（1）
摘要 功率开关开路故障是影响逆变器可靠性的关键因素之一。有效的故障诊断方法有利于保障容错控制的精准实施，对系统的安全运行至关重要。针对现有三相四线制T型逆变器功率开关开路故障诊断策略诊断变量多、流程复杂的问题，提出基于共模电压残差单类型诊断变量的开路故障定位方法。首先，分析三相四线制T型逆变器单管故障特征，并基于其简化电路，构建故障共模电压残差；同时，通过研究故障模态，引入“脉冲面积”度量，对不同开关故障下逆变器的共模电压残差进行精准量化；此外，为区分各开关故障下的差异性，刻画自适应阈值诊断区域并设计故障检测变量以实现故障开关精准定位。最后，搭建一台10 kW的三相四线制T型逆变器样机进行实验，结果验证了所提诊断方法的有效性与鲁棒性。
关键词：功率开关开路 故障诊断 共模电压残差 三相四线制 T型逆变器
三相四线制逆变器具备零序回路，能够满足三相不平衡负荷对高品质和可靠供电的需求，因此广泛应用于商业和工业电力转换场合[1]。其中，T型三电平逆变器凭借结构紧凑、开关损耗低、输出谐波小等优势，成为中低压功率场合中最具竞争力的电能变换拓扑之一[2-3]。而逆变器可靠性易受功率开关故障影响，导致供电安全性与可靠性受到威胁[4-5]。
功率开关故障分为短路故障与开路故障两类。其中短路故障因具有演变速度快、危险程度大的特点，通常采用完善的硬件保护方法进行处理[6-7]。而开路故障一般表现为过电压、过电流与波形畸变，但设备长时间处于这种异常状态易引发严重的二次故障，需重点关注[8-9]。有效的开路故障诊断策略是容错控制的前提，因此如何快速准确地定位逆变器故障开关尤为重要。目前，国内外针对逆变器功率开关开路故障问题提出了一些方法，根据故障特征提取所需信号类型，现有方法可分为基于电流的诊断方法和基于电压的诊断方法。
基于电流的方法在三相三线制系统中已得到广泛应用，通常利用相电流、中性点电流或电流残差来检测开路故障。其中，基于相电流的方法利用其归一化平均值[10]、变化幅值[11]、矢量轨迹[12-13]、频域属性[14]、零点穿越特性[15]等特征进行开路故障诊断。尽管利用上述电流特征能够实现故障定位，但其诊断时间较长。为了提高诊断速度，基于中性点电流检测的方法被提出。该方法通过增设额外的电流传感器监测直流母线中性点电流进行诊断，虽然有效地缩短了诊断时间，但也相应地增加了诊断成本[16]。为兼顾经济性与快速性，文献[17-18]通过构建电流特征模型，利用电流实际测量值与理论估计值之间的残差定位故障开关。而四线制系统由于涉及零序电流和不平衡问题，三相电流的幅值和相位更加复杂，上述方法难以直接套用。针对此问题，学者们提出了基于电流频谱分析的方法[19]和基于电流矢量几何特征的方法[20]，综合多个诊断变量进行故障定位，提升了算法鲁棒性，但同时也增加了算法复杂度。此外，面向电流的方法始终依赖电流的故障特征进行诊断，因此易受到负载波动的影响。
基于电压的诊断方法克服了三相四线制系统中负载不平衡的干扰。大多数电压诊断方法通过直接测量得到电压信号，并利用测量值与参考值之间的残差进行故障诊断与定位[21-22]。此方法虽然响应速度快，但需增设额外硬件。为降低诊断成本，文献[23-24]通过构建逆变器交流侧输出电压的数学模型，并基于输出电压矢量与占空比的对应关系，实现故障功率开关的定位。由于这两种方法均未考虑建模产生的计算误差，其鲁棒性较弱。为提升方法鲁棒性，基于平均桥臂中点电压的方法被提出[25]，其通过构建模型估计平均电压，并设计考虑多种计算误差的自适应阈值进行比较，以进一步优化诊断方法。而基于相序电压偏差的方法[26]则通过将电路分解为正序、负序和零序模型，利用多个相序分量的残差偏移规律精确定位故障开关管，但该方法在保证鲁棒性的同时，也增加了诊断复杂度。
鉴于此，尽管上述方法能实现故障开关的精确定位，但其定位策略涉及的诊断变量较多，加剧了诊断流程复杂性，增加系统计算负担。为此，本文提出基于共模电压残差单类型诊断变量的开路故障定位方法，实现了对三相四线制T型逆变器中故障开关的精准定位。本文首先介绍了三相四线制T型逆变器单管开关开路故障下低频共模残差机制；基于此，提出基于共模电压残差故障诊断方法，主要包括自适应阈值区域构建和故障检测变量设计；然后，通过实验验证所提诊断方法的有效性；最后，从简易性、经济性和鲁棒性方面，比较了所提方法与现有方法的差异性。
图1为三相四线制T型逆变器拓扑。每相由4个开关管Sxj、4个续流二极管VDxj组成（x=a, b, c；j=1, 2, 3, 4）；Lx为滤波电感，Cx为滤波电容，LN为中线电感，C1、C2为直流侧上、下母线电容；Udc为直流侧电压，ix和iN分别为逆变器x相输出电流以及中线电流；ux和uLx分别为逆变器x相的输出电压和负载电压；N为负载中性点；电流变量正方向如图1所示。定义其开关状态Tx为
（1）
式中，开关状态1、0、-1分别表示逆变器输出电压为+Udc/2、0、-Udc/2。
图1 三相四线制T型逆变器拓扑
Fig.1 Topology of three-phase four-wire T-type inverter
逆变器采用三维空间矢量调制技术[27]。将整个调制空间根据坐标极性划分为8个小立方体空间，每个小立方体空间进一步被划分为6个子区间，三维空间矢量调制与子空间划分如图2所示。最后将划分矢量重新组合得到调制电压。
