具有IGBT开路故障诊断的级联型五电平逆变器

具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器
技术领域
1.本发明涉及一种五电平逆变电路开关器件的故障诊断，具体涉及一种具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器。


背景技术：

2.在高电压高功率逆变器领域，传统的两电平电压型逆变器已无法满足对电压和功率的要求，而采用多电平逆变器去通过增加输出电压的电平数可以解决这个问题。与传统的两电平电压型逆变器相比，多电平逆变器的输出电压波形具有更好的谐波频谱，开关器件承受的电压应力也相对较小。但相应的，由于使用了更多的开关器件，整个逆变器拓扑的可靠性也随之降低，当逆变器的开关器件发生故障可能会导致逆变器停止工作，影响整个逆变电路的稳定性。为了减少因开关器件导致的停机时间，提高逆变电路的可靠性，采取精确的开关器件故障检测方法对多电平逆变电路进行故障诊断可以提高逆变系统的可靠性，降低二次故障的风险。
3.近年来，研究者提出了很多逆变电路的开关器件故障诊断方法，可大致分为两类：基于电流的方法和基于电压的方法。基于电流的方法以系统的电流量为检测值，判断系统电流的异常与否从而诊断开关器件的故障情况；基于电压的方法以系统的电压量为检测值，通过判断系统的输出电压波形判断开关器件是否故障。基于电压的方法可以缩短诊断时间，避免电流畸形对开关器件诊断的影响。但现有的基于电压的故障诊断方法存在诊断速度慢，诊断结果可靠性低的缺陷。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器。
5.本发明提供了一种具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器，具有这样的特征，包括：五电平逆变电路模块，包括三个五电平逆变器，五电平逆变器由两个h桥子模块构成，一个h桥子模块的输出端与另一个h子桥模块的输入端相连接；h桥子模块，包括四个igbt器件反并联四个二极管组成的全桥结构和一个并联电容器；检测模块，包括多个电压传感器，电压传感器与五电平逆变器并联，采集五电平逆变器的输出相电压波形，电压传感器与二极管并联，采集二极管的两端的电压波形作为二极管电压波形；故障诊断模块，对输出相电压波形进行快速傅里叶变换分析，结合级联型五电平逆变电路模块的基波频率，得到输出相电压波形的总谐波失真，根据输出相电压波形的总谐波失真判断五电平逆变器是否发生开路故障，若五电平逆变器发生开路故障，将输出相电压波形和正常工作下五电平逆变器的输出相电压波形进行比较，确定发生开路故障的h桥子模块，根据二极管电压波形的总谐波失真，确定发生开路故障的二极管。
6.在本发明提供的具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器中，还可以具有这
样的特征：其中，总谐波失真的计算公式如下：式中thd为总谐波失真，u1为基波分量，u2、u3...un为不同频率的谐波分量。
7.在本发明提供的具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器中，还可以具有这样的特征：其中，根据总谐波失真判断五电平逆变器是否发生开路故障的过程为：当基波频率为50hz，最大谐波检测频率为1000hz时，若输出相电压波形的总谐波失真小于20％，则五电平逆变器未发生开路故障，若输出相电压波形的总谐波失真大于20％且小于40％，则五电平逆变器的一个igbt器件发生开路故障，若输出相电压波形的总谐波失真大于40％，则五电平逆变器的两个igbt器件发生开路故障。
8.在本发明提供的具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器中，还可以具有这样的特征：其中，确定发生开路故障的二极管的过程为：当基波频率为50hz，最大谐波检测频率为1000hz时，若二极管电压波形的总谐波失真大于130％，则二极管发生开路故障。
9.在本发明提供的具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器中，还可以具有这样的特征：其中，在一个h桥子模块中，电压传感器分别与h桥子模块的上半桥或下半桥的两个二极管并联，采集二极管的电压波形作为二极管电压波形，若h桥子模块的一个igbt器件发生开路故障，且h桥子模块的两个二极管电压波形的总谐波失真均小于130％，则二极管电压波形对应的工作中的igbt器件未发生开路故障，判定工作中的另一个igbt器件发生开路故障。
10.发明的作用与效果
