1引言

　　隨著控制理論的不斷完善，控制系統(tǒng)的故障診斷方面的研究越來越引起了人們的重視，并且相繼取得了很多研究成果。然而，正如文獻(xiàn)1中所提到，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)，目前取得的成果主要集中在線性系統(tǒng)上，而針對(duì)非線性系統(tǒng)的研究則鮮見于文獻(xiàn)。由于應(yīng)用上的難度和電力電子本身存在的非線性等因素，電力電子作為現(xiàn)代控制中的重要技術(shù)手段，對(duì)其進(jìn)行故障診斷方面的研究卻遲遲沒有進(jìn)行。本文從理論和實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，先對(duì)電力電子系統(tǒng)的故障進(jìn)行了分析，然后針對(duì)具體的某一類故障，設(shè)計(jì)出一種基于模型的故障診斷方法。仿真結(jié)果表明，文中提出的方法是行之有效的。

　　2電力電子系統(tǒng)的故障分析

　　電力電子系統(tǒng)集成是為了解決目前電力電子技術(shù)領(lǐng)域勞動(dòng)密集和技術(shù)密集的現(xiàn)狀，以促進(jìn)電力電子技術(shù)的發(fā)展。是人們從電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程中受到啟示，希望系統(tǒng)集成的技術(shù)在電力電子技術(shù)中也有類似的效應(yīng)：即通過提高集成度，大大提高電力電子系統(tǒng)的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，達(dá)到降低成本和提高可靠性的目的，同時(shí)促進(jìn)電力電子技術(shù)的發(fā)展。從電力電子系統(tǒng)集成產(chǎn)生的背景看，電力電子系統(tǒng)集成的研究具有一定的優(yōu)勢(shì)，可以將電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域先進(jìn)的、成熟的集成相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)集成中，以加快電力電子系統(tǒng)集成的發(fā)展。本文對(duì)電力電子系統(tǒng)集成中的操作系統(tǒng)、分布式控制技術(shù)、先進(jìn)設(shè)計(jì)方法和通信技術(shù)進(jìn)行了探索性的研究，得出了一些有意義的研究成果。提出了電力電子系統(tǒng)集成軟件系統(tǒng)應(yīng)采用多任務(wù)系統(tǒng)的形式，為此將電力電子操作系統(tǒng)引入電力電子系統(tǒng)集成。對(duì)電力電子操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度策略進(jìn)行了研究，提出了基于中斷和優(yōu)先級(jí)可搶占的實(shí)時(shí)調(diào)度策略，解決了目前已有實(shí)時(shí)調(diào)度策略不能滿足電力電子操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的問題。

　　電力電子系統(tǒng)中故障的來源是多方面的，下面以一個(gè)常用的電壓反饋型逆變器控制系統(tǒng)為例來分析主要故障。

　　圖1中列出了這個(gè)電力電子控制系統(tǒng)中通?？赡艹霈F(xiàn)的8種故障Fi（i=1,2,…，8），其中除F5故障用開關(guān)斷開表示外，其它故障用開關(guān)閉合來表示。這些故障是：

　　F1輸入電壓?jiǎn)蜗嘟拥毓收希?/P>

　　F2整流二極管短路故障；

　　F3直流接地故障；

　　F4直流濾波電容短路故障；

　　F5GTR基極開路故障（無驅(qū)動(dòng)信號(hào)）；

　　F6GTR短路故障；

　　F7電動(dòng)機(jī)線間短路故障；

　　F8電動(dòng)機(jī)單相接地故障。

　　上面列出的故障沒有考慮電機(jī)內(nèi)部的故障。事實(shí)上，在電力電子裝置的實(shí)際設(shè)計(jì)中會(huì)加上許多保護(hù)電路，如短路保護(hù)，過電流/電壓保護(hù)等。文獻(xiàn)6中對(duì)其中為重要的四種故障（F1、F2、F5、F6）在電路理論上進(jìn)行了分析，但其分析只是概述性的，還有更多具體的工作需要進(jìn)一步的研究。例如，如果GTR出現(xiàn)單臂基極開路故障，系統(tǒng)是能夠繼續(xù)降性能運(yùn)行的，此時(shí)由于相電壓中產(chǎn)生很大的直流分量，在電機(jī)上將產(chǎn)生直流脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)系統(tǒng)是有害的，因此要及時(shí)分離出故障臂，排除故障。

　　3三相逆變器的故障診斷

　　31三相逆變器的Kalman模型

　　三相逆變器是電力用大功率逆變電源，主要用于軍隊(duì)；通信；工廠和企業(yè)不間 斷電源系統(tǒng)。主要由電力電子器件；巨型晶體管和可關(guān)斷晶閘管組成主電路，是電力半導(dǎo)體器件發(fā)展的結(jié)晶。

　　三相逆變器在正常工作時(shí)，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖中Qi（i=1,2,3,4,5,6）是開關(guān)器件，電阻R為負(fù)載，電感L、電容C組成濾波電路（這樣的負(fù)載在UPS中很常用），Us為直流側(cè)的供電電源，在圖1中為濾波電容兩端電壓Ud.

