逆变器并联系统功率管开路故障诊断研究

~
fault point
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建
io2/A iL2/A io1/A
第4期
uo/V 200 − 200 20 0 − 20 20 0 − 20 20 0 − 20 20 0 − 20 2000 0 0.026
t/s 0.03 0.034 (c)单模块 Q1 管开路
uds2/V io2/A
iL2/A
io1/A
表现为 M1 开路。D 为 MOSFET 的体二极管，仅考 虑 M 和 Q 发生开路故障的情况。同理可分析出处 于并联系统的桥式逆变器（如图 3 所示）功率管发 生开路故障时的滤波电感电流表现，如表 2 所示。 当 Q1 或 Q2 或 Q3 或 Q4 开路时，只有跟故障管在同 一桥臂上的另一只功率管损坏，这时 iL 变为零，故 障模块停止对外输出功率，另外一个桥臂上的功率 管不会损坏。如假设 Q1 开路，Q2 会被击穿，电感 能量释放掉，不会影响 Q3 或 Q4。
肖 岚等： 逆变器并联系统功率管开路故障诊断研究
101
iL1/A
Lf1=1.2mH，iL1 为峰值时功率管开路，计算得 Uds2 最大 6MV。Q2 必然损坏。 总之，如果与 MOS 管反并联的二极管开路或 功率管组合 Q 开路， 同一桥臂上的正常管及其驱动 电路必然被击毁，故障识别能做的只是尽快识别并 切除故障模块，保证系统中其它模块的安全。 表 1 概括了并联半桥逆变器功率管发生开路故 障时的滤波电感电流表现。M1 开路和 M1 无驱动均
Q1
M1Biblioteka D1图 1 处于并联系统的半桥逆变器电路图 Fig. 1 Diagram of half-bridge inverter in paralleling system
功率管开路故障包括 MOSFET 开路故障和反 并联二极管开路故障[13]， 下面对这两种情况分别进 行分析和 Saber 软件仿真研究。单逆变器仿真参数 为：输入 400V 直流电压，输出电压 115V/400Hz， 输出功率 800VA，输出滤波电感 1.2mH，输出滤波 电容 10µF。 2.2 MOSFET 开路故障 MOSFET 开路故障包括 M1 开路、M2 开路、 M1 和 M2 开路，以 及 控制 或 驱 动 电路 损 坏 导致 MOSFET 的驱动信号常为低电平的情况。 故障表现
逆变器并联系统功率管开路故障诊断研究
肖 岚 1，李 睿2
（1. 南京航空航天大学自动化学院，江苏省 南京市 210016; 2. 浙江大学电气工程学院，浙江省 杭州市 310027）
Research on the Open-circuit Fault Diagnosis of Transistor in Inverter Paralleling System
100 − 100 5 −5 5 −5 20 0 20 0 0.002 0.004 0.006 0.008 (a)单 模块 上管 M1 开路 iL1/A uo/V 100 − 100 5 −5 5 −5 10 − 10 10 − 10 0.002 0.004 0.006 0.008 (b)单模块 M1 和 M2 开路 t/s 0.01 t/s 0.01 fault point uo/V io2/A iL2/A io1/A iL1/A
ABSTRACT: Fault self-diagnosis capability is the key element in the redundant and fault-tolerant control. Through simulation and experiment, this paper studied the open-circuit fault diagnosis of the power switches in the inverter paralleling system. Using half-bridge inverter as an example, the behavior patterns were analyzed for a faulted paralleling inverter system with power switches in open circuit. The equivalent output circuit of the fault paralleling system was established. Several open-circuit fault diagnosis methods were then proposed. Fault diagnosis and hot removal were realized in a two-inverter paralleling prototype by measuring the inductor current of each module. This fault diagnostic method is simple to use, and suitable for inverter paralleling system with arbitrary quantities of modules. KEY WORDS: Power electronics; Parallel; Inverter; Open circuit fault; Fault diagnosis; Inductor current 摘要： 冗余容错控制的关键在于故障的诊断。 该文通过仿真 和实验， 对无输出隔离变压器的逆变器并联系统功率管开路 故障诊断进行了研究。 以半桥逆变器为例， 分析了逆变器并 联系统在功率管开路故障下的等效电路和故障表现形式， 提 出了几种故障识别方案。通过检测并联系统各模块电感电 流， 在两台并联实验样机上实现了故障识别和故障模块的在 线切除，验证了方案的可行性。该方案简单，适合于任意数 量逆变器并联模块。 关键词：电力电子；并联；逆变器；开路故障；故障诊断； 电感电流