图2 三维空间矢量调制与子空间划分
Fig.2 Three-dimensional space vector modulation and subspace division
逆变器携带不平衡负载，功率开关Sa1发生开路故障后，三相电流ix和低频共模电压uCM变化情况如图3a所示。正常情况下，共模电压仅在零值附近波动。故障后电流发生畸变，在电流下降区域内，共模电压瞬间变化至故障值。图3b为开关Sa2故障情况，可见，不同开关开路故障发生后的共模电压uCM有所差异。因此，选取低频共模电压作为电路特征量，准确快速地反映逆变器开关故障信息。
图3 开路故障下输出电流与共模电压情况
Fig.3 Output current and common mode voltage under open circuit fault
为量化分析逆变器不同开关开路故障下共模电压变化情况，将逆变器低频共模电压期望值uCMref与端口输出值uCMact的标幺值作差，得到共模电压残差量DuCM为
（2）
基于逆变器简化电路，构建如图4所示的共模电压回路，基于此回路与基尔霍夫定律，得到共模电压实际输出估计值uCMact离散形式为
（3）
式中，iN为中线电流；Ts为开关周期；RCM和RN为寄生电阻，可忽略不计；iCM(n)为第n个采样时刻的共模电流；uLCM为负载共模电压；LCM为等效共模电感，分别表示为
（4）
式中，Lx为三相滤波电感；ix(n)为第n个采样时刻逆变器x相的输出电流，x=a, b, c。
而逆变器低频共模电压期望值uCMref则通过逆变器调制波直接计算得
图4 逆变器输出共模电压简化电路
Fig.4 Simplified circuit for calculating the common-mode voltage output of the inverter
（5）
式中，vx为x相的调制电压，x=a, b, c。
由于各开关故障下的输出共模电压均有所差异，因此针对逆变器输出共模残差DuCM进行量化分析，可实现对故障功率开关的精确定位。
考虑到拓扑对称性，以a相功率开关Sa1故障与Sa3故障进行分析，分别如图5和图6所示，方法可扩展至逆变器所有开关。基于逆变器电流路径变化情况，分析故障模态下脉冲序列变化情况，并引入“共模脉冲面积残差”量化共模电压残差DuCM。其中T0、T1、T2、T3为七段式空间矢量调制基本矢量作用时间，k为中点平衡系数。
图5 Sa1开路故障后脉冲面积变化情况
Fig.5 Changes of pulse area after Sa1 open circuit fault
图6 Sa2开路故障后脉冲面积变化情况
Fig.6 Changes of pulse area after Sa2 open circuit fault
1）Sa1开路故障
开关Sa1开路故障电流路径如图5a所示。故障后，A相桥臂[1]状态下ia正向电流路径将由Sa1（红色路径）改变为Sa2—VDa3（绿色路径），因此，正向电流下，A相桥臂将由[1]状态被强制钳位在[0]状态。
此时，A相由于开路故障，部分脉冲面积无法合成。如图5b所示，该开关周期内低频共模电压等效脉冲面积期望值
与输出值
分别为
（6）
进一步地，可得到故障情况下，低频共模残差理论值DSa1为
（7）
2）Sa2开路故障
开关Sa2故障电流路径情况如图6a所示。A相桥臂[0]状态下ia正向电流路径将由Sa2—Sa3（红色路径）改变为VDa4（绿色路径）。因此，正向电流下，A相桥臂将由[0]状态被强制钳位在[-1]状态。
进一步地，由图6b可知，功率开关Sa2开路故障后，该开关周期内低频共模电压残差理论值DSa2为
（8）
通过对逆变器调制的开关序列分析，得到a相发生单管故障后，任意时刻共模电压残差理论值DSCM_a见表1。基于电路对称性，其他两相共模残差理论值与a相类似，故不再赘述。
基于上述分析可知，开路故障发生后，三电平T型逆变器从正常电平被钳位至故障电平。逆变器输出电压ux变化，致使共模电压残差DuCM偏移至特定值，基于此可实现对不同故障功率开关的区分。
图7展示了三相开关管Sx1故障后各相共模残差理论值DSCM_x，可见，理论值在某些时刻存在交叠区域，导致开路故障后难以识别故障桥臂。
表1 a相故障全区域共模电压残差理论值DSCM_a
Tab.1 Theoretical value of residual common mode voltage DSCM_a in the entire area of phase a fault
故障开关故障时刻残差理论值DSCM_a Sa1区域1, 6T1+T2+T3+0.5(T0-kTs)/Ts 区域2, 5T3+0.5(T0+T1+T2-kTs)/Ts 区域3, 4T2+T3+0.5(T0+T1-kTs)/Ts Sa2区域1, 6k 区域2, 5k 区域3, 4k Sa3区域1, 6-k 区域2, 5-k 区域3, 4-k Sa4区域1, 6T0+0.5(T1+T2+T3-kTs)/Ts 区域2, 5T0+T1+T2+0.5(T3-kTs)/Ts 区域3, 4T0+T1+0.5(T2+T3-kTs)/Ts
图7 三相共模残差理论值DSCM_x
