩(wěn)區(qū)的檢測(cè)程序，計(jì)數(shù)器Wk進(jìn)入工作狀態(tài)。在每個(gè)采樣周期內(nèi)，若εk保持為1 則Wk累加1，若εk變?yōu)? 則計(jì)數(shù)器不動(dòng)作。電流處于零值穩(wěn)區(qū)時(shí)，由于干擾的原因，電流可能在某一瞬間大于電流閾值，為了提高魯棒性，設(shè)定計(jì)時(shí)器的工作狀態(tài)持續(xù)時(shí)間固定為Tp，當(dāng)工作狀態(tài)結(jié)束時(shí)，計(jì)時(shí)器進(jìn)入休眠狀態(tài)并且清零。電流的零值持續(xù)時(shí)間tk表示為：

式中：Ts為電流采樣周期。

然后，將輸入電流的零值持續(xù)時(shí)間與時(shí)間閾值tth進(jìn)行比較，若tk＞tth則認(rèn)為電流處于零值穩(wěn)區(qū)，若tk≤tth則認(rèn)為電流處于自然換零點(diǎn)。與ith同理，tth的取值會(huì)影響診斷的準(zhǔn)確率和速度，tth過(guò)小可能會(huì)在自然換零點(diǎn)出現(xiàn)誤診斷，tth過(guò)大會(huì)增加診斷時(shí)間，本文結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定tth=0.2T。定義故障相標(biāo)志位Fk為：

式中：Fk=1 表示k相發(fā)生單管開路故障；Fk=0 表示k相正常。

2.1.2 故障定位

在進(jìn)行故障辨識(shí)的同時(shí)確定了故障相，每一相有2 個(gè)功率開關(guān)管，分別位于上、下橋臂，只要再確定故障功率開關(guān)管所在的橋臂，就能實(shí)現(xiàn)故障定位。通過(guò)分析故障特性可以發(fā)現(xiàn)，三相輸入電流經(jīng)過(guò)Clark 變換后，當(dāng)iαk進(jìn)入零值穩(wěn)區(qū)時(shí)，對(duì)延遲0.75T后的iβk進(jìn)行正負(fù)判斷，就可以定位故障功率開關(guān)管所在橋臂。

因?yàn)榇嬖诟鞣N干擾和波動(dòng)，零值穩(wěn)區(qū)過(guò)程中，iβk并不一定全為正值或全為負(fù)值，所以利用累加的方式考慮整個(gè)過(guò)程的正負(fù)情況。以a 相為例，由式（2）、（5）可知，ia和iαa的零值穩(wěn)區(qū)是同時(shí)產(chǎn)生的，設(shè)置2個(gè)觸發(fā)計(jì)時(shí)器Wβk1和Wβk2，它們和計(jì)時(shí)器Wk同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)且持續(xù)時(shí)間也為Tp。將iβk延遲0.75T，計(jì)數(shù)器進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，若iβk＞0則Wβk1加1，若iβk＜0則Wβk2加1，工作狀態(tài)結(jié)束后清零。定義各相故障橋臂標(biāo)志位Fup和Fdown分別為：

式中：Fup=1 表示故障管在上橋臂；Fdown=1 表示故障管在下橋臂。

故障辨識(shí)和故障定位同時(shí)進(jìn)行，故障位置與故障標(biāo)志位的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)附錄A表A1。

2.2 基于輸出電壓的漏診檢測(cè)

較大的時(shí)間閾值tth可以避免電流自然換零時(shí)出現(xiàn)誤診斷，但當(dāng)調(diào)制比過(guò)小時(shí)，零值穩(wěn)區(qū)時(shí)間縮短，可能導(dǎo)致零值持續(xù)時(shí)間小于tth，造成漏診斷，影響診斷結(jié)果的可靠性，因此加入漏診檢測(cè)來(lái)調(diào)整tth大小。利用輸出電壓差的諧波特性進(jìn)行漏診檢測(cè)，由于電容電壓的滯后性，漏診檢測(cè)的時(shí)間要長(zhǎng)于基于輸入電流的故障辨識(shí)時(shí)間，但受波動(dòng)影響小，診斷結(jié)果更加可靠。

