本文是一篇电力论文，笔者针对高速铁路动车组牵引逆变器的故障情况，以NPC型三电平逆变器为研究对象，对其故障发生最为频繁的IGBT开关管故障情况进行分析研究。从故障诊断和容错运行控制分析角度进行分析。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
从2008年8月1日，京津城际铁路作为国内首条350公里/小时的高速铁路建设运营以来，国内高速铁路开启在全国大陆地区快速发展的趋势。截止2020年末，我国高速铁路已有3.79万公里的运营里程总长，相当于在“十三五”期间翻了将近一倍，稳居全球首位。伴随高速铁路的大量投入运行，高速列车作为铁路客运的重大移动装备，获得更加广泛的应用。当我国高铁实现了第6次速度大提高之后，CRH系列动车组便被投入运营。目前我国有以CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等为典型代表的多种CRH系列动车组车型，高速动车组(Electric Multiple Units, EMUs)作为高速铁路运行的工具，它的运行工况越来越复杂，其安全性和可靠性关系到整个高速铁路的行车安全[1]。
电力牵引传动系统为动车组提供原动力，上世纪80年代，我国成功研制出以交-直-交变流器为电力牵引系统的机车原车型，截止目前，我国高速铁路动车组的牵引传动系统仍然使用交-直-交变流器。如图1.1所示，为我国高速铁路牵引传动系统与相关设备结构图。
1.2 国内外研究现状
牵引变流器IGBT故障诊断从1996年开始出现相关研究，近二十多年一直是研究热点。目前现有的故障诊断方法大多分为基于硬件和软件两种，提取故障特征量、识别故障特征，判断系统是否已经发生故障并找寻相关故障点。故障发生后，为进一步控制故障对系统的二次损害，使系统可以在常规运行状态下或者较小的性能损失下维持其原有特性继续运行，制定相关容错控制方案对故障器件实施故障隔离。
目前对于各种变频器的故障诊断及容错控制相对成熟，例如风电变频器、三相整流器等[6]，但针对高速铁路特定三电平变流器的相关研究还是较少。IGBT开路故障和短路故障是牵引变流器中最常见的两个故障，由于发生轻微短路故障后，触发模块内部的保护性集成电路工作，保险丝断裂开短路故障转变为开路故障，当短路故障发生更严重时，由于保护性集成电路不起作用而导致系统运行完全瘫痪，数据状态也无法储存，甚至无法检测故障[7]。因此国内外大多研究主要针对变流器IGBT开路故障展开，针对不同的变频器也需要设计不同的诊断方法和容错方案。
1.2.1 故障诊断技术
1990年，德国P.M.Frank教授提出，故障诊断技术主要包括了基于模型解析、基于信号处理和基于知识处理的三种方法。
基于模型解析的诊断方法，通过建立系统动态模型，构建先验信号和实际测量信号的残差，比较设定阈值与残差信号确定故障点。文献[8-10]建立基于电压特征的逆变器解析模型，根据预测电压和实际电压比较，利用电压残差对故障进行检测。文献[11,12]基于状态观测器、滑模观测器对电流信号进行检测，利用残差矢量的方法对故障进行定位。文献[13,14]将键合图模型应用于开关管故障诊断，得到符合能量守恒的系统行为约束方程，比较系统的实际行为和预期行为产生故障识别量。文献[15]建立电力电子电路的混合逻辑动态模型，先选择三相电流作为故障特征并进行故障检测，再通过不同位置的IGBT故障后的不同特征确定故障。
2 牵引逆变器建模与故障分析
2.1 牵引逆变器数学建模
NPC型三电平牵引逆变器的主电路拓扑结构如图2.1所示，主要有直流侧，逆变侧和交流侧构成。图2.1中，du是直流侧电压，1C、2C为支撑电容，nI(na、b、c)为逆变器输出侧三相相电流，n1S、n2S、n3S、n4S是开关器件，n1VD、n2VD是钳位二极管。
CRH2型高速动车组原动力采用了交-直-交牵引传动系统，该牵引传动系统的逆变器为中点钳位式(NPC)三电平逆变器。在列车牵引工况下，整流器设备产生的直流电经逆变器变换为三相交流电，供给负载牵引电机，在列车再生制动工况下，三相交流电通过逆变器转换为直流电，通过整流设备传送反馈到牵引供电网[2]。与传统的两电平逆变器比较，三电平逆变器因有更多的开关管，很大程度上降低了开关的频率，具有承受电压高的优点，但故障仍然频繁发生。其内部12个IGBT是最易发生故障的薄弱器件。
该牵引逆变器的直流母线侧电容内都蕴藏了巨大电能，当出现故障后，短路电流蕴藏的巨大的电能会造成牵引传动系统出现二次故障甚至引起整个系统工作崩溃[52,53]。能否第一时间准确的找出故障发生点，并采取相应预防措施，对于提高系统的可靠性有着关键作用。本章主要通过对NPC型三电平逆变器的数学模型分析研究，对比正常运行状态和故障模式下的电气量波动变化，选取合适的故障特征量，为后续故障诊断工作奠定基础。