Fig.7 Theoretical value of three-phase common mode residual DSCM_x
为判断故障桥臂，将输出共模电压与a相调制电压之间的相位定义为瞬时共模残差角qCM。正常运行时，逆变器输出三相电压为
（9）
式中，um、w 和q 分别为电压的幅值、频率和初相位。以功率开关Sc1发生开路故障为例，由1.2节的分析可知，c相输出矢量由[1]状态变为[0]状态，故障瞬间逆变器输出共模电压uCM1为
（10）
图8为部分开关故障共模电压的矢量分布情况，由图8可知，开关Sb1产生的瞬时共模残差角qCM1为
（11）
图8 部分开关故障共模残差角qCM
Fig.8 Common mode residual angle qCM of partial switch fault
同理，可进一步得到逆变器各功率开关开路故障发生后的共模残差角qCM，见表2。
表2 各功率开关开路故障下的共模残差角qCM
Tab.2 Common-mode residual angle under open circuit fault of each power switch qCM
故障功率开关共模残差角qCM/rad Sa1, Sa2p Sa3, Sa40 Sb1, Sb25p/3 Sb3, Sb42p/3 Sc1, Sc2p/3 Sc3, Sc44p/3
为实现三相四线制T型逆变器故障开关精准定位，本节构建自适应阈值区域DVth，设计故障检测变量，提出基于共模电压残差单类型诊断变量的开路故障定位方法。该方法适用于三相负载不平衡、输入电压不平衡的三相四线制系统开路故障定位。
自适应阈值区域DVth是基于故障脉冲变化产生的低频共模电压残差理论值DSCM设计。基于1.2节分析，利用控制器中的基本参考矢量作用时间T0、T1、T2、T3，开关周期Ts以及中点平衡系数k计算得到残差理论值DSCM。为了提高诊断算法的鲁棒性，在理论值的基础上考虑计算误差[25]。由采样和延时产生的计算误差e1为
（12）
式中，sLx和sLN分别为滤波电感Lx和中线电感LN的最大电感误差；siL和six分别为负载电流iL和逆变器输出电流ix的最大采样误差；suLx为负载电压的最大采样误差。
由死区时间和延时时间引起的计算误差e2，可计算得到
（13）
式中，TDD和TDL分别为死区时间和延时时间。
结合低频共模电压残差理论值DSCM与计算误差e1与e2得到故障诊断自适应阈值DVth为
（14）
式中，DVthx1和DVthx2分别为x相桥臂自适应阈值的上边界与下边界。
值得注意的是，开关Sx1与Sx4开路故障后，由于合成路径受阻，故障相电流将快速衰减至零值附近。但随着电流逐渐下降，极性发生变化，矢量合成重新恢复正常。上述过程导致故障相电流在零值附近振荡，难以判断状态。
因此，为了提高开路故障诊断方法的准确性，在非功率开关工作区域与零区域将相应故障诊断阈值DVth置高位，从而避免在这些时刻引起误判。
基于1.1节分析，将逆变器共模电压输出值与期望值之间的残差DuCM作为故障检测变量，并提取出共模残差角qCM，以实现对三相四线制T型逆变器单管故障的精准定位。
由1.2节分析可知，任意功率开关发生故障后，逆变器共模电压残差输出值DuCM都会发生变化。因此，设计故障检测标志位Fdet为
（15）
式中，Fdet=0表示DuCM未进入阈值检测区域，为健康状态；Fdet=1则表示DuCM进入阈值检测区域，逆变器存在开路故障。
故障定位步骤分为桥臂故障定位和开关故障定位。基于故障瞬间共模残差角qCM实现初级故障定位，见表3。当桥臂诊断标志Fphase=1时，表明开路故障发生在a相桥臂上；Fphase=2和Fphase=3则分别表明开路故障发生在b相桥臂与c相桥臂上。
表3 共模电压残差角qCM用于桥臂故障定位
Tab.3 Common mode voltage residual angle qCM for bridge arm open circuit fault location
桥臂诊断标志Fphase共模残差角qCM/rad 1（a相）[5p/6, 7p/6] [-p/6, p/6] 2（b相）[9p/6, 11p/6] [3p/6, 5p/6] 3（c相）[p/6, 3p/6] [7p/6, 9p/6]
开关故障定位则是利用共模电压残差输出值DuCM结合自适应阈值区域DVth实现。在故障相电流下降区域内，低频共模电压残差DuCM会基于矢量合成变化落入不同的故障自适应阈值区域内。根据表4，得到开关诊断标志Fs。Fs=1表示残差DuCM进入了开关Sx1诊断阈值区域，判定故障发生在开关Sx1（x=a, b, c）。Fs=2, 3, 4表示情况相似，故不赘述。
表4 功率开关故障定位规则
Tab.4 Fault location rules of power switch
故障开关Sxj开关诊断标志Fs残差量|DuCM|与阈值DVth进行比较 Sx11|DuCM|∈[DVthx2_1, DVthx1_1] Sx22|DuCM|∈[DVthx2_2, DVthx1_2] Sx33|DuCM|∈[DVthx2_3, DVthx1_3] Sx44|DuCM|∈[DVthx2_4, DVthx1_4]
最后，综合桥臂诊断标志和开关诊断标志实现三相四线制T型逆变器故障开关的精确定位。