收集前一周期的輸出電壓差數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 分析，由于硬件條件的原因以及頻率波動(dòng)的影響，實(shí)驗(yàn)中很難取得與工頻成倍數(shù)關(guān)系的頻率分辨率，因此選取容易獲得且相對(duì)穩(wěn)定的直流分量幅值A(chǔ)0作為故障特征量。若A0≥Ath，則判定發(fā)生了單管開路故障。定義漏診檢測(cè)標(biāo)志位F為：

式中：F=1表示發(fā)生漏診斷；F=0表示未發(fā)生漏診斷。

漏診斷時(shí)基于輸入電流的故障診斷無(wú)故障定位標(biāo)志，基于輸出電壓的漏診檢測(cè)出現(xiàn)故障標(biāo)志。此時(shí)，自動(dòng)減小時(shí)間閾值，直至出現(xiàn)故障定位標(biāo)志，消除漏診斷。時(shí)間閾值變化量與調(diào)制比呈線性關(guān)系，如式（25）所示。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的單管開路故障診斷方法的有效性和快速性，搭建了Vienna 整流器的仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)一致，見(jiàn)附錄A表A2。

3.1 故障診斷方法的有效性驗(yàn)證

3.1.1 仿真驗(yàn)證

以Sa1為例，利用Simulink 仿真驗(yàn)證所提診斷方法的有效性，在0.1 s 時(shí)Sa1發(fā)生開路故障，故障相定位和故障橋臂定位的仿真結(jié)果分別見(jiàn)附錄A 圖A2、A3。由圖可知，故障發(fā)生后，ia進(jìn)入零值穩(wěn)區(qū)，計(jì)數(shù)器Wa迅速增大，Wb和Wc無(wú)明顯變化；在0.108 s 時(shí)ta＞tth，故障相標(biāo)志位Fa置1，Wβa1＞W(wǎng)βa2，故障橋臂標(biāo)志位Fup置1。

診斷時(shí)間與調(diào)制比、故障時(shí)電流的相位（故障角度）有關(guān)，在不同故障角度（0°、4.5°、9°、…、351°、355.5°、360°）和不同調(diào)制比（3.3、3.7、4、4.3、4.7、5）下，對(duì)Sa1發(fā)生開路故障的診斷時(shí)間進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證所提故障診斷方法的快速性，診斷時(shí)間的仿真結(jié)果如附錄A 圖A4所示。由圖可知，Sa1發(fā)生開路故障的辨識(shí)時(shí)間最短約為2 ms、最長(zhǎng)約為14 ms。

Sa1發(fā)生開路故障時(shí)輸出電壓差的諧波分量如附錄A 圖A5 所示。由圖可知，正常運(yùn)行時(shí)，輸出電壓差主要是3 次諧波，Sa1發(fā)生開路故障后，直流分量、基波分量和2 次諧波明顯增加，仿真結(jié)果與理論分析基本相符。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提診斷方法在實(shí)際應(yīng)用中的診斷效果，設(shè)計(jì)了Vienna 整流器電路，DSP 控制芯片為TMS320F28335，將診斷方法植入控制系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接圖如附錄A 圖A6 所示，實(shí)物圖見(jiàn)附錄A圖A7。

以Sa1發(fā)生開路故障為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證診斷方法的有效性，此時(shí)基于輸入電流的診斷結(jié)果如圖4 所示。由圖可知，當(dāng)Sa1發(fā)生開路故障時(shí)，輸入電流進(jìn)入零值穩(wěn)區(qū)，經(jīng)過(guò)約8 ms 后，F(xiàn)a和Fup置1，F(xiàn)b、Fc和Fdown無(wú)變化。

