一種多電平逆變器故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種逆變器故障診斷技術(shù)，尤其是涉及一種多電平逆變器故障診斷方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多電平變換器是一種通過(guò)改變變換器自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出的新 型變換器，其無(wú)需升降壓電路和均壓電路。多電平變換器中最典型的是二極管中點(diǎn)鉗位 (Neutral Point Clamped，NPC)三電平逆變器，其主電路如圖1所示。與傳統(tǒng)的兩電平逆 變器相比，二極管NPC三電平逆變器由于輸出電壓電平數(shù)增加，輸出波形具有更好的諧波 頻譜，每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力較小，因此二極管NPC三電平逆變器在實(shí)際中得到 了廣泛的應(yīng)用。然而，由于二極管NPC三電平逆變器使用了數(shù)量比較多的開關(guān)器件，因此任 何一個(gè)開關(guān)器件發(fā)生故障都可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路停止工作，不僅降低了整個(gè)電路的工作可 靠性，而且有時(shí)甚至?xí)绊懙狡渌娐返陌踩?，造成不可估量的?jīng)濟(jì)損失。
[0003] 目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)二極管NPC三電平逆變器的故障診斷問(wèn)題已開展了不少研宄。 例如：湯清泉、顏世超、盧松升等人在中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)中提出的《三電平逆變器的功率管 開路故障診斷》（2008, 28 (21)，26-32)，其通過(guò)分析三電平逆變器在單個(gè)功率器件開路故障 下的電路工作情況及故障表現(xiàn)形式，提出根據(jù)檢測(cè)三電平逆變器輸出側(cè)PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）電壓波形和輸出電流極性來(lái)診斷功率器件開路故障。該方法 具有診斷迅速、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但其診斷結(jié)果并沒(méi)有精確定位到某個(gè)開關(guān)器件，而需要再 進(jìn)行人工查找。
[0004] 又如：周京華、劉輝臣、姚亞蘭等人在電力電子技術(shù)中提出的《三電平大功率變 頻器故障特征及診斷方法研宄》（2009,43 (6)，1-3)，其也是根據(jù)檢測(cè)三電平逆變器輸出側(cè) PWM (Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）電壓波形和輸出電流極性來(lái)診斷功率器件 開路故障，同樣存在以下問(wèn)題：診斷結(jié)果并沒(méi)有精確定位到某個(gè)開關(guān)器件，而需要再進(jìn)行人 工查找。
[0005]又如：Ho_In Son、Tae-Jin Kim、Dae-Wook Kang 等人在 Power Electronics Specialists Conference(電力電子專家會(huì)議）中提出的 Fault diagnosis and neutral point voltage control when the 3-level inverter faults occur(三電平逆變器故障 診斷及其中點(diǎn)電壓控制）（2004:4558-4563)，其針對(duì)NPC逆變器中的單個(gè)功率器件的開路 故障，提出利用三相電流波形的電流軌跡方法來(lái)進(jìn)行故障診斷。這種方法能夠通過(guò)觀察電 流軌跡圖像來(lái)判斷具體故障，比較形象，但是由于電流軌跡圖像和故障模式之間的對(duì)應(yīng)需 要通過(guò)觀察得到，因此故障診斷并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且當(dāng)故障模式數(shù)量增多時(shí)，電流軌跡 圖像也響應(yīng)增多，給觀察者的判斷帶來(lái)了極大的困難。
[0006]又如：Jae-Chul Lee、Tae-Jin Kim、Dae-Wook Kang 等人在 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference (第37屆IEEE電力電子專家會(huì)議）中提出的A Control Method for Improvement of Reliability in Fault Tolerant NPC Inverter System (-種提升NPC逆變器故障容錯(cuò)系統(tǒng)可靠性的控制方法）（2006:1-5)，其把每相的橋 臂中點(diǎn)和直流電壓中心點(diǎn)之間的電壓（這里稱為leg-voltage)與正常情況下的電壓進(jìn)行 比較，如果前者不滿足正常情況下的電壓要求達(dá)到一定時(shí)間（如2ms)時(shí)，則認(rèn)為該相發(fā)生 故障。這種方法的故障診斷速度非?？欤軌蛟诠收习l(fā)生后幾個(gè)毫秒內(nèi)給出診斷結(jié)果，但是 該方法只能判斷電路某一相發(fā)生故障，而不能精確到具體某個(gè)器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種多電平逆變器故障診斷方法，其故障診斷 速度快、故障診斷正確率高，且故障診斷結(jié)果能夠自動(dòng)精確定位到具體的器件，從而能夠有 效地提高多電平逆變器的工作可靠性。