XIAO Lan1, LI Rui2 (1. Nanjing University of Aero. & Astro., Nanjing 210016, Jiangsu Province, China; 2. Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China）
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建
100
中 国 电 机 工 程 学 报
第 26 卷
器并联系统的故障识别方案，并进行了实验验证。
2
开路故障表现
2.1 并联系统的半桥逆变器故障 半桥逆变器 采 用 输出电压和 滤波 电感电流瞬 时值双闭环反馈控制。电压外环采用比例积分调节 器，控制输出电压跟踪基准电压变化，电压调节器 输出作为电流给定信号。电流内环采用滞环或正弦 脉冲宽度调制控制，实现滤波电感电流跟踪给定电 流变化[10]。 均流控制采用基于有功和无功功率调节 法，即根据输出有功和无功功率差调节输出电压的 相位和幅值[11-12]。 和单独工作的逆变模块相比，并联系统因为各 模块 相互 影响 ，故障表现形式 更 为复杂 和难 以识 别。图 1 为处于并联系统的半桥逆变器电路图，交 流电源 un 相当于并联系统中的其它模块。 逆变器单 模块工作时，如果主功率管发生故障，将会马上导 致滤波电感电流 iL1 发生变化。例如当 M1 开路时， iL1 只有负半波而无正半波，输出电压 uo 会随之变 化，根据 uo 的变化可以识别该故障。逆变器并联工 作时，M1 开路，iL1 也会变化，但只要其它模块存 在功率裕量，保证故障模块滤波电容和总负载电流 不变，则 uo 就不会发生变化。因此仅仅检测 uo 无 法判断并联系统中逆变器开路故障。
+ C1 iL1 L f1 Q2 D2 M2 un C f1 u0 + + C2 Uin R0
形式相同，并以模块 1 上管 M1 开路为例：设 M1 在 5ms，即在电感电流 iL1 正半周时开路，iL1 正半 周时，M1 和 D2 轮流导通。若 iL1 正从 M1 流过时 M1 开路，为维持 iL1 不变，D2 立即导通续流，且开 通到 iL1 变为 0，直到 iL1 的给定信号变为负值时， M2 被施加驱动信号，M2 和 D1 轮流导通，iL1 负半 周波形正常，为负的正弦半波。如果 iL1 正从 D2 续 流时 M1 开路，则故障后 D2 会一直导通至 iL1 续流 到零；如果 M1 在 iL1 负半周开路，由于这时 M1 不 工作，其开路不会影响输出波形，当 iL1 过零变正 后，故障电路输出波形将与前述情况一致。总之， 开路故障发生的时刻不同，只会导致开路瞬间的半 个输出周期之内故障表现形式有所差异，半个输出 周期之后故障波形一致。 图 2(a)给出了 M1 开路故障发生前后模块 1 和 模块 2 的电感电流 iL1 和 iL2， 输出负载电流 io1 和 io2 以及并联系统输出电压 uo 的仿真波形。 由图 2 可见 故障发生后各模块 iL 和 io 均会发生很大变化： 故障 模块 iL1 正半波缺失，io1 正半波为输出滤波电容电 流；正常模块 io2 和 iL2 正半波比正常时增加，以确 保 uo 不变。同理可推得：M2 开路故障时电感电流 负半波缺失， uo 不变。 M1 和 M2 同时发生开路故障， 如图 2(b)所示． 故障模块的 iL1 迅速经 D1 或 D2 续流 到零，并一直保持为零，正常模块为保证 uo 不变， 会增大 iL2 以抵消故障模块的影响。
基金项目：国家自然科学基金项目（50337030）；航空科 学基金项 目（01F52032）。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50337030)．
1
引言
冗余容错 供 电 是当今 电 源 变 换技术发展 的重 要方向之一，它使系统在故障后仍能保持运行，对 提高系统可靠性、 实现不间断运行具有重要意义[1-2]。 并联是实现冗余容错供电的关键技术。目前很多并 联控制 策略理论上均可 以实现冗余容错控制。 然 而，其能够实现的前提是并联系统具有故障识别能 力。当并联系统中某个模块发生故障，应自动检测 出来并将它在线切除。直流变换器并联时，各模块 输出端通过一个二极管连接在一起。由于二极管的 阻断作用，故障模块不会对并联输出造成影响。而 交流电源并联，由于各并联模块的交流输出端是通 过一双向开关连接在一起，不仅很难判别出故障模 块，而且若不能及时识别并切除故障源，将严重影 响系统性能， 导致输出失真， 甚至系统崩溃。 因此， 研究 具有 故障识别能力 的逆变器并联系统控制 技 术非常必要。 目前工业界的 UPS 并联产品， 其故障 保 护大都停留 在功率器 件的过流 、过压 保护 等 层 面，而学术界的国内外学者主要将兴趣放在了并联 均流控制的研究上[3-6]， 所提到的故障诊断方法大都 需要复杂的数学计算， 难以应用到实际的系统中[7-9]。 由 实 践经 验 可 知 ，功率管工 作 在 高 频 开关状 态，损耗较大，发热严重，发生故障的概率最大， 并且以功率管的开路和直通最为常见。本文以两台 无输出隔离变压器的半桥逆变器并联单位为例，分 析了逆变器并联系统在功率管开路故障下的等效 输出电路和故障表现形式，提出了几种适用于逆变