11.根据本发明所涉及的具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器，因为通过测量单相五电平逆变器的输出相电压波形，并计算得到总谐波失真，确定该五电平逆变器是否发生开路故障，通过输出相电压波形确定发生开路故障的h桥子模块，通过测量二极管两端的电压波形并计算总谐波失真，判断发生开路故障的二极管，所以，本发明的具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器，能够更加准确快速地诊断出发生开路故障的igbt器件。
附图说明
12.图1是本发明的实施例中级联型五电平逆变电路的系统结构图；
13.图2是本发明的实施例中五电平逆变器的示意图；
14.图3是本发明的实施例中单管故障时五电平逆变器的输出相电压波形的快速傅里叶变换分析和总谐波失真的示意图；
15.图4是本发明的实施例中双管故障时五电平逆变器的输出相电压波形的快速傅里叶变换分析和总谐波失真的示意图；
16.图5是本发明的实施例中正常工作下五电平逆变器的输出相电压波形的示意图；
17.图6是本发明的实施例中五电平逆变器的一个h桥子模块出现单个igbt器件开路故障时的输出相电压波形的示意图；
18.图7是本发明的实施例中五电平逆变器的另一个h桥子模块出现单个igbt器件开路故障时的输出相电压波形的示意图；
19.图8是本发明的实施例中五电平逆变器的两个h桥子模块分别出现单个igbt器件开路故障时的输出相电压波形的示意图；
20.图9是本发明的实施例中五电平逆变器的一个h桥子模块出现两个igbt器件开路故障时的输出相电压波形的示意图；
21.图10是本发明的实施例中五电平逆变器的另一个h桥子模块出现两个igbt器件开路故障时的输出相电压波形的示意图。
具体实施方式
22.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器作具体阐述。
23.图1是本发明的实施例中级联型五电平逆变电路的系统结构图。
24.如图1所示，级联型五电平逆变电路包括：五电平逆变电路模块即五电平逆变器ica、icb和icc，检测模块即检测模块ma、mb和mc，故障诊断模块即故障诊断模块fda、fdb和fdc，调制模块即调制电路da、db和dc，以及负载模块即负载la、lb和lc。三个五电平逆变器ica、icb和icc分别与对应的三个检测模块ma、mb和mc，三个调制电路da、db和dc和三个负载la、lb和lc相连接，三个故障诊断模块fda、fdb和fdc分别与对应的检测模块ma、mb和mc相连接。
25.图2是本发明的实施例中五电平逆变器的示意图。
26.如图2所示，五电平逆变器由两个h桥子模块构成，一个h桥子模块的输出端与另一个h子桥模块的输入端相连接。每个h桥子模块包括四个igbt器件vt1、vt2、vt3、vt4反并联四个二极管vd1、vd2、vd3、vd4组成的全桥结构和一个并联电容器c，本实施例中直流源e与h桥子模块并联，作为级联型五电平逆变器的输入电源，通过五电平逆变器产生交流电，用于对应的负载la、lb和lc，本实施例中igbt器件采用英飞凌公司生产的ff450r17me3器件。
27.调制电路da、db和dc采用的调制方法是载波同相层叠调制法，由四个幅值和频率相同的三角载波对称分布与正弦调制波的垂直方向上，并与调制波分层进行比较，控制对应的五电平逆变器ica、icb和icc中的h桥子模块输出不同电平，具体方式如下：
28.当正弦调制波大于正三角载波时，则h桥子模块的igbt器件vt1导通igbt器件vt3关断；
29.当正弦调制波小于正三角载波时，则h桥子模块的igbt器件vt1关断igbt器件vt3导通；
30.当正弦调制波大于负三角载波时，则h桥子模块的igbt器件vt2关断igbt器件vt4导通；
31.当正弦调制波小于负三角载波时，则h桥子模块的igbt器件vt2导通igbt器件vt4关断。
32.每个h桥子模块可输出-vdc，0，+vdc三种电平，具体方式如下：
33.当h桥子模块的igbt器件vt1和igbt器件vt4同时导通，且igbt器件vt2和igbt器件vt3关断时，h桥子模块输出电压为+vdc；
34.当h桥子模块的igbt器件vt2和igbt器件vt3同时导通，且igbt器件vt1和igbt器件vt4关断时，h桥子模块输出电压为-vdc；
35.当h桥子模块的igbt器件vt1和igbt器件vt3同时导通，且igbt器件vt2和igbt器件
vt4关断或是igbt器件vt2和igbt器件vt4同时导通，且igbt器件vt1和igbt器件vt3关断时h桥输出电压为0，因此由两个h桥子模块进行级联构成的五电平逆变器ica、icb和icc可以输出-2vdc，-vdc，0，vdc，2vdc五种电平。
