模块化多电平变流器IGBT开路故障诊断与定位方法综述

随着模块化多电平变流器(modularmultilevel converter,MMC)在工程领域中广泛应用,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)开路故障问题日益突出,并成为制约其稳定运行的主要因素。IGBT开路故障诊断与定位方法作为及时识别开路故障,保证MMC持续稳定运行的主要手段而被广泛研究。文中首先对MMC的基本结构及IGBT开路故障特征进行介绍和分析,阐明故障子模块电流路径及电容电压变化趋势;其次,以定位故障IGBT使用的方法和手段为依据,对国内外相关主要文献进行分类和归纳,总结不同类型故障诊断方法的优点和不足;最后,对MMC开路故障诊断与定位方法的未来发展方向和趋势进行展望,指出基于硬件、基于模型和基于人工智能的3类诊断方案分别在降低硬件复杂度、提高故障诊断准确率和降低计算量等方面应该重点解决的主要问题和思路。

基于MPCC的永磁同步电机驱动系统逆变器IGBT开路故障诊断方法

针对永磁同步电机(PMSM)驱动系统逆变器绝缘栅双极晶体管(IGBT)开路故障诊断过程中电流检测法检测时间较长的问题,研究了一种基于模型预测电流控制(MPCC)的误差电流极性法,通过将MPCC中代价函数的变化和电流检测法相结合,可有效缩短故障检测时间。然而,MPCC容易受到电机参数变化的影响,负载转矩、转速的变化可能导致电机参数变化或不匹配,进而影响代价函数的输出,导致误诊。针对该问题,在基于MPCC的误差电流极性法中对故障检测指标进行了归一化处理并加入了计数法,进一步提高了故障诊断的鲁棒性能。

三电平Buck-Boost变流器直流电容与IGBT开路故障非侵入式监测方法

三电平Buck-Boost变流器具有双向馈能和能量传输高效的特点。针对直流电容器容值衰退和IGBT开路故障两种典型失效模式,提出了一种利用变流器自身传感器同时对直流电容容值衰退和IGBT开路故障非侵入式在线监测的方法。首先,分析了三电平Buck-Boost变流器开关运行模态及其切换顺序。然后,采用特定开关模态消除直流电容等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)影响,分别推导了子模块电容的容值特征解析表达式。最后,利用每个开关周期计算出的等效容值特征检测和定位IGBT开路故障。仿真和实验结果表明:利用开关模态容值特征能够同时监测三电平Buck-Boost变流器直流电容状态和IGBT开路故障,平均容值监测误差小于1%且可以消除ESR的影响,利用容值特征畸变能够在2~3个开关周期内检测出IGBT开路故障。

应用于高频辅助变流器的DBSRC变换器IGBT开路故障分析及容错运行研究

随着电力电子技术的进步,以双向全桥串联谐振变换器(dual bridge series resonant DC-DC converter,DBSRC)为核心的新一代高频车载辅助变流器发展迅速,并逐步走向实用化。为了提高基于DBSRC变换器的高频辅助变流器的可靠性,首先利用模态分析法(operation mode analysis,OMA)对移相闭环控制下DBSRC发生IGBT开路故障展开研究,分析并阐明了DBSRC输入、输出侧故障后的运行机理及特性。其次,提出一种基于输出功率调整的高频车载辅助变流器容错运行策略,在不改变DBSRC拓扑及移相控制方法的条件下通过实时监测辅助变流器输入电压并动态调节辅助变流器的输出功率,将谐振电流应力及谐振电容电压应力限制在安全阈值内,实现容错运行。最后通过仿真与实验对故障特性分析的准确性与该容错运行策略的有效性进行验证。

基于IGBT输出功率的逆变器开路故障诊断方法

地铁辅助逆变器故障的及时诊断对于运行和维护都至关重要,特别是在列车运行途中,如果能够及时检测和诊断出列车上的辅助逆变器故障,将能够提高列车运行的安全性和可靠性。针对逆变器中存在的IGBT开路故障,比较了逆变器中各相电流正、负半波部分在正常和故障情况下的流向和对应的功率,提出了通过检测各相电流正、负半波部分对应的功率进而反映各IGBT的输出功率和工作状况的方法,以对逆变器中的IGBT开路故障进行诊断。算例结果表明所提方法的有效性。

VSC-HVDC系统中IGBT的开路故障特性分析

为了分析研究IGBT开路失效故障对于两电平柔性直流输电系统(VSC-HVDC)造成的危害,首先建立了单侧电压源换流器的IGBT开路故障仿真模型,分析研究了三相交流电流的畸变特性。然后搭建了柔性直流输电系统的IGBT开路故障仿真模型,理论证明了IGBT开路故障情况下系统交流电流、直流电压、直流电流的波形变化规律,并在此基础上提出了一种基于三相交流电流的IGBT开路故障诊断方法。最后给出了柔性直流输电系统IGBT开路故障的实验结果。仿真实验结果和理论推导均表明:当系统发生单只IGBT开路故障时,送端换流器和受端换流器交流电流都包含直流分量,但相比其他相,故障相的交流电流直流分量幅值最大,同时系统直流侧电压、电流都包含基频波动分量。