圖4 Sa1發(fā)生開路故障診斷時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental result of open circuit fault diagnosis of Sa1

在不同故障角度（0°、4.5°、9°、…、351°、355.5°、360°）和不同調(diào)制比（3.3、3.7、4、4.3、4.7、5）下，對(duì)Sa1發(fā)生開路故障進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證所提診斷方法的快速性，診斷時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。由圖可知，Sa1發(fā)生開路故障的辨識(shí)時(shí)間最短為2 ms、最長(zhǎng)為14 ms，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相符。

圖5 故障診斷時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of fault diagnosis time

其他5 個(gè)開關(guān)管開路故障的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Sa1一致，文中不再贅述。這表明所提故障診斷方法可準(zhǔn)確快速地實(shí)現(xiàn)單管開路故障的辨識(shí)和定位。

當(dāng)故障角度接近150° 時(shí)，診斷時(shí)間明顯突增，這是因?yàn)榇藭r(shí)故障發(fā)生時(shí)刻位于零值穩(wěn)區(qū)末端，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到的零值持續(xù)時(shí)間無(wú)法達(dá)到診斷閾值，等到下一個(gè)零值穩(wěn)區(qū)才能診斷出故障。

漏診檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用較小的調(diào)制比和較大的時(shí)間閾值，模擬故障診斷出現(xiàn)漏診時(shí)的情況。由圖可見(jiàn)，單管開路故障發(fā)生后，故障診斷由于時(shí)間閾值相對(duì)較大而沒(méi)有正確動(dòng)作。故障發(fā)生后約38 ms，漏診檢測(cè)正確動(dòng)作，自動(dòng)減小時(shí)間閾值，約8 ms 后故障診斷正確動(dòng)作，避免了漏診斷。

圖6 漏診檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of missing diagnosis test

3.2 故障診斷方法的魯棒性驗(yàn)證

本節(jié)從網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量干擾和負(fù)載突變2 種情況出發(fā)，驗(yàn)證所提故障診斷方法的魯棒性，其中網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量干擾分為三相電壓不平衡和電壓諧波干擾。由于實(shí)驗(yàn)室無(wú)模擬網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量干擾的設(shè)備，這一情況下的魯棒性由仿真進(jìn)行驗(yàn)證，負(fù)載突變時(shí)的魯棒性由實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.1 網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量干擾下的魯棒性

網(wǎng)側(cè)三相電壓不平衡條件下，所提故障診斷方法魯棒性的仿真驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)附錄A 圖A8。電壓不平衡條件為ua=1.2ub=1.2uc，uc=30 V，幅值差為20%，三相電壓不平衡度遠(yuǎn)超過(guò)IEEE Std 112—1991、IEEE Std 1159—1995、IEC61000、GB／T 14549—93規(guī)定的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在0.15 s 之前，由于三相電壓不平衡，輸出電壓存在脈動(dòng)，a相電流幅值較大，但保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。在0.15 s 時(shí)，開關(guān)管Sa1發(fā)生開路故障，故障標(biāo)志位正確置位，所提故障診斷方法迅速準(zhǔn)確地完成了開路故障的辨識(shí)和定位。由圖A8可知，三相電壓不平衡時(shí)，所提故障診斷方法不會(huì)誤診斷，且單管開路故障發(fā)生時(shí)能正確動(dòng)作。

輸入電壓存在較大低次諧波干擾時(shí)，所提故障診斷方法魯棒性的仿真驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)附錄A 圖A9。各相含有10%的5 次諧波和5%的7 次諧波，諧波含量遠(yuǎn)超過(guò)IEEE Std 112—1991、IEEE Std 1159—1995、IEC61000、GB／T 14549—93規(guī)定的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在0.15 s 之前，由于輸入電壓低次諧波含量較大，輸入電流波形存在明顯畸變，但保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。在0.15 s時(shí)，開關(guān)管Sa1發(fā)生開路故障，故障標(biāo)志位正確置位，所提故障診斷方法迅速準(zhǔn)確地完成了開路故障的辨識(shí)和定位。由圖A9可知，在輸入電壓存在較大低次諧波干擾條件下，所提故障診斷方法不會(huì)誤診斷，且單管開路故障發(fā)生時(shí)能正確動(dòng)作。

