基于中点电流的ANPC逆变器故障诊断策略与容错控制

高光辉, 雷晓犇, 田景志, 俞铭宏

(1.空军工程大学航空工程学院，西安，710038；2.32207部队，陕西榆林，719000)

三电平有源中点箝位型(ANPC)逆变器以其输出电压畸变率低、转换效率高等优点，在航空电气领域获得了广泛关注[1-2]。但是，随着输出电平的增加，电路中开关器件的数量也随之增大，任何一个开关器件发生故障都会影响逆变器的输出性能。因此，通过故障诊断和容错控制技术提高变换器的使用可靠性具有重要意义。

目前，开关器件开路故障诊断方法主要分为基于模型和基于知识两类[3]，前者通过数学模型获取估计的系统输出，将估计值与系统实际输出比较得到残差，通过分析残差实现诊断功能[4-8]，但这种诊断方法需要对系统进行较为精确地建模。基于知识的故障诊断技术将专家系统[9-10]、神经网络[11-13]、支持向量机[14-15]等智能算法与诊断技术相结合。这种诊断方式需要利用大量的样本对诊断系统进行学习训练,同时对于负载变化较为敏感。逆变器的容错控制主要有软件容错和硬件容错两种[16-17]。在部分故障类型下，软件容错利用ANPC逆变器较多的电平以及冗余开关状态，通过软件设计降低空间电压矢量调制度，使逆变器工作于降额运行状态[18-19]。硬件容错是指通过增加硬件改变电路结构，使逆变器具有较强的容错能力。文献[20]采用了斯科特连接方法，将两个单相逆变电路的输出通过两组变压器合成三相交流电，实现了单桥臂、多桥臂故障的容错，但系统中包含两组变压器，极大增加了逆变器的体积。文献[21]通过新增第四桥臂实现了中点电压平衡控制，当逆变器其中一相发生故障时冗余桥臂可以替代故障桥臂实现容错功能。这种容错方式增加了较多的开关器件，大大增加了控制难度。

本文提出了一种基于中点电流的开路故障诊断方法，通过增加一个电流传感器用于中点电流的测量，将中点电流的参考值与测量值进行对比，从而判断出故障器件具体位置。同时，文章提出了一种新的容错拓扑，通过增加一个前级桥臂，使得逆变器具有两电平不降额容错能力。

1 三电平ANPC逆变器故障分析

三电平ANPC逆变器主电路如图1所示。定义每相开关器件Sx5、Sx6为箝位开关器件；Sx1、Sx2为上桥臂开关器件；Sx3、Sx4为下桥臂开关器件(x=a,b,c)。逆变器输出电平与开关状态对应关系如表1所示,本文以A相为例进行分析。

图1 三电平ANPC逆变器电路

表1 三电平ANPC逆变器开关状态表

图2(a)为开关器件Sa1故障后，逆变器A相P状态下电流流通路径(图中蓝色为负向负载电流流通路径，红色为正向负载电流流通路径)。当电流为负时，逆变器输出电压为+Vdc/2；当负载电流为正时，逆变器输出电压为0，即实际输出为状态O。图2(b)为开关器件Sa5故障后，逆变器A相OU1或OU2状态下的电流流通路径。当电流为正时，逆变器实际输出电压为0；当电流为负时，逆变器实际输出电压为Vdc/2，即实际输出为状态P。

图2 开路故障下电流流通路径

图3为开关器件Sa2故障后，逆变器A相P状态、OU1或OU2状态下电流流通路径。在P状态下，负向负载电流对应的实际输出的电压为Vdc/2，负载电流为正时，逆变器实际输出电压为0，即实际输出为状态O。在OU1或OU2状态下，负向电流对应的实际输出为0，而正向电流对应实际输出电压为-Vdc/2，即实际输出为状态N。

图3 Sa2开路故障下电流流通路径

定义ANPC逆变器的4种故障特征：①P→O：P状态对应开关序列作用下，逆变器实际输出为0(O状态)；②N→O：N状态对应开关序列作用下，逆变器实际输出为0(O状态)；③O→P：O状态对应开关序列作用下，逆变器实际输出为Vdc/2(P状态)；④O→N：O状态对应开关序列作用下，逆变器实际输出为-Vdc/2(N状态)。

2 基于中点电流的故障诊断方法

2.1 三电平ANPC逆变器中点电流分析

对于三电平ANPC逆变器，中点电流与三相开关状态、输出电流之间的关系可表示为：

i0=-(|Sa|ia+|Sb|ib+|Sc|ic)

(1)

式中：i0为中点电流；ia、ib、ic分别为逆变器A、B、C三相输出电流；Sx(x=a,b,c)为逆变器开关状态，逆变器输出高电平时Sx=1，输出低电平时Sx=-1，输出0电平时Sx=0。