2.2 IGBT模块开路故障分析
以图2.1三电平牵引逆变器主电路拓扑结构图为例进行故障分析，对于开关管IGBT开路故障分类如下：
(1) 单独一个开关管发生开路故障，共12种模式，例：a1S、a2S等。
(2) 单相桥臂的上、下半桥分别有1个开关管出现开路故障，共12种模式，例：a1S和a3S、a2S和a3S等；单相桥臂的上半桥或者下半桥的2个开关管出现开路故障，共6种模式，例：a1S和a2S、a3S和a4S等；不同两桥臂2个开关管出现开路故障，有48种模式，例：a2S和b1S、a1S和c1S等。
(3) 不同桥臂3个开关管故障，有64种模式，例：a1S、b1S和c1S等；不同两桥臂分别有1个、2个开关管开路故障，共144种模式，例：a1S、b1S和b2S等。
三电平逆变器共有12个功率管，实际运行工作中牵引逆变器单元发生故障的状况多为1个或2个IGBT开路故障，而3个及以上功率管故障的现象则极少，对于多管故障情况的诊断通常指2个IGBT故障情况，以下将分别对CRH2型动车组的牵引逆变器单管和双管故障情况进行分析研究。
3 基于信号分析的IGBT开路故障诊断 .......................... 18
3.1 小波包熵及优化的神经网络 ................................ 18
3.1.1 小波包熵 ........................................ 18
3.1.2 优化神经网络 ................................ 21
4 基于空间矢量的容错控制 .................................. 31
4.1 空间矢量法 .................................. 31
4.2 IGBT开路故障空间矢量 ............................... 32
结论 ............................ 39
4 基于空间矢量的容错控制
4.1 空间矢量法
图2.1给出了NPC型三电平牵引逆变器接三相对称负载的电路图，下面将结合这一拓扑结构具体分析NPC型三电平牵引逆变器电路的空间电压矢量故障特征，提出容错运行方法。
根据表2.1分析可知，NPC型三电平牵引逆变器每相都能输出“1 0 -1”三种电平，分别对应“P O N”三种开关状态。三个桥臂各输出一种状态，输出的状态与三相桥臂组合后共有27种结果，组合后可以用空间电压矢量表示，分别对应于27个空间电压矢量，根据矢量模的大小可以对其分成以下四种类型，如表4.1所示。
结论
针对高速铁路动车组牵引逆变器的故障情况，以NPC型三电平逆变器为研究对象，对其故障发生最为频繁的IGBT开关管故障情况进行分析研究。从故障诊断和容错运行控制分析角度进行分析。建立了CRH2型动车组牵引传动系统模型，分析故障类型，选取逆变器输出侧三相电流作为故障诊断电气量。提出了一种基于小波包能量熵及双重优化的神经网络的三电平逆变器开路故障诊断方法。从空间电压矢量角度出发，分析容错运行方案。通过仿真实验采集故障数据，建立故障诊断模型，验证了本文所提出的诊断方法的有效性并与相关参考文献进行比较验证，实现了对CRH2型动车组牵引逆变器所有单管以及双管的故障诊断，主要工作内容如下：
(1) 建立CRH2型动车组三电平牵引逆变器的数学模型，分析NPC型三电平牵引逆变器的换流路径，根据电流流向分析所有单管以及双管故障情况下，该逆变器电气量的变化特征。结果表明，当逆变器发生IGBT开路故障后，逆变器的运行拓扑结构发生改变，使得逆变器输出侧电流波动变化明显，并通过仿真验证了理论推导的合理性。
(2) 采用基于信号处理的方法对三电平逆变器进行故障诊断，完成了基于小波包熵提取故障信号以及BP神经网络识别故障信号的诊断。在此基础上提出了一种双重优化BP神经网络的故障诊断方法，结合PSO算法和GA算法对BP神经网络的权值和阈值进行优化。仿真结果表明，所提出的优化方法在准确率以及抗干扰性、实时性等各性能方面更优，为后续研究和实际应用提供可靠的参考价值。
(3) 基于空间矢量对NPC型三电平牵引逆变器正常情况以及故障模式下的电压矢量进行分析。采用连接故障桥臂与直流母线的方法使得该三电平牵引逆变器单相单管故障和同相同半桥臂双管故障情况下，可以容错降额运行。
参考文献（略）