变频器IGBT开路故障诊断方法

对变频器逆变桥IGBT开路故障诊断方法做了对比研究,比较了平均电流Park矢量法、三相平均电流法和本文提出的基于傅里叶变换的归一化方法,实验结果表明,平均电流Park矢量法和三相平均电流法在稳态时可准确地进行IGBT开路故障诊断,定位故障管,但在突加、突减负载时易出现误诊断,本文提出的方法将电机电流平均值对基波分量进行归一化,解决了动态时误诊断问题,并采用基于dSPACE的系统平台证实了该方法的有效性。

VSC-HVDC送端换流器IGBT开路故障诊断方法

为了实现VSC-HVDC系统送端换流器IGBT开路故障的在线诊断,首先基于送端换流器拓扑结构得到了换流器开关函数模型,给出了基于开关函数的三相电压残差定义;然后推导了2类单桥臂IGBT开路故障和4类双桥臂IGBT开路故障下的三相电压残差计算公式,分析了IGBT开路故障的电压残差特征。基于此,通过设定电压残差阈值和IGBT故障标志,提出了基于电压残差的送端换流器IGBT开路故障诊断方法。最后,对所提诊断方法进行了半实物实验验证,实验结果表明,所提方法能够准确诊断出各类单桥臂IGBT开路和双桥臂IGBT开路故障,且具有一定的抗干扰性能。

柔性直流输电系统中IGBT阀的故障诊断方法

基于两电平VSC-HVDC系统拓扑图,分析了IGBT阀开路故障时交流侧三相电流的变化情况,得到了故障相电流直流分量的变化规律,进而研究了系统传输功率突变对三相交流电流基波分量相位的影响,从而提出一种运算简便且快速的故障阀定位方法。该方法首先根据各相电流基波分量相位差判断系统状态,在排除功率突变的前提下再以直流分量标幺值为诊断变量对故障元件进行定位。最后模拟系统潮流反转后某IGBT阀发生失效开路故障的情况,利用所提出的方法进行故障诊断,结果表明该方法可快速准确的确定故障位置,并能避免因功率突变而引起的误诊问题。

IGBT高压串联组件的失效检测与恢复策略

针对IGBT串联组件中失效器件导致整个装置异常的问题,提出了一种IGBT器件开路失效的检测方法与组件功能恢复策略。从IGBT的内部结构分析了器件失效机理,借助于IGBT驱动电路监测组件中各个IGBT的状态,根据状态反馈对IGBT器件的开路失效故障进行诊断和定位,针对IGBT的开路失效故障,设计了在串联组件阻断后吸合相应旁路开关以恢复组件功能的重启动策略。建立了串联组件中IGBT失效监控实验系统。实验结果表明该系统能准确识别组件内失效的IGBT器件,并及时可靠地恢复了IGBT串联组件的正常开关功能。

SVPWM整流器IGBT模块的故障诊断技术研究

建立了双闭环SVPWM整流器故障模型,通过增大IGBT模块内阻来模拟其性能劣化过程,并提出了一种基于Hilbert变换的IGBT模块故障诊断方法。该方法分别以相电流及其Hilbert变换后获得的共轭电流作横坐标和纵坐标,绘制Hilbert矢量图,通过图形变化规律来达到快速、有效诊断故障的目的。理论分析和仿真结果表明该方法可以有效诊断IGBT模块开路故障,比Park矢量方法简便直观。

基于信号调理的逆变器IGBT开路故障注入方法

针对采用直接切断驱动信号的方式模拟绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)开路故障的局限性,在分析三电平逆变器IGBT开路故障表现形式及其外特性的基础上,提出一种基于信号调理的故障注入方法.通过故障注入单元对注入到被测对象的正常信号进行信号调理,将含有故障信息的信号加载到原有正常信号中再注入到被测对象,实现对IGBT不同表现形式开路故障的模拟.在CRH2型高速列车牵引传动系统虚拟仿真平台上进行故障注入仿真,结果证明该方法可行且有效.