36.本实施例中，调制电路包括现场可编程门阵列芯片和数字信号处理器，现场可编程门阵列芯片从数字信号处理器获得调制信号，然后和三角载波比较产生驱动信号，进而驱动对应五电平逆变器中的igbt器件，现场可编程门阵列芯片采用赛灵思公司生产的xc3s400-4pqg208c型芯片，数字信号处理器采用德州仪器公司生产的tms320f28335型芯片。
37.检测模块ma、mb和mc包括多个电压传感器，每个检测模块的电压传感器分别与对应的五电平逆变器并联，分别采集五电平逆变器ica、icb和icc的输出相电压波形，每个检测模块的电压传感器还分别与对应的五电平逆变器的每个h桥子模块的二极管并联，采集二极管的两端的电压波形作为二极管电压波形，本实施例中电压传感器采用lem公司生产的av100-2000电压传感器。
38.故障诊断模块fda、fdb和fdc，分别对对应的检测模块ma、mb和mc采集的输出相电压波形进行快速傅里叶变换分析，结合级联型五电平逆变电路模块的基波频率，得到输出电压波形的总谐波失真，总谐波失真的计算公式如下：
[0039][0040]
式中thd为总谐波失真，u1为基波分量，u2、u3...un为不同频率的谐波分量。
[0041]
根据输出电压波形的总谐波失真判断五电平逆变器是否发生开路故障，根据总谐波失真判断五电平逆变器是否发生开路故障的过程为：
[0042]
当基波频率为50hz，最大谐波检测频率为1000hz时，若输出相电压波形的总谐波失真小于20％，则五电平逆变器未发生开路故障；
[0043]
若输出相电压波形的总谐波失真大于20％且小于40％，则五电平逆变器的一个igbt器件发生开路故障；
[0044]
若输出相电压波形的总谐波失真大于40％，则五电平逆变器的两个igbt器件发生开路故障。
[0045]
图3是本发明的实施例中单管故障时五电平逆变器的输出电压波形的快速傅里叶变换分析和总谐波失真的示意图。
[0046]
如图3所示，横坐标为输出电压波形的谐波分量的频率即frequency，纵坐标为谐波分量相对于基波频率的谐波分量幅值的百分比即mag，测得基波频率的谐波分量幅值为295.8，因此计算得到总谐波失真thd为37.46％，则判定该五电平逆变器发生单管故障。
[0047]
图4是本发明的实施例中双管故障时五电平逆变器的输出相电压波形的快速傅里叶变换分析和总谐波失真的示意图。
[0048]
如图4所示，横坐标为输出相电压波形的谐波分量的频率即frequency，纵坐标为谐波分量相对于基波频率的谐波分量幅值的百分比即mag，测得基波频率的谐波分量幅值为165.3，因此计算得到总谐波失真thd为70.61％，则判定该五电平逆变器发生双管故障。
[0049]
图5是本发明的实施例中正常工作下五电平逆变器的输出相电压波形的示意图，
图6是本发明的实施例中五电平逆变器的一个h桥子模块出现单个igbt器件开路故障时的输出相电压波形的示意图，图7是本发明的实施例中五电平逆变器的另一个h桥子模块出现单个igbt器件开路故障时的输出相电压波形的示意图，图8是本发明的实施例中五电平逆变器的两个h桥子模块分别出现单个igbt器件开路故障时的输出相电压波形的示意图，图9是本发明的实施例中五电平逆变器的一个h桥子模块出现两个igbt器件开路故障时的输出相电压波形的示意图，图10是本发明的实施例中五电平逆变器的另一个h桥子模块出现两个igbt器件开路故障时的输出相电压波形的示意图，图5至图10的横坐标均表示时间，纵坐标均表示输出相电压的幅值。
[0050]
如图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，当单个h桥子模块的工作中的单个igbt器件发生开路故障时，该h桥子模块的输出电压波形发生畸变，因此不同h桥子模块发生开路故障且不同数量的igbt器件发生开路故障，对应的五电平逆变器的输出相电压波形发生不同的畸变，若五电平逆变器发生开路故障，将输出相电压波形和正常工作下五电平逆变器的输出电压波形进行比较，确定发生开路故障的h桥子模块。
[0051]
根据二极管电压波形的总谐波失真，确定发生开路故障的二极管，确定发生开路故障的二极管的过程为：
[0052]
当基波频率为50hz，最大谐波检测频率为1000hz时，若二极管电压波形的总谐波失真大于130％，则二极管发生开路故障。
[0053]
其中在一个h桥子模块中，电压传感器分别与h桥子模块的上半桥的两个二极管vt1和vt2或下半桥的两个二极管vt3和vt4并联，采集二极管的电压波形作为二极管电压波形，若h桥子模块的一个igbt器件发生开路故障，且h桥子模块的两个二极管电压波形的总谐波失真均小于130％，则二极管电压波形对应的工作中的igbt器件未发生开路故障，判定工作中的另一个igbt器件发生开路故障。