3.2.2 負(fù)載突變時(shí)的魯棒性

Vienna 整流器正常運(yùn)行時(shí)，將負(fù)載由100 Ω 突變?yōu)?0 Ω，所提故障診斷方法的魯棒性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖7 所示。由圖可知，所提故障診斷方法在負(fù)載突變時(shí)不會(huì)誤診斷。

圖7 負(fù)載突變時(shí)故障診斷方法魯棒性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 Experimental verification result of robustness of fault diagnosis method under sudden load change

3.3 故障診斷方法比較

本節(jié)從診斷時(shí)間、魯棒性、閾值調(diào)整、實(shí)現(xiàn)成本、計(jì)算復(fù)雜度等角度出發(fā)，將本文提出的故障診斷方法與已有研究中的三相整流器開路故障診斷方法進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 不同故障診斷方法之間的比較Table 1 Comparison among different fault diagnosis methods

由表1可以得出如下結(jié)論。

1）診斷時(shí)間：所提出的故障診斷方法能夠在（10%～70%）T內(nèi)辨識(shí)和定位單管開路故障，與其他故障診斷方法相比，診斷速度較快。

2）魯棒性：所提出的故障診斷方法在網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量較差和負(fù)載突變時(shí)，能保持不出現(xiàn)誤診斷，單管開路故障發(fā)生時(shí)，能快速準(zhǔn)確動(dòng)作，具有良好的魯棒性。

3）閾值調(diào)整：所提出的故障診斷方法對(duì)閾值調(diào)整的依賴較小，只需設(shè)置電流閾值、時(shí)間閾值和諧波幅值閾值。其中電流閾值和諧波幅值閾值具有較好的通用性，不需要頻繁調(diào)整，時(shí)間閾值能夠通過(guò)漏診檢測(cè)自動(dòng)調(diào)整。

4）實(shí)現(xiàn)成本：所提出的故障診斷方法不需要增加額外的硬件設(shè)備，成本低。

5）計(jì)算復(fù)雜度：所提出的故障診斷方法計(jì)算簡(jiǎn)單可靠，所需內(nèi)存較小，方便集成到控制系統(tǒng)中進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在線診斷。

綜合各方面的性能比較，本文提出的故障診斷方法的診斷效果優(yōu)異，具有診斷速度較快、魯棒性好、閾值調(diào)整少、實(shí)現(xiàn)成本低、計(jì)算簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文利用輸入電流的零值穩(wěn)區(qū)和輸出電壓的諧波特性，設(shè)計(jì)了一種Vienna 整流器單管開路故障診斷方法，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性和快速性，所得結(jié)論如下：

1）所提出的診斷方法基于輸入電流的零值穩(wěn)區(qū)進(jìn)行故障診斷，時(shí)間閾值初值設(shè)置足夠大，可避免誤診斷，同時(shí)基于輸出電壓差實(shí)現(xiàn)漏診檢測(cè)，自動(dòng)調(diào)減時(shí)間閾值，直至故障標(biāo)志位成功置位，可避免漏診斷；

2）所提出的診斷方法在不同故障角度、不同調(diào)制比和負(fù)載突變情況下，均能快速、準(zhǔn)確、無(wú)漏地進(jìn)行單管開路診斷，診斷時(shí)間在（10%～70%）T之間；

3）所提出的診斷方法簡(jiǎn)單可靠，無(wú)需添加額外硬件，可直接將診斷程序嵌入Vienna 整流器控制芯片，實(shí)現(xiàn)Vienna整流器單管開路故障在線診斷。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。