图9为所提三相四线制T型逆变器开路故障诊断方法流程。首先，基于控制器既有信息，计算逆变器共模电压端口输出值与期望值，得到共模残差DuCM与共模残差角qCM；其次，利用共模电压理论值DSCM与计算误差e 实时更新故障自适应阈值区域DVth，并将零区域置高位处理；最后，基于共模残差DuCM进入阈值区域检测故障，并建立故障判据，最终实现故障开关的精准定位。
图9 基于共模电压的开路故障诊断流程
Fig.9 Open circuit fault diagnosis process based on common mode voltage
为了验证本文所提开路故障诊断与定位方法，搭建了10 kW的三相四线制T型逆变器作为实验平台进行实验，三相四线制T型逆变器实验装置如图10所示。通过闭锁功率开关驱动信号，模拟功率开关开路故障。具体实验参数见表5。实验包括诊断方法有效性验证和鲁棒性验证两部分。
图10 三相四线制T型逆变器实验装置
Fig.10 Experimental device of three-phase four-wire T-type inverter
表5 测试平台主要参数
Tab.5 Main parameters of the testing platform
参 数数 值 额定功率PN/kW10 直流侧电压udc/V400 采样/开关频率fs/kHz10 死区时间TDD/ms2 直流侧电容C1, C2/mF2 300 滤波电感Lx/mH2 滤波电容Cx/mF20 基波频率fac/Hz50
为验证所提诊断方法的有效性，在三相四线制逆变器的常见应用场景中，选取高功率因数工况（cosj =0.9）、低功率因数工况（cosj=0.5）以及不平衡负载运行工况（Pa=2 kW，Pb=1 kW，Pc= 0.5 kW）分别开展故障实验。实验中，诊断标志经过了放大处理，放大倍数kt=5。
图11和图12展示了功率因数cosj=0.9时的实验结果。设置开关Sa1在0.205 3 s发生开路故障，故障波形及诊断结果如图11所示。可见，逆变器正常工作时，诊断阈值区域呈周期性变化，而输出共模电压残差DuCM仅在零值附近波动，并未进入阈值区域。开关Sa1在0.205 3 s发生开路故障后，在a相故障电流线性下降区域，输出共模电压残差DuCM快速增大，进入诊断阈值区域，Fdet=1，表示开路故障被系统辨识。随后，基于故障瞬间共模残差角qCM∈[5p/6, 7p/6]内，桥臂诊断标志Fphase被置1，说明开路故障发生在a相桥臂。且共模电压残差DuCM∈[DVtha2_1, DVtha1_1]的条件被满足，开关诊断标志Fs置1。根据故障定位规则可知，此时开关Sa1故障定位的条件全部满足，因此Sa1被确定为故障开关，诊断时间约为0.08个基波周期。故障定位后，所有阈值区域置高位。
图11 功率因数cosj=0.9时开关Sa1开路故障实验结果
Fig.11 Experimental results of the open circuit fault of the switchSa1 when the power factor is 0.9
图12 功率因数cosj=0.9时开关Sa3开路故障实验结果
Fig.12 Experimental results of the open circuit fault of the switchSa3 when the power factor is 0.9
实验中，设置开关Sa3在0.211 6 s发生开路故障，故障波形及诊断结果如图12所示。可见，正常情况下，输出共模电压残差DuCM仅在零值附近波动，并未进入任何阈值区域。故障发生后，输出共模电压残差DuCM进入诊断阈值区域，Fdet=1，系统辨识开路故障。根据故障相电流下降区域内，共模残差角qCM=0以及残差DuCM处于Sa3诊断阈值区域，桥臂诊断标志Fphase置1，开关诊断标志Fs置3。根据故障定位判据表3和表4可知，开关Sa3故障定位的条件全部满足，因此Sa3被确定为故障开关，诊断时间为0.07个基波周期。故障定位后，所有阈值区域置高位。
图13和图14为功率因数cosj=0.5时的实验结果。设置开关Sa1在0.208 2 s时发生开路故障，故障波形及诊断结果如图13所示。可见，逆变器正常工作情况下，共模电压残差DuCM仅在零值附近波动，并未受到工况变化影响。而开路故障发生后，在a相故障电流线性下降区域，输出共模电压残差DuCM进入诊断阈值区域，Fdet=1，表示开路故障被系统辨识。进一步基于故障时刻共模残差角qCM∈[5p/6, 7p/6]内，桥臂诊断标志Fphase置1，定位开路故障为a相桥臂。随后根据共模残差DuCM处于Sa1诊断阈值区域内，开关诊断标志Fs置1。根据故障定位规则，在0.07个基波周期内可确定开关Sa1发生开路故障。
图13 功率因数cosj=0.5时开关Sa1开路故障实验结果
Fig.13 Experimental results of the open circuit fault of the switch Sa1 when the power factor is 0.5
图14 功率因数cosj=0.5时开关Sa3开路故障实验结果
