UPS系统中电压型逆变器开路故障诊断研究

卢志勇

广东威恒输变电工程有限公司 528000

摘要：不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)系统通常被置于市电电网和用电负载之间，其目的是改善对负载的供电质量，并在市电故障时保证负载设备的正常运行。UPS的核心环节是逆变器，其设计的好坏直接影响着UPS电源供电质量，由于电力电子器件的工作环境和自身能量变换的特殊性，逆变器是UPS系统中易故障的薄弱环节。因此，研究逆变器故障诊断技术对提高UPS系统的可靠性具有重要意义。

关键词：UPS系统；开路故障；故障诊断

引言

电力电子装置中三相逆变器是当前非常常见的电力电子设备，其中的开关管非常敏感，故障发生的概率很大，因此，对故障进行实时有效的检测和准确定位很有必要。三相逆变器中的故障大致可分为短路故障和开路故障。在短路故障发生时，装置温度迅速升高导致设备损坏，甚至可引起电网瓦解;与短路故障相比，一般开路故障发生后，系统还可以继续运行，不会造成严重的影响，但输出电流会升高，波形发生畸变，对其他设备造成影响。

1逆变器常见的故障定位

逆变器常见的故障是功率开关管的短路和开路。短路故障因存在时间极短(通常在μs以内)而难以被诊断，但是也可通过在逆变器电路中植入快速熔丝，这样可以将功率管的短路故障转变为开路故障，利用开路诊断方法加以处理。因此，对于逆变器的故障诊断主要是对功率开关管的开路故障诊断。目前针对逆变器的开路故障诊断提出的策略大多数是针对永磁电动机和感应电机的驱动电路部分，针对UPS系统的逆变器开路故障诊断技术研究却相对较少。对于电压型逆变器，利用三相电流经Clark变换后的电流矢量在空间中的轨迹和斜率定位发生开路故障的逆变器开关管。但这种方法在开路和空载时受测量误差和噪声的影响，诊断效果并不理想。采用基于绝对归一化Park矢量方法对逆变器的开路故障进行检测，利用相电流的平均值与相电流绝对值的平均值的归一化量诊断和定位单个或两个开关管开路故障，利用相电流绝对值的平均值与Park矢量模的归一化量诊断同一桥臂的两个开关管开路故障，该方法既能识别单开关管和双开关管故障，又能防止误报警。

2故障状态电流轨迹特性

目前针对FP-PMSM开路故障主要可以实现的是单相开路和双相开路故障转态下的容错控制，其中双相开路故障分为：①相邻两相开路；②相隔两相开路。以上所述的三类开路故障具体到故障发生位置，可分为15种故障状态，如表2中第一列所示。在开路故障发生前后，SVPWM以及电机的本体结构没有发生改变，改变的只有故障相端口对地输入电压，而其它正常相的端口对地输入电压与故障发生前是一致的。由于故障相绕组与逆变器的连接回路中发生断路，变成悬空的状态。导致端口对地电压不再受SVPWM控制，而且无法对其进行测量。为此，根据FP-PMSM的数学模型对故障相的相电压进行估计。通常电机的相电压由四部分组成：①相电阻上的压降；②故障相自感电动势；③故障相与其它相的互感电动势；④反向电动势。由于故障相相电流为零，所以前两部分压降为零。除此之外，为了提高FP-PMSM的容错能力，本文研究的FP-PMSM定子绕组采用单层分数槽集中绕组方式设计，消除了各相绕组之间的互感。

3三相逆变器故障诊断研究现状

3.1基于统计分析的故障诊断方法

1)主要成分分析法将多指标复杂的数据归结为能够反映信息特征的几个主要数据信息，使问题更加简单化，便于分析。其缺点是没有明确和判断所用数据可提供分析以及满足降维的条件，一般情况下，通过将主要成分分析法与其他方法结合，实现故障诊断。2)贝叶斯网络根据未知信息推理估计，利用贝叶斯公式得到故障发生的概率，从而达到故障诊断的效果等构建贝叶斯网络，利用贝叶斯公式对故障进行快速诊断，最终实现故障诊断。

3.2改进的变分模态

改进的变分模态，是在VMD分解的基础上，用小波变换的方法对各模态分量提取小波能量，将高频信号与低频信号区分开来，去低频信号再次进行分解，经多次分解后，得到最终信号值并降维，确定故障特征向量。此方法在VMD分解的基础上，又进行了数次的高低频信号分解，可以有效降低信号复杂程度，提高了特征提取的准确性。

3.3基于数学模型的故障诊断方法

1)基于状态空间平均模型的故障诊断方法通过基尔霍夫定律对三相逆变器进行分析，选取合适的状态变量，考虑开关器件的导通和关断状态，利用时间平均条件，分析等效的线性时不变电路，实现故障诊断。2)基于混杂切换系统模型中的重要理论是切换系统理论，可以很好地描述一个既有离散特性又有连续特性的电路，三相逆变器中开关器件是不可或缺的存在，在系统工作时，开关的导通和关断使系统有不同的拓扑结构，这些结构不断地切换，又使系统具有了离散性质，通过切换系统理论建立系统的模型。

3.4双管开路故障

选择两支路的VT1和VT4作为目标管，当t=0.1s的时候移除VT1和VT4的驱动信号。故障发生后，相电流、故障定位变量的波形。当t=0.1s，ia缺失下半个周期，ib缺失上半个周期，相应地，A相和B相的电流平均值不再为零，故障定位变量Lap接近于-1，Lbp接近于1。因此，开关管VT1和VT4被诊断出发生开路故障。

3.5光伏逆变器故障诊断

光伏逆变器的结构复杂，实际工程中不同元器件的失效导致的逆变器故障，伴随着不同的电压输出。文中提出的改进的VMD变分模态和卷积神经网络相结合的光伏逆变器故障诊断方法，其具体步骤如下：Step1:信号采集。采集光伏逆变器在各种故障下的故障信号；Step2:信号分解。利用VMD对故障信号进行分解，得到IMF模态分量；Step3:高低频分解。分解IMF模态分量的高低频信号，得到最终特征向量；Step4:数据重构。将一维IMF分量进行重构成二维矩阵，得到IMF时间图；Step5:CNN模型的设计与训练。将IMF时间图构建成数据集，划分训练集和测试集；Step6:故障诊断。验证此方法的有效性，并与传统的VMD-CNN模型，VMD-BP模型进行对比分析。

4三相逆变器故障诊断的发展展望

在实际的工程中，三相逆变器故障诊断技术不仅得到广泛的应用，也收获了满意的结果;但同时也存在很多值得关注且没有得到解决的问题。1)实际情况中的电力电子系统极其复杂，各种诊断方法都存在自身的缺陷与不足。2)故障诊断在近年来比较关注的鲁棒性问题［15］，目前成功的研究成果还没有很大的进步。3)由于社会的需求量不断增大，电力电子的应用也增多，电路结构复杂程度增大，故障状态也增多，需要考虑更多的故障情况，因此如何正确地选取故障信息也是一个值得考虑的问题。

结束语

本文采用了一种基于归一化相电流的逆变器开路故障诊断技术。通过Matlab/Simulink对这种方法的可靠性和实用性进行了仿真研究。仿真结果验证了这种方法能够有效地检测出任意桥臂上开关管的开路故障。

参考文献

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