西南交通大學(xué)劉志剛教授的科研團(tuán)隊(duì)提出了一種雙重化脈沖整流器多管開路故障快速診斷方法，該方法將門極信號(hào)與交流側(cè)電壓的變化情況作為故障特征信號(hào)生成的依據(jù)，可迅速實(shí)現(xiàn)功率管單管、雙管及多管故障的準(zhǔn)確定位，且不受負(fù)載突變影響；研究利用上海遠(yuǎn)寬的StarSim電力電子小步長(zhǎng)實(shí)時(shí)仿真器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的IGBT開路故障診斷方法的正確性。

本成果總結(jié)發(fā)表于《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》：陳濤，劉志剛，胡軻珽，張雨婷. 一種雙重化脈沖整流器多管開路故障快速診斷方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào). 已錄用。

該應(yīng)用結(jié)合NI高性能的PXI平臺(tái)和FPGA硬件以及合作伙伴遠(yuǎn)寬能源的StarSim小步長(zhǎng)仿真技術(shù)，幫助用戶搭建電力電子HIL和RCP仿真測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)能夠以1μs以下的步長(zhǎng)準(zhǔn)確模擬變流器故障，幫助用戶快速完成算法驗(yàn)證的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，從而有效縮短用戶科研時(shí)間，助力用戶高階科研探索和創(chuàng)新，為科研論文的發(fā)表提供可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1、IGBT開路故障診斷研究意義與現(xiàn)狀

隨著我國(guó)高速鐵路的迅速發(fā)展，動(dòng)車組的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。一般來(lái)說(shuō)，CRH3型動(dòng)車組（Electric Multiple Units, EMUs）牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中整流部分均采用雙重化脈沖整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其主電路功率管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是電力電子裝置系統(tǒng)中最脆弱的結(jié)構(gòu)。由于雙重化脈沖整流器中的IGBT長(zhǎng)期在電磁干擾、多種惡劣環(huán)境下運(yùn)行，極易發(fā)生故障。而IGBT作為核心部件，其故障主要分為短路故障和開路故障。現(xiàn)有的IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電路針對(duì)短路故障已集成了硬件保護(hù)和監(jiān)控裝置，但是開路故障會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流畸變、直流側(cè)電壓幅值降低和波動(dòng)增大，從而引發(fā)二次故障。為提高系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT開路故障的有效診斷十分重要。

現(xiàn)有研究中很少對(duì)多個(gè)IGBT開路故障進(jìn)行關(guān)注，而對(duì)于雙重化脈沖整流器來(lái)說(shuō)，其相比單重化兩電平脈沖整流器增加了一個(gè)整流單元，故障情況較多，故障定位的難度有所加大，故對(duì)于雙管、多管故障的診斷也不可忽視。

2、雙重化脈沖整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與原理

雙重化脈沖整流器是通過(guò)變壓器耦合的方式將兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的整流單元按并聯(lián)的方式組合，其原理為：各單元整流器采用共同的調(diào)制波，將兩個(gè)整流器的三角載波相位相互錯(cuò)開π/2的相位角。這樣做的好處是，可使脈沖整流器輸入電流的高次諧波互相錯(cuò)開，并在變壓器一次電流的諧波總量中部分諧波相互抵消，在鐵路系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。

瞬態(tài)直接電流控制(transient current control strategy，TCCS)具有拓?fù)浜?jiǎn)單、能夠有效抑制二次牽引繞組的諧波電流，直流側(cè)紋波電壓較小，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，CRH3型動(dòng)車組通常采用該方法。

在此研究中，主電路模型如圖所示：

3、故障診斷方法設(shè)計(jì)與結(jié)果

傳統(tǒng)的單相脈沖整流器IGBT開路故障診斷中一般只考慮單管或雙管故障，對(duì)于多管故障研究很少涉及，西南交大劉志剛團(tuán)隊(duì)提出的故障診斷方法綜合考慮了多種功率管開路故障情況，通過(guò)對(duì)脈沖整流器正常模式和多種功率管開路故障情況下的IGBT門級(jí)脈沖信號(hào)和交流線電壓Uab進(jìn)行分析，構(gòu)建故障特征向量表達(dá)式。