Fig.14 Experimental results of the open circuit fault of the switch Sa3 when the power factor is 0.5
实验中，设置开关Sa3在0.305 3 s时发生开路故障，故障波形及诊断结果如图14所示。开路故障发生后，共模电压残差DuCM在a相电流下降区域内快速进入诊断阈值区域，Fdet=1，开路故障被系统辨识。基于故障时刻共模残差角qCM∈[-p/6, p/6]且共模残差DuCM∈[DVtha2_3, DVtha1_3]，桥臂诊断标志Fphase置1，开关诊断标志Fs置3。根据诊断规则，此时开关Sa3故障定位条件全部满足，因此Sa3被确定为故障开关，诊断时间约为0.08个基波周期。故障定位后，所有阈值区域置高位。
图15和图16则展示了三相携带不平衡负载运行时的实验结果。实验中，设置开关Sb1在0.412 s时发生开路故障，故障波形及诊断结果如图15所示。逆变器正常工作下，共模电压残差仅在零值附近波动，未进入任何阈值区域。故障发生后，b相故障电流快速衰减，在电流下降区域内，共模残差DuCM进入诊断阈值，Fdet=1，系统辨识开路故障。随后，根据故障时刻共模残差角qCM∈[9p/6, 11p/6]内，桥臂诊断标志Fphase置2，定位故障处于b相桥臂。并进一步基于共模残差DuCM∈[DVthb2_1, DVthb1_1]，开关诊断标志Fs置1。基于故障定位准则，这时开关Sb1故障定位的条件全部满足，因此Sb1被确定为故障开关，诊断时间为0.08个基波周期。故障定位后，所有阈值区域置高位。
图15 三相不平衡时开关Sb1开路故障实验结果
Fig.15 Experimental results of open-circuit fault of switch Sb1 under three-phase unbalance
实验中，设置开关Sa3在0.318 3 s时发生开路故障，故障波形及诊断结果如图16所示。故障发生后，a相故障电流下降区域内，共模残差DuCM进入阈值区域，Fdet=1，系统检测到开路故障。并根据故障时刻共模残差角qCM∈[-p/6, p/6]，桥臂诊断标志Fphase置2。且共模残差DuCM处于Sa3诊断阈值区域，开关诊断变量Fs置3。基于故障定位规则，确定故障开关Sa3，诊断时间为0.07个基波周期。
实验结果表明，所提基于共模残差的诊断方法能够在多种不同工况下，准确诊断出T型逆变器所有单管故障，且诊断时间均小于0.1个基波周期，证明了方法的有效性与快速性。
图16 三相不平衡时开关Sa3开路故障实验结果
Fig.16 Experimental results of open-circuit fault of switch Sa3 under three-phase unbalance
为验证所提诊断方法鲁棒性，设置逆变器携带a相2 kW、b相1 kW和c相0.5 kW的三相不平衡负载且电压指令uref从130 V变化至170 V阶跃变化工况，实验结果如图17所示。
逆变器携带三相不平衡负载且电压指令值uref= 130 V工作时，共模电压残差DuCM仅在零值附近波动，未进入任何诊断阈值区域。而电压指令值由uref=130 V变化至uref=170 V时，负载电流以及逆变器输出电压改变，共模残差DuCM轻微波动，诊断阈值适应工况变化。在指令值变化时刻，共模残差量DuCM仍未进入Sa1和Sa3的诊断阈值区域，同样未进入其他诊断阈值区域，故障标志位Fdet=0。基于故障定位规则，系统不会辨识为开路故障。
为进一步验证所提出方法的鲁棒性，开展了负载变频运行和b相负载突然空载运行的实验结果，如图18和图19所示。逆变器正常运行阶段，共模电压残差在零值附近，未进入任何诊断阈值区域。在运行工况变化时刻，共模电压残差DuCM会产生轻微变化，诊断阈值同样会适应工况变化。从而保证了工况变化时刻，残差DuCM未进入Sa1和Sa3的诊断阈值区域，同样也未进入其他诊断阈值区域，故障检测标志位Fdet=0。基于故障定位规则，系统不会检测为开路故障。
图17 电压指令值变化鲁棒性实验结果
Fig.17 The experimental results of robustness under voltage command value change
图18 负载频率变化鲁棒性实验结果
Fig.18 The experimental results of robustness under load frequency change
图19 B相突然空载运行鲁棒性实验结果
Fig.19 Experimental results of robustness of sudden no-load operation of phase B
上述三类场景实验结果表明，无论是在电压指令值变化、负载频率变化还是负载投切下，都不会导致故障诊断算法的误判。因此，所提开路故障诊断方法具有一定的鲁棒性。
为验证所提开路故障诊断方法的优越性，将所提方法与现有三相四线制系统单管开路故障诊断方法进行了对比：①基于电流频谱分析的方法[19]；②基于电容电压对称性的方法[21]；③基于逆变器交流侧输出电压矢量与占空比的方法[24]；④基于正负序电压偏差与零序电压偏差的方法[26]；⑤本文所提开路故障诊断方法。主要评估与分析项目包括：诊断开关数量、复杂程度（诊断变量个数）、平均诊断时间（Tac为基波周期）、是否增加额外硬件电路（经济性）和鲁棒性，对比情况见表6与如图20所示。