三电平ANPC逆变器中点电流与空间电压矢量分布如图4所示。从图中可以看到，大矢量、零矢量作用下逆变器不形成中点电流，小矢量及中矢量作用下形成的中点电流等于逆变器某相的输出电流。

图4 三电平空间电压矢量分布

2.2 基于中点电流的故障诊断方法

定义无故障情况下逆变器的输出电压为参考输出电压，逆变器的中点电流称为参考中点电流。根据前文分析可以得到：①逆变器某个开关器件故障后会引起实际输出电平与参考输出电平不一致的现象；②逆变器大矢量、零矢量作用下中点电流为0；③逆变器中矢量作用下的中点电流为开关状态为O的相的输出相电流。

1.3.1 优化医学院校图书馆的视角分析。大数据将结构化、半结构化和非结构化数据中的海量数字、图像等形式转化为数据，为其分析和研究，将数据深层挖掘，进行合理整合，使资源优化，摒弃错误冗余数据，具有大容量。

定义矢量集合如表2所示：

表2 矢量集定义及其描述

以A相为例，在正常情况下矢量集Vap、Van中各矢量作用下的中点电流为0；矢量集Vao作用下的中点电流为ia。逆变器发生开路故障后，会出现实际输出电压与参考输出电压不一致的现象，输出电压矢量也会发生变化，中点电流随之改变。A相单器件故障下各矢量集合对应的中点电流变化情况如表3所示。

表3 A相故障下矢量集合与中点电流对应关系

由表3可知，通过对比中矢量、大矢量、零矢量作用下的实际中点电流与参考中点电流，就可以判断出具体故障器件。在SVPWM调制策略下，当调制比k≤0.577时，根据最近三矢量合成原则，需要用到的矢量包括零矢量、小矢量，不包含中矢量、大矢量，只需要根据零矢量作用下的中点电流判断故障器件。对于调制比k>0.577时，逆变器需要输出的电压矢量包括小矢量、中矢量、大矢量，不包含零矢量，只需要根据中矢量、大矢量作用下的中点电流判断故障器件。图5(a)为调制比k>0.577时，基于中点电流的故障诊断过程；图5(b)为调制比k≤0.577时，基于中点电流的故障诊断过程。根据诊断结果，结合表4可以推断出具体故障器件。

表4 诊断结果与故障器件关系

图5 基于中点电流的故障诊断流程

3 三电平ANPC逆变器容错控制

3.1 箝位开关器件开路故障

由于ANPC逆变器特殊的电路结构，即便同一桥臂2个箝位器件同时发生故障，也可以将逆变器故障相视为NPC型电路结构。通过调整故障相开关序列，使逆变器故障相工作于三电平状态，逆变器输出空间电压矢量图不变。

3.2 桥臂开关器件开路故障

当桥臂器件Sx1、Sx2、Sx3、Sx4发生开路故障后，逆变器故障相仅具备输出一个0电平和一个高电平或低电平的能力，此时逆变器输出空间电压矢量部分丢失，如图6所示。

图6 Sa1/Sa2故障下逆变器输出电压空间矢量分布

可以看出，当逆变器某相桥臂器件发生开路故障后，逆变器最大调制比缩减为0.577。针对这种情况，可以选择降额容错策略。图7为提出的容错电路结构，与ANPC逆变器相比增加了一个前级桥臂。前级桥臂共包含3个开关器件，当逆变器正常运行时，S1、S2关断S3导通，逆变器中点O与中点O*等电位。当诊断出某上侧桥臂器件开路故障后，S2保持关断状态，关断S3，将S1导通，中点O的电位与直流电源正极相等。当诊断出某下侧桥臂器件开路故障后，S1保持关断状态，关断S3，将S2导通，中点O的电位与直流电源负极相等。如图8所示，此时逆变器工作于两电平模式，共包含8个输出电压矢量，最大调制比为1.15，可保证逆变器在容错模式下输出电压幅值不变，提高了容错模式下的直流电压利用率。

图7 三电平ANPC逆变器容错电路结构

图8 两电平容错模式电流路径及空间电压矢量分布

4 仿真与实验

4.1 故障诊断与容错控制仿真

从图9(a)可以看出，Sa1开路后，矢量集Vap作用下的中点电流出现了大于参考值0的情况，诊断结果显示FP→O。矢量集Vao、Van作用下的中点电流与参考电流一致。根据表4可以判断出故障器件为Sa1。从图10(b)可以看出，Sa2开路后，矢量集Vap、Vao作用下的中点电流均出现了与参考值不一致的现象，诊断结果显示FP→O、FO→N。矢量集Van作用下的中点电流与参考电流一致。根据表4可以判断出故障器件为Sa2。从图9(c)可以看出，Sa5开路后，矢量集Vao作用下的中点电流出现了与参考值不一致的现象，诊断结果显示FO→P。矢量集Vap、Van作用下的中点电流与参考电流一致。根据表5可以判断出故障器件为Sa5。诊断结果表明了基于中点电流的故障诊断方法能够迅速准确地诊断出故障所在位置。由于同一时刻逆变器输出电压矢量只有一个，因此诊断出FP→O和FO→N之间存在一定的时间差，但这个时间差被限制在一个电压周期之内，诊断过程仍具有快速性。