[0054]
实施例的作用与效果
[0055]
根据本实施例所涉及的具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器，通过测量单相五电平逆变器的输出相电压波形，并计算得到总谐波失真，确定该五电平逆变器是否发生开路故障，通过输出相电压波形确定发生开路故障的h桥子模块，通过测量二极管两端的电压波形并计算总谐波失真，判断发生开路故障的二极管。总之，本级联型五电平逆变器能够更加准确快速地诊断出发生开路故障的igbt器件。
[0056]
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器，其特征在于，包括：五电平逆变电路模块，包括三个五电平逆变器，所述五电平逆变器由两个h桥子模块构成，一个所述h桥子模块的输出端与另一个所述h子桥模块的输入端相连接；所述h桥子模块，包括四个igbt器件反并联四个二极管组成的全桥结构和一个并联电容器；检测模块，包括多个电压传感器，所述电压传感器与所述五电平逆变器并联，采集所述五电平逆变器的输出相电压波形，所述电压传感器与所述二极管并联，采集所述二极管的两端的电压波形作为二极管电压波形；故障诊断模块，对所述输出相电压波形进行快速傅里叶变换分析，结合所述级联型五电平逆变电路模块的基波频率，得到所述输出相电压波形的总谐波失真，根据所述输出相电压波形的总谐波失真判断所述五电平逆变器是否发生开路故障，若所述五电平逆变器发生开路故障，将所述输出相电压波形和正常工作下所述五电平逆变器的输出相电压波形进行比较，确定发生开路故障的所述h桥子模块，根据所述二极管电压波形的总谐波失真，确定发生开路故障的所述二极管。2.根据权利要求1所述的具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器，其特征在于：其中，所述总谐波失真的计算公式如下：式中thd为总谐波失真，u1为基波分量，u2、u3...u
n
为不同频率的谐波分量。3.根据权利要求1所述的具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器，其特征在于：其中，根据所述总谐波失真判断所述五电平逆变器是否发生开路故障的过程为：当所述基波频率为50hz，最大谐波检测频率为1000hz时，若所述输出相电压波形的所述总谐波失真小于20％，则所述五电平逆变器未发生开路故障，若所述输出相电压波形的所述总谐波失真大于20％且小于40％，则所述五电平逆变器的一个所述igbt器件发生开路故障，若所述输出相电压波形的所述总谐波失真大于40％，则所述五电平逆变器的两个所述igbt器件发生开路故障。4.根据权利要求1所述的具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器，其特征在于：其中，所述确定发生开路故障的所述二极管的过程为：当所述基波频率为50hz，最大谐波检测频率为1000hz时，若所述二极管电压波形的总谐波失真大于130％，则所述二极管发生开路故障。5.根据权利要求4所述的具有igbt开路故障诊断的级联型五电平逆变器，其特征在于：其中，在一个所述h桥子模块中，所述电压传感器分别与所述h桥子模块的上半桥或下半桥的两个所述二极管并联，采集所述二极管的电压波形作为所述二极管电压波形，若所述h桥子模块的一个所述igbt器件发生开路故障，且所述h桥子模块的两个所述二极管电压波形的总谐波失真均小于130％，则所述二极管电压波形对应的工作中的所述igbt器件未发生开路故障，判定工作中的另一个所述igbt器件发生开路故障。

技术总结
本发明提供了一种具有IGBT开路故障诊断的级联型五电平逆变器，具有这样的特征，包括：五电平逆变电路模块，包括三个五电平逆变器，五电平逆变器由两个H桥子模块构成；H桥子模块，包括全桥结构和并联电容器；检测模块，包括多个电压传感器，采集五电平逆变器的输出相电压波形和二极管的两端的电压波形；故障诊断模块，根据输出相电压波形的总谐波失真判断五电平逆变器是否发生开路故障，将输出相电压波形和正常工作下五电平逆变器的输出相电压波形进行比较，确定发生开路故障的H桥子模块，根据二极管电压波形的总谐波失真，确定发生开路故障的二极管。总之，本级联型五电平逆变器能够更加准确快速地诊断出发生开路故障的IGBT器件。件。件。


技术研发人员：罗韡 刘宇凡 马毓琛
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：2023.02.09
技术公布日：2023/7/19