文献[19]采用了基于电流频谱分析的方法，通过提取三相电流的基频分量构建多个诊断变量进行故障定位，且采用固定阈值进行比较，鲁棒性较差。文献[21]通过电容电压变化轨迹实现故障定位，该方法简单且平均诊断时间较短，但需要增加额外的电压传感器，提高了诊断成本。构建模型的电压方法中，基于电压矢量与占空比的方法[24]诊断速度较快，但目前并不完善，仅能实现部分单管故障诊断。而基于正负序电压偏差与零序电压偏差[26]的方法将电压分离成正序、负序和零序模型，采用多个诊断变量保证算法鲁棒性，但也增加了复杂度，且诊断时间相较于其他方法更长。所提诊断方法在保证有效性的前提下，仅采用单一类型诊断变量，在短时间内即可实现故障定位，且通过增加自适应阈值，提高了鲁棒性能。因此，综合简易性、快速性和鲁棒性，本文所提方法具有一定的优势。
表6 诊断方法对比
Tab.6 Comparison of the relevant diagnostic methods
诊断方法可诊断单管数诊断变量诊断时间额外硬件鲁棒性能 [19]所有开关（12）5Tac否中 [21]所有开关（12）30.3Tac是低 [24]部分开关（6）30.1Tac否低 [26]所有开关（12）51.5Tac否高 所提方法所有开关（12）20.1Tac否高
图20 所提诊断方法与其他方法比较
Fig.20 The proposed diagnosis method is compared with other methods
针对现有三相四线制逆变器功率开关开路故障诊断方法诊断变量较多、诊断过程复杂的问题，本文提出了一种基于共模残差机制的单管开路故障诊断方法。通过理论分析与实验验证，得出以下结论：
1）相比于现有的故障诊断方法，所提出的诊断方法仅利用共模电压残差作为诊断变量，即可实现对故障开关管的精准定位。这不仅减少了所需诊断变量的数量，还简化了算法流程。
2）所提方法对开关开路故障情况下共模电压残差与检测阈值之间的映射关系进行了量化分析，并考虑了多个误差影响因素，使其具备一定的模型误差自适应能力，从而提升了算法的鲁棒性。
3）所提方法通过构建电路模型来估计逆变器输出的共模电压残差，无需增加额外的传感器。在故障发生时，共模残差会表现出明显的瞬态变化，从而确保了算法的快速诊断能力。
此外，所提方法的诊断思想可进一步扩展至三相四线制逆变器多管故障诊断中，未来可对此进行深入的理论分析和实验验证。
参考文献
[1] Julian A L, Oriti G. Novel common mode voltage elimination methods in three-phase four-wire grid- connected inverters[C]//2021 IEEE Energy Con- version Congress and Exposition (ECCE), Vancouver, BC, Canada, 2021: 2873-2880.
[2] 申永鹏, 王帅兵, 梁伟华, 等. T型三电平逆变器合成脉冲宽度调制相电流重构策略[J]. 电工技术学报, 2022, 37(20): 5302-5312.
Shen Yongpeng, Wang Shuaibing, Liang Weihua, et al. T-type three-level inverter composite pulse width modulation phase current reconstruction strategy[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(20): 5302-5312.
[3] 田亚卓, 刘辰伟, 张勇军, 等. 一种改进的T型三电平逆变器序列模型预测控制策略[J]. 电工技术学报, 2024, 39(24): 7821-7832.
Tian Yazhuo, Liu Chenwei, Zhang Yongjun, et al. An improved sequential model predictive control strategy for T-type three-level inverter system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(24): 7821-7832.
[4] 陈超波, 代佳伟, 孙天誉, 等. 面向残差评价的中点钳位型逆变器开路故障诊断方法[J]. 电工技术学报, 2024, 39(21): 6877-6895.
Chen Chaobo, Dai Jiawei, Sun Tianyu, et al. NPC type inverter open circuit fault diagnosis method based on residual performance evaluation[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(21): 6877-6895.