图9 不同开关器件开路故障特征及诊断结果

图10、图11分别为两电平容错和三电平容错模式下的输出电压波形，图中uAB为输出线电压；ua、ub、uc分别为A、B、C三相滤波输出电压。故障时刻为t=5 ms，容错时刻为t=10 ms。由于Sa1与Sa2故障下的容错电路及开关状态配置是相同的，本文对Sa1、Sa2同时故障进行了仿真。

图10 两电平容错仿真(Sa1、Sa2故障)

图11 三电平容错仿真(Sa5故障)

从图11可以看出，Sa1、Sa2故障后，输出电平等级降低，滤波输出电压严重畸变。进入容错模式后，逆变器工作于两电平模式，滤波输出电压恢复三相正弦波，且幅值不变，验证了两电平容错模式的有效性。从图12可以看出，Sa5故障后，输出线电压部分变形，但仍具有一定的对称性，滤波输出电压发生较小的畸变。进入容错模式后，故障相避免输出OU1、OU2两种状态，逆变器恢复正常运行。

4.2 实验验证

为进一步验证提出的故障诊断方法和容错电路的有效性，搭建三电平ANPC逆变器的实验平台，如图12所示。

图12 实验平台

图13为开关器件Sa1故障时刻的中点电流及输出电流波形。根据表3可知，矢量集Vap中的矢量作用下的中点电流参考值为0。从图中可以看到，虚线椭圆内，Vap集合中某个矢量作用下的中点电流与ia相等，因此，诊断结果为FP→O。根据表4可以判断出故障器件为Sa1。

图13 Sa1故障诊断实验结果

图14为开关器件Sa2故障后的中点电流和输出电流波形。图14(a)中的高电平脉冲表示Vap中的矢量作用时段，其对应的中点电流参考值为0。故障后，图中虚线椭圆内的中点电流与ia相等，因此，诊断结果为FP→O。图14(b)中的高电平脉冲表示Vao中的矢量作用时段，其对应的中点电流参考值为ia。故障后，图中虚线椭圆内的中点电流为0，且此时ia大于0，因此，诊断结果为FO→N。根据表4可以最终判断出故障器件为Sa2。

图14 Sa2故障诊断实验结果

图15为开关器件Sa5故障下的中点电流及输出电流波形。图中高电平脉冲表示Vap中的矢量作用时段，其对应的中点电流参考值为ia。故障后，图中虚线椭圆内的中点电流为0，此时ia小于零，因此，诊断结果为FO→P。根据表4可以最终判断出故障器件为Sa5。

图15 Sa5故障诊断实验结果

图16为开关器件Sa1、Sa2故障后逆变器进入两电平容错模式的输出电压波形，故障后A相滤波输出电压波形严重畸变，进入两电平容错模式后三相滤波输出电压波形恢复三相正弦波形，且逆变器滤波输出电压幅值不变。实验结果与仿真一致，验证了两电平容错电路的有效性。

图16 两电平容错实验(Sa1、Sa2故障)

图17为开关器件Sa5故障下的电压波形及其容错后的电压波形。图中Sa5故障期间，线电压uAB存在从0电平切换至-Vdc电平的现象，逆变器输出线电压波形具有一定的对称性，滤波输出电压波形变化变化较小。实验波形与仿真波形一致。

图17 三电平容错实验(Sa5故障)

5 结论

本文首先分析了三电平ANPC逆变器各器件开路故障下的电流路径，总结出了各器件故障对中点电流的影响。在此基础上，提出了基于中点电流的三电平ANPC逆变器故障诊断方法，该方法能在线诊断出具体故障器件。针对故障器件所处的不同位置，将其分为上桥臂器件、下桥臂器件、箝位器件，利用冗余O状态实现桥臂器件的容错运行，通过前级桥臂改变中性点的电位并重新配置开关器件的开关状态实现桥臂器件故障的容错运行。提出的容错电路只需增加4个开关器件，这4个开关器件处于长期导通或长期关断状态，损耗低，可靠性高。提出的容错电路不会降低逆变器输出容量，最大调制比不变。