使用归一化相电流变化趋势的三相电流源逆变器短路故障诊断方法

《Machines》：A Short-Circuit Fault Diagnosis Method for Three-Phase Current-Source Inverters Using Normalized Phase Current Variation Trends

　　

研究人员提出了一种基于归一化相电流极性和变化趋势的三相电流源逆变器（CSI）开关短路故障（SCF）快速诊断与定位方法。在短路故障条件下，两个同极性相电流的变化趋势从相反（正常）变为相同。为捕捉这一特征，研究人员提出了一种自适应幅值归一化方法，该方法自适应区分正常负载变化与故障条件，并选择相应的归一化策略，在保留极性和趋势的前提下输出恒定幅值的三相电流。理论工作扇区由电流极性确定，故障开关通过两个同极性电流变化趋势的符号进行定位。该方法适用于单开关和多开关故障。在3A、50Hz CSI样机上的实验显示，平均定位时间为15ms（0.75周期），在负载（10–30Ω）和频率（25–50Hz）变化下可实现准确诊断，且无需额外硬件，证明其有效性。

三相电流源逆变器（CSI）广泛应用于交流电机驱动与可再生能源发电系统，其可靠运行对系统安全至关重要。目前，开关器件故障分为开路故障（OCF）和短路故障（SCF）。电压源逆变器（VSI）中的SCF和CSI中的OCF特征明显、危害严重；而VSI中的OCF和CSI中的SCF特征不明显，但长期存在易诱发二次故障。现有研究多聚焦于VSI的OCF诊断，针对CSI开关器件SCF的诊断方法相对有限。基于开关器件自身故障特性的方法诊断速度快，但需额外采样电路，增加成本与潜在故障点。基于电路拓扑约束的方法分为电压法和电流法：电压法诊断快但需额外电压采样；电流法诊断CSI的SCF时，现有方法响应较慢（如文献[22,23]）。因此，研究人员提出一种无需额外采样电路、能快速诊断定位CSI短路故障的方法。该研究通过分析正常与故障条件下三相电流的极性和变化趋势，发现SCF时同极性两相电流的变化趋势由相反变为相同，并基于此提出自适应归一化方法与故障定位策略。实验在3A、50Hz CSI样机上验证，平均定位时间15ms，在负载（10–30Ω）和频率（25–50Hz）变化下均能准确诊断，且适用于多开关故障。论文发表在《Machines》。主要关键技术方法包括：（1）滑动窗口采样与自适应幅值归一化模式管理：通过构建幅-深指标、变化率指标、固定比例结构指标及近零崩溃指标，定义高风险条件，在瞬时归一化模式与保持值归一化模式间自适应切换，有效抑制负载变化引起的幅值波动，同时保留故障导致的结构异常；（2）阶梯量化与记忆趋势提取：将归一化相电流信号等分为18级阶梯区间，引入阶梯确认机制（连续三个采样点一致才更新）和记忆趋势定义（避免零趋势频繁重置），提取离散趋势特征；（3）基于极性与趋势的故障定位表：通过最大相电流及其极性确定理论工作扇区，计算同极性电流趋势的乘积，若同号则判定为SCF，再结合扇区与趋势符号定位具体故障开关（如表6所示）。实验平台采用buck变换器提供输入电流，DSP（TMS320F28335）和FPGA（XC6SLX92TQG144C）实现控制与检测，输出电流由SVPWM控制。研究结果部分：
**4.1 实验波形分析**：通过3A、50Hz CSI样机验证，参数如表格7所示。阈值根据实验平台选取，通用应用需重新校准。
**4.1.1 单开关故障诊断结果**：当S1发生SCF时，三相电流与扇区信号变化，提取的趋势信号及故障输出成功定位为S1 SCF；S2 SCF实验同样正确识别。
**4.1.2 多开关故障诊断**：S1和S2同时短路时，提取出两个故障特征，根据与单开关故障特征的对应关系，准确诊断为S1和S2 SCF；S1和S3同时短路实验亦成功诊断。
**4.1.3 动态性能测试**：变负载条件下（电流幅值变化但相位关系正常），方法无虚警；变频率条件下（25–50Hz连续变化），归一化后幅值恒定仍保留频率变化特征，趋势信号随频率变化，但故障定位依然准确。实验输出与理论分析（表6）一致。
**4.2 与其他方法比较**：本方法无需额外采样电路，适应负载和频率变化，适用于多开关故障，平均定位时间约15ms，比文献[22]快25–50%，比[23]快15–20%，在硬件简洁性、工况适应性、故障覆盖性和定位速度间取得良好平衡。
**6 讨论**：该方法的局限性在于单相过载情况下，该相电流显著变小，归一化后变化缓慢，可能降低相对趋势估计精度并延迟诊断，这是未来改进方向。此外，实验未考虑极端噪声或传感器偏移等更严苛非理想条件，需进一步硬件验证。
**5 结论**：本文提出了一种基于归一化相电流极性和变化趋势的故障定位方法，该方法源于CSI的电路拓扑约束。研究表明，SCF发生后，同极性两相电流的变化趋势在特定工作扇区呈现一致符号特征。基于该故障特征，所提诊断方法具有良好的可解释性。该方法无需额外采样电路，因此实施成本低。对于多开关SCF，其诊断响应速度也优于传统方法。实验结果表明，该方法能准确定位故障开关，并且在输出电流幅值和频率连续变化的运行条件下保持高鲁棒性。因此，所提方法具有良好的工程应用潜力。