[5] 王金平, 刘斌, 董浩, 等. 中点钳位型三电平逆变器基于调制波分解的调制策略[J]. 电工技术学报, 2023, 38(12): 3221-3233.
Wang Jinping, Liu Bin, Dong Hao, et al. A modulation strategy based on modulation wave decomposition for neutral point clamped three-level inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(12): 3221-3233.
[6] 祝琳, 李楚杉, 卢倚平, 等. 三电平单元电力电子变压器容错运行技术[J]. 电力系统自动化, 2023, 47(11): 144-154.
Zhu Lin, Li Chushan, Lu Yiping, et al. Fault-tolerant operation technology for three-level cell power electronic transformer[J]. Automation of Electric Power Systems, 2023, 47(11): 144-154.
[7] 宛新春, 陈其工, 杨锦涛, 等. 基于栅极和漏极电压检测的SiC MOSFET短路保护电路研究[J]. 电工技术学报, 2025, 40(4): 1145-1155, 1168.
Wan Xinchun, Chen Qigong, Yang jintao, et al. Research on SiC MOSFET short-circuit protection based on gate and drain voltage detection[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(4): 1145-1155, 1168.
[8] 朱琴跃, 于逸尘, 占岩文, 等. 基于短时傅里叶变换和深度网络的模块化多电平换流器子模块IGBT开路故障诊断[J]. 电工技术学报, 2024, 39(12): 3840-3854.
Zhu Qinyue, Yu Yichen, Zhan Yanwen, et al. IGBT open-circuit fault diagnosis of modular multilevel converter sub-module based on short-time Fourier transform and deep networks[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(12): 3840- 3854.
[9] 金楠, 夏英巽, 郭磊磊, 等. T型三电平并网变换器开路故障检测及容错控制[J/OL]. 电源学报, 1-12 [2024-10-29].
Jin Nan, Xia Yingxun, Guo Leilei, et al. Open circuit fault diagnosis and fault tolerant control of T-type three-level grid-tied converter[J]. Journal of Power Supply, 1-12 [2024-10-29].
[10] 袁庆庆, 蒋楷行, 涂谦, 等. 六相两电平逆变器的开路故障定位研究[J]. 电力电子技术, 2023, 57(4): 5-8.
Yuan Qingqing, Jiang Kaixing, Tu Qian, et al. Open circuit fault diagnosis for the six-phase two-level inverter[J]. Power Electronics, 2023, 57(4): 5-8.
[11] Wu Feng, Zhao Jin, Liu Yang, et al. Primary source inductive energy analysis based real-time multiple open-circuit fault diagnosis in two-level three-phase PWM boost rectifier[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(4): 3411-3423.
[12] 陈勇, 刘志龙, 陈章勇. 基于电流矢量特征分析的逆变器开路故障快速诊断与定位方法[J]. 电工技术学报, 2018, 33(4): 883-891.
Chen Yong, Liu Zhilong, Chen Zhangyong. Fast diagnosis and location method for open-circuit fault in inverter based on current vector character analysis[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(4): 883-891.
[13] Wang Xueqing, Wang Zheng, Xu Zhixian, et al. Diagnosis and tolerance of common electrical faults in T-type three-level inverters fed dual three-phase PMSM drives[J]. IEEE Transactions on Power Elec- tronics, 2020, 35(2): 1753-1769.
[14] Han Pengcheng, Lou Ying, Zhang Lijuan, et al. Open- circuit fault diagnosis and fault-tolerant control strategy for parallel three-phase rectifiers[C]//2023 11th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE 2023-ECCE Asia), Jeju Island, Republic of Korea, 2023: 1437-1442.
[15] Sui Chunsong, He Yigang, Chen Mingyun. Analysis of current distortion of three-phase voltage source rectifiers and its application in fault diagnosis[J]. IEEE Access, 2019, 8: 4065-4075.
[16] He Jiangbiao, Demerdash N A O, Weise N, et al. A fast on-line diagnostic method for open-circuit switch faults in SiC-MOSFET-based T-type multilevel inverters[J]. IEEE Transactions on Industry Appli- cations, 2017, 53(3): 2948-2958.
[17] 许水清, 刘锋, 何怡刚, 等. 基于自适应滑模观测器的新能源汽车驱动系统电流传感器微小故障诊断[J]. 中国电机工程学报, 2023, 43(18): 7277- 7288.
Xu Shuiqing, Liu Feng, He Yigang, et al. Minor fault diagnosis for current sensor of new energy vehicle drive system based on adaptive sliding mode observer[J]. Proceedings of the CSEE, 2023, 43(18): 7277-7288.
[18] 许水清, 许晓凡, 何怡刚, 等. 基于自适应滑模观测器的中点钳位型三电平并网逆变器开关管和电流传感器故障诊断[J]. 电工技术学报, 2024, 39(13): 4066-4078.
Xu Shuiqing, Xu Xiaofan, He Yigang, et al. A diagnosis method for power switch and current sensor faults in grid-connected three-level neutral-point clamped inverters based on adaptive sliding mode observer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(13): 4066-4078.