基于最近电平逼近调制的IGBT开路故障诊断方法

提出一种基于最近电平逼近调制(NLM)策略的全桥子模块IGBT开路故障诊断定位方法,分析子模块故障特性,根据调制NLM策略对桥臂子模块电容电压采样值的排序,计算其中位数作为子模块电容电压预测值。通过对比预测值与实测值获得诊断判据,该方法无需占用过多计算资源并快速完成故障诊断。同时通过改变故障子模块工作状态实现故障IGBT定位与子模块故障容错控制。最后,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,仿真结果验证了该子模块IGBT开路故障诊断定位方法与容错控制策略的有效性。

三电平有源电力滤波器IGBT开路故障诊断方法研究

针对三电平中点钳位式(Neutral Point Clamped,NPC)有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)中功率器件IGBT开路故障的诊断问题,提出采用小波包分析故障信号,提取各频段能量系数作为故障特征,并利用网格搜索支持向量机(Support Vector Machine,SVM)进行分类的诊断方法。将所提方法应用于三个测试点进行测试,分别为逆变输出侧三相补偿电流、直流侧电容电压、电源侧三相电流,然后针对各信号的特点完成故障特征提取与故障类型识别,最后在谐波源三相整流桥触发角变化时进行了适应性实验,结果表明所提出的方法可分别基于三个测试点实现故障诊断,并且基于直流侧电容电压的测量方式对谐波源变化有良好的适应性。

基于残差变化率的单相级联H桥整流器IGBT开路故障诊断

为实现单相级联H桥整流器(SPCHBR)的IGBT开路故障实时诊断,提出一种基于残差变化率的IGBT开路故障诊断方法。首先建立SPCHBR的混合逻辑动态模型(MLD),生成网侧电流残差。然后从理论和仿真分析IGBT故障时的残差特征,结合电流残差变化率,定义不同开关信号隔离下的归一化诊断变量。通过设定阈值可以实现不同模块单个或双IGBT开路故障的检测和定位。所提方法不需要额外的传感器,诊断信号来自于控制系统,且诊断速度较快,在其他参数不变的前提下不受网压、负载和运行工况变化的影响。最后,通过硬件在环(HIL)测试系统验证了该诊断方法的有效性和可行性。

一种PWM整流器IGBT开路故障诊断方法

以三相电压型PWM整流器为研究对象,研究了在主回路IGBT开关管发生开路故障后整流器的故障特征,通过比较正常和故障工作方式下门极信号和交流侧线电压的变化情况,建立故障特征向量,由此提出了依靠检测门极信号和交流侧线电压在功率器件发生开路故障后的变化作为诊断策略的方法,经仿真验证,该方法能准确地诊断和定位出发生故障的功率开关器件,并对于单管故障和多管同时故障的检测都有显著的效果。

单相级联中点箝位整流器IGBT和传感器的统一故障诊断方法

电力电子牵引变压器(PETT)含有大量易故障的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以及传感器,导致系统可靠性和稳定性降低。以PETT前端的输入级——单相级联中点箝位整流器(SPCNPCR)为对象,研究了一种IGBT与传感器故障的统一故障诊断方法。首先,建立SPCNPCR的混合逻辑动态模型,并通过此模型估计得到网侧输入电流和输入电压;然后,通过比较测量得到的输入电流、电压实际值和混合逻辑动态模型得到的估计值计算出残差以及残差变化率。进一步地,将电压残差用于定位发生IGBT开路故障的整流器模块,将电流残差用于检测模块中具体的故障IGBT和故障的传感器。该诊断方法可定位发生故障的整流器模块且实现该模块内单个或多个IGBT的开路故障定位,同时也可有效区分网侧电流传感器的增益故障、偏移故障和漂移故障诊断。最后,通过硬件在环测试系统验证了所提诊断方法的有效性。

三峡升船机变频器IGBT开路故障诊断

为降低三峡升船机变频器中绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)开路故障的排故难度和保障船舶安全通航,对三峡升船机变频器整流侧中的21种IGBT开路故障进行故障诊断。以整流侧网侧三相输入电流信号为故障信号并进行希尔伯特黄变换(Hillbert-Huang Transform,HHT),并在时频图中找到特征频带,基于特征频带的能量熵完成故障特征提取。为实现故障管的精准定位,通过计算三相故障电流信号的均值确定故障上下桥臂。由概率神经网络(Probabilistic Neural Network,PNN)验证表明:该方法可实现IGBT开路故障检测。

串联谐振变换器IGBT开路故障检测方法

针对串联谐振变换器IGBT开路故障检测问题,根据故障前后断续谐振电流波形变化特征,提出了一种故障在线检测方法。首先,通过分析变换器的等效电路,得到了单个IGBT开路故障时的谐振电流表达式。从故障机理可知,当单个IGBT开路后,输出电流的平均值减半,同时谐振电流波形在一个开关周期内比正常工况时减少了一个半波。然后,根据故障时谐振电流波形特征,设计了相应的故障检测电路,并通过DSP控制器在线检测谐振电流整形后的方波跳变沿,有效地诊断出了IGBT开路故障,由此证明了所提方法的正确性。

电池储能系统换流桥IGBT开路故障诊断方法

针对电池储能系统换流桥器件IGBT发生故障时,会导致电压电流的畸变,影响电能质量,严重时会对储能系统的安全运行造成威胁这一问题,分析了换流桥IGBT开路故障时的特性,并在PSCAD/EMTDC环境下搭建电池储能系统模型对IGBT的开路故障进行了仿真研究。在分析和仿真研究的基础上,提出了一种适用于电池储能系统的换流桥IGBT阀开路故障诊断方法。