　　取電路中uc1,uc2,uc3,iL1,iL2,iL3作為狀態(tài)量，U1,U2,U3作為控制量，iL1,iL2,iL3作為輸出量，則系統(tǒng)可采用下面的Kalman模型進(jìn)行描述：

　　x=Ax+Bu

　　y=Cx

　　式中：x∈R6,u∈R3,y∈R3,

=∈R6×6,

B=∈R6×3，

　　C=∈R3×6,I3∈R3×3

　　32三相逆變器的故障模型

　　對(duì)于上述逆變器，根據(jù)前面的討論可知，它可能發(fā)生的故障主要是F5或F6.其中當(dāng)出現(xiàn)F6時(shí)，由于會(huì)立即出現(xiàn)電源間短路，保護(hù)電路會(huì)迅速起動(dòng)，關(guān)閉系統(tǒng)的運(yùn)行，因此對(duì)其進(jìn)行故障檢測(cè)和分離的意義不大。下面我們針對(duì)F5進(jìn)行分析。

　　當(dāng)逆變器某一個(gè)晶體管出現(xiàn)基極開路故障時(shí)（以Q3為例），負(fù)載電流將不再為正弦波形。如果此時(shí)相電流iL2>0,則iL2無法連接到電源的正端，從而iL2迅速衰減到0.在這個(gè)過程中，電流控制器的輸出要增大以補(bǔ)償iL2的衰減。系統(tǒng)正常工作設(shè)逆變器各相產(chǎn)生的PWM控制電壓為ui=Vi（i=1,2,3），則當(dāng)某相上臂GTR出現(xiàn)基極開路故障時(shí)，該相控制電壓變?yōu)椋憾?dāng)其中一相下臂GTR出現(xiàn)基極開路故障時(shí)，該相控制電壓為：而當(dāng)其中一相下臂GTR出現(xiàn)基極開路故障時(shí)，該相控制電壓為：因此，系統(tǒng)在故障情形下，狀態(tài)方程為：其中　　對(duì)于由式（4）（5）組成的系統(tǒng)Σ，我們有如下定義和定理。

　　定義1對(duì)于系統(tǒng)Σ，當(dāng)它只發(fā)生單故障時(shí)，如果對(duì)于ik,jk,i≠j,fi（t）引起的系統(tǒng)響應(yīng)Yi（t）與fj（t）引起的系統(tǒng)響應(yīng)Yj（t）不相同，即Yi（t）≠Yj（t），則稱故障向量fi（t）和故障向量fj（t）是可區(qū)分的。如果任意兩個(gè)向量是可區(qū)分的，則稱系統(tǒng)為單故障源可隔離的。

圖3系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)正常與故障相電流觀測(cè)誤差

　?。╝）系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)未出故障相電流的觀測(cè)誤差（b）Q1、Q3或Q5出現(xiàn)基極開路故障時(shí)對(duì)應(yīng)相電流觀測(cè)誤差

　?。╟）Q4、Q6或Q2出現(xiàn)基極開路故障時(shí)對(duì)應(yīng)相電流觀測(cè)誤差（d）Q1、Q3或Q5出現(xiàn)基極開路故障時(shí)對(duì)應(yīng)相電流觀測(cè)誤差（放大）

　　定理1對(duì)于系統(tǒng)Σ，如果是由一組方程式（6）來描述的故障向量，則Σ是單故障可隔離的。

　　證明：對(duì)一組方程式（6）所描述的向量，顯然對(duì)于任意ik,jk,i≠j,（k=6），由于fi（t）≠fj（t），因此各自引起的系統(tǒng)響應(yīng)有Yi（t）≠Yj（t），所以根據(jù)定義1可知Σ是單故障可隔離的。

　　33故障觀測(cè)器的設(shè)計(jì)

　　對(duì)于故障系統(tǒng)Σ，我們采用如下形式的標(biāo)準(zhǔn)Luenberger觀測(cè)器。=A+Bu+D（y-）=A+Bu+D（Cx-C）則可以得到：ex（t）=（A-DC）ex+fi（t），ey=Cex,其中ex=x-,ey=y-.我們?cè)O(shè)計(jì)的目標(biāo)是選擇合適的矩陣D使得A-DC為穩(wěn)定矩陣。設(shè)D=[D1D2}T,D1,D2∈R3×3則：

A－DC=(8)

    從式（8）可以看出，如果我們?nèi)1=I3，D2=dI3(d>0)，則觀測(cè)器是收斂的。從而得到誤差方程的解為：ex(t)=e(A－DC)ex(0)＋e(A－DC)(t－τ)fi(τ)dτ→e(A－DC)(t－τ)fi(τ)dτ(9)ey(t)=Ce(A－DC)ex(0)＋Ce(A－DC)(t－τ)fi(τ)dτ→Ce(A－DC)(t－τ)fi(τ)dτ(10)

　　所以，如果fi（t）=0,ex（t）→0,ey（t）→0;如果fi（t）≠0,則根據(jù)定理1,我們可以從輸出的觀測(cè)誤差中檢測(cè)并分離出故障，明確定位出發(fā)生基極開路故障的GTR.

　　4仿真結(jié)果

　　從下面的仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在無故障情況下，各相電流觀測(cè)誤差均能夠快速收斂到0.即使某一相發(fā)生F5型故障，其他無故障相電流觀測(cè)誤差仍然不受影響地收斂到0〔圖3（a）〕。圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）中在1s時(shí)刻發(fā)生故障，從中可見，突變方向表示了上臂GTR故障和下臂GTR故障之間的不同，因此可以用來準(zhǔn)確確定故障源。

　　5結(jié)語

　　盡管控制系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)在各方面取得了進(jìn)展，但其在電力電子系統(tǒng)方面的應(yīng)用研究卻不多見，這與電力電子技術(shù)被廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀是不協(xié)調(diào)的。由于電力電子系統(tǒng)故障必然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)與輸出量中各基波量和諧波量的變化，因此，如果采用基于信息處理的故障診斷方法來進(jìn)行這方面的故障診斷，這也是現(xiàn)在尚未開展但又可行而有意義的研究方向。本文采用的基于觀測(cè)器的故障診斷方法，從理論分析和仿真結(jié)果來看，都不失為一種行之有效且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的方法，可以直接結(jié)合到控制系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。