例如，對(duì)于上述所示工況，在門級(jí)脈沖S1S3都為高電平時(shí)，交流電流為負(fù)的情況，正常Uab電壓應(yīng)該為0；但當(dāng)T1管故障時(shí)，Uab將為-Udc；在脈沖S1高S3低時(shí)，交流電流為負(fù)的情況,正常交流電壓應(yīng)該為+Udc，但當(dāng)T1管故障時(shí)，Uab將為0。具體如下圖所示，下圖實(shí)線為正常的Uab波形，虛線為T1管故障時(shí)的Uab波形。

其它的故障情況和特征向量表達(dá)式詳細(xì)推導(dǎo)詳見(jiàn)西南交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)發(fā)表的文章。

4、基于任意拓?fù)湫〔介L(zhǎng)實(shí)時(shí)仿真的故障診斷方法驗(yàn)證

研究在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，模擬了在負(fù)載突變、不同IGBT故障情況下，網(wǎng)側(cè)電壓、電流、直流側(cè)電壓及故障特征信號(hào)的變化情況，并驗(yàn)證了所提診斷方法的可行性和魯棒性。一般來(lái)說(shuō)，IGBT故障這種實(shí)驗(yàn)一般較難在實(shí)物系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)；純軟件仿真又有無(wú)法接入真實(shí)控制器的缺點(diǎn)，較難反應(yīng)出真實(shí)控制器中的延遲和有限精度。實(shí)時(shí)仿真器可以同真實(shí)控制器連接，又不會(huì)有故障實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)的問(wèn)題，是IGBT開路故障診斷方法驗(yàn)證的理想測(cè)試設(shè)備。

任意拓?fù)湫〔介L(zhǎng)實(shí)時(shí)仿真對(duì)于IGBT故障診斷方法驗(yàn)證的重要性

電力電子系統(tǒng)通常含有高速動(dòng)作的開關(guān)元件，其實(shí)時(shí)仿真有一定挑戰(zhàn)，通常有兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真，一種是基于PWM占空比測(cè)量的平均值大步長(zhǎng)方法，一種是基于細(xì)節(jié)模型的小步長(zhǎng)實(shí)時(shí)仿真。

對(duì)于IGBT開路故障檢測(cè)來(lái)說(shuō)，它需要檢測(cè)到瞬時(shí)電路反應(yīng)，而不是經(jīng)過(guò)大步長(zhǎng)平均的信號(hào)，因此基于PWM占空比的平均值大步長(zhǎng)方法不適用于此研究。同時(shí)實(shí)時(shí)仿真器要能夠仿真各種故障工況，或者說(shuō)任意的拓?fù)浣M合；一些只能仿真正常工況的實(shí)時(shí)仿真器也不適用。

遠(yuǎn)寬能源（www.modeling-tech.com）提供的StarSim實(shí)時(shí)仿真器，基于電力電子器件的細(xì)節(jié)模型，利用最新的FPGA技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)1微秒步長(zhǎng)、任意拓?fù)?、任意工況的電力電子系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真，被廣泛應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)故障診斷、控制策略驗(yàn)證、可再生能源并網(wǎng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等的實(shí)時(shí)仿真中；西南交通大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)就采用了StarSim電力電子實(shí)時(shí)仿真器來(lái)進(jìn)行所提出的雙重化脈沖整流器多管開路故障快速診斷方法的試驗(yàn)驗(yàn)證。

5、驗(yàn)證過(guò)程和結(jié)果

下圖是HIL+RCP測(cè)試平臺(tái)示意圖，其包括實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)HIL和快速原型控制器RCP， 其中電力電子系統(tǒng)是利用StarSim FPGA Solver按1微秒的步長(zhǎng)實(shí)時(shí)仿真；控制算法模型運(yùn)行在RCP控制器上，實(shí)時(shí)仿真器和快速原型控制器通過(guò)真實(shí)的物理IO互連。

下圖為在小步長(zhǎng)實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的不同IGBT故障情況下的網(wǎng)側(cè)電壓電流、直流側(cè)電壓以及故障特征信號(hào)的實(shí)驗(yàn)波形。

由圖(a)和(b)可以看出，網(wǎng)側(cè)電壓電流、直流側(cè)電壓實(shí)驗(yàn)波形在故障前后符合理論分析結(jié)果，且故障特征信號(hào)會(huì)迅速反應(yīng)故障并準(zhǔn)確地定位到故障IGBT，驗(yàn)證了故障診斷方法的有效性。