[0008] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：一種多電平逆變器故障診斷方 法，其特征在于包括以下步驟：
[0009] ①采用PSIM仿真軟件搭建一個(gè)二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器，該二極管中點(diǎn)鉗 位三電平逆變器包括三相橋臂電路和兩個(gè)直流電壓源，每相所述的橋臂電路由上橋臂電路 和下橋臂電路組成，所述的上橋臂電路包括第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件和第五 功率開關(guān)器件，所述的下橋臂電路包括第三功率開關(guān)器件、第四功率開關(guān)器件和第六功率 開關(guān)器件，所述的第一功率開關(guān)器件分別與其中一個(gè)所述的直流電壓源、所述的第二功率 開關(guān)器件及所述的第五功率開關(guān)器件連接，所述的第四功率開關(guān)器件分別與另一個(gè)所述的 直流電壓源、所述的第三功率開關(guān)器件及所述的第六功率開關(guān)器件連接，所述的第二功率 開關(guān)器件和所述的第三功率開關(guān)器件與其所在的所述的橋臂電路的輸出端連接，所述的 第五功率開關(guān)器件和所述的第六功率開關(guān)器件與兩個(gè)所述的直流電壓源的公共連接端連 接；
[0010] ②該二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器在正常工作的情況下，提取該二極管中點(diǎn)鉗位 三電平逆變器中的每相橋臂電路在一個(gè)周期內(nèi)的所有輸出電壓；然后將在正常工作的情況 下提取的所有輸出電壓構(gòu)成正常工作的情況下的采樣信號(hào)向量，記為x 19;
[0011] 同樣，該二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器在加入每種開路故障的情況下，提取該二 極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器中的每相橋臂電路在一個(gè)周期內(nèi)的所有輸出電壓；然后將在加 入每種開路故障的情況下提取的所有輸出電壓構(gòu)成加入每種開路故障的情況下的采樣信 號(hào)向量，將加入第i種開路故障的情況下的采樣信號(hào)向量記為Xi，其中，1 < i < 18,第1種 開路故障~第6種開路故障對(duì)應(yīng)為a相橋臂電路中的第一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管、第二個(gè) 絕緣柵雙極型晶體管、第三個(gè)絕緣柵雙極型晶體管、第四個(gè)絕緣柵雙極型晶體管、第五個(gè)二 極管、第六個(gè)二極管發(fā)生開路故障，第7種開路故障~第12種開路故障對(duì)應(yīng)為b相橋臂電 路中的第一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管、第二個(gè)絕緣柵雙極型晶體管、第三個(gè)絕緣柵雙極型晶 體管、第四個(gè)絕緣柵雙極型晶體管、第五個(gè)二極管、第六個(gè)二極管發(fā)生開路故障，第13種開 路故障~第18種開路故障對(duì)應(yīng)為c相橋臂電路中的第一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管、第二個(gè)絕 緣柵雙極型晶體管、第三個(gè)絕緣柵雙極型晶體管、第四個(gè)絕緣柵雙極型晶體管、第五個(gè)二極 管、第六個(gè)二極管發(fā)生開路故障；
[0012] 再將Xp……、X18、X19構(gòu)成一個(gè)采樣信號(hào)向量集合，記為X，X={Xi，…，X18，X19}， 其中，乂廣不加入第1種開路故障的情況下的米樣信號(hào)向量，X i亦表不X中的第1個(gè)米樣 信號(hào)向量，X18表不加入第18種開路故障的情況下的米樣信號(hào)向量，X18亦表不X中的第18 個(gè)采樣信號(hào)向量，X19亦表示X中的第19個(gè)采樣信號(hào)向量；
[0013] ③通過(guò)利用離散小波變換對(duì)X中的每個(gè)采樣信號(hào)向量進(jìn)行11個(gè)尺度的小波分解， 獲取X中的每個(gè)采樣信號(hào)向量對(duì)應(yīng)的維數(shù)為1X12維的能量特征向量，將X中的第j個(gè)采 樣信號(hào)向量XJ寸應(yīng)的維數(shù)為1X12維的能量特征向量記為L(zhǎng)，其中，1 <j< 19;
[0014] ④對(duì)X中的每個(gè)采樣信號(hào)向量對(duì)應(yīng)的維數(shù)為IX12維的能量特征向量進(jìn)行歸一化 處理，得到X中的每個(gè)采樣信號(hào)向量對(duì)應(yīng)的維數(shù)為IX12維的歸一化后的能量特征向量，將 X中的第j個(gè)采樣信號(hào)向量&對(duì)應(yīng)的維數(shù)為1X12維的歸一化后的能量特征向量記為T/， 其中，1彡j彡19;
[0015] ⑤將X中的每個(gè)