[19] Wu Zhixi, Zhao Jin, Liu Yang, et al. Online fault diagnosis method for grid-tied T-type inverters based on specific frequency calculation[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2023, 11(5): 5364-5375.
[20] Wu Zhixi, Zhao Jin. Open-circuit fault diagnosis method for grid-connected bidirectional T-type con- verter based on geometrical similarity measurement[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2022, 37(12): 15571-15582.
[21] Wu Zhixi, Sun Buyi, Zhao Jin. Open-circuit fault diagnosis method for four-wire T-type three level rectifier[C]//2020 Chinese Control and Decision Conference (CCDC), Hefei, China, 2020: 2156-2160.
[22] Sun Yuan, Chen Jie, Qiu Ruichang, et al. Open-circuit, current sensor fault diagnosis of three-phase four-wire inverters based on Fourier fitting[J]. IEEE Transa- ctions on Instrumentation and Measurement, 2024, 73: 3522813.
[23] Zhang Hui, Sun Chuan da, Li Zhixin, et al. Voltage vector error fault diagnosis for open-circuit faults of three-phase four-wire active power filters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(3): 2215-2226.
[24] 张晓, 孙传达, 刘娟, 等. 三相四线制有源电力滤波器开路故障诊断[J]. 电网技术, 2016, 40(2): 571- 578.
Zhang Xiao, Sun Chuanda, Liu Juan, et al. Open- circuit fault diagnosis in three-phase four-wire active power filters[J]. Power System Technology, 2016, 40(2): 571-578.
[25] 李战, 王伯荣, 马皓, 等. 基于平均模型的三相四线制逆变器多管开路故障诊断[J]. 电源学报, 2018, 16(6): 63-70.
Li Zhan, Wang Borong, Ma Hao, et al. Multi- transistor open-circuit fault diagnosis in three-phase four-wire inverter based on average model[J]. Journal of Power Supply, 2018, 16(6): 63-70.
[26] Wang Ke, Tang Yi, Zhang Chuanjin. Open-circuit fault diagnosis and tolerance strategy applied to four-wire T-type converter systems[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2019, 34(6): 5764-5778.
[27] 张国荣, 吴一鸣, 彭勃, 等. 三相四线制三电平变流器的优化调制策略[J]. 电力系统自动化, 2018, 42(22): 187-193.
Zhang Guorong, Wu Yiming, Peng Bo, et al. Optimal modulation strategy for three-phase four-wire three- level converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(22): 187-193.
An Open Circuit Fault Diagnosis Method of Three-Phase Four-Wire T-Type Inverter Based on Common-Mode Voltage Residuals
Abstract Power switch open-circuit faults are significant challenges that can severely compromise the reliability and operational safety of inverters. Such faults disrupt the normal functioning of the inverter and can lead to broader system failures if not addressed promptly and accurately. Therefore, an effective fault diagnosis method is essential for ensuring the accurate implementation of fault-tolerant control, which is critical for maintaining the safety and efficiency of power systems that rely on inverter technology. To address the shortcomings of existing open-circuit fault diagnosis methods for three-phase four-wire systems, a novel fault location method is proposed that utilizes common-mode voltage residuals as a single-class diagnostic variable. This approach simplifies the diagnostic process while ensuring accurate fault identification, making it a practical solution for real-world applications.
Firstly, the characteristics of single-switch faults in the three-phase four-wire T-type inverter are analyzed, and the common-mode voltage residual associated with these faults is constructed based on a simplified circuit representation. Subsequently, various fault modes that may occur in the inverter’s power switches are examined. By analyzing the distinct characteristics of each fault mode, a new metric termed the “pulse area” is introduced as a quantitative measure for assessing common-mode voltage residuals generated during different switching faults. Accurately quantifying these residuals enhances the ability to differentiate between fault conditions and improves the precision of the diagnostic approach. Furthermore, to refine the diagnostic method, an adaptive threshold diagnosis area is established to illustrate the differences in voltage residuals under each specific switch fault condition. This adaptive approach allows for real-time adjustments to the diagnostic thresholds based on observed voltage behaviors, thereby increasing the reliability of fault detection. Subsequently, fault detection and location variables are designed to ensure precise positioning of the fault switch. Finally, to verify the effectiveness and robustness of the proposed diagnosis method, a prototype of a 10 kW three-phase four-wire T-type inverter is developed. Experimental tests under various common working conditions demonstrate that the proposed method can reliably detect and locate open-circuit faults with a high degree of accuracy. The results indicate that this method can be integrated into existing systems to enhance their fault diagnosis capabilities.
The following conclusions can be drawn: (1) Compared to existing fault diagnosis methods, the proposed method uses the common-mode voltage residual as the sole diagnostic variable, thereby reducing the number of required diagnostic variables and simplifying the algorithmic flow. (2) The proposed method quantitatively analyzes the relationship between the common-mode voltage residual and the detection threshold in the context of open-circuit faults, accounting for multiple error-influencing factors. This enhances the model's adaptability to errors and improves the robustness of the algorithm. (3) The proposed method estimates the inverter output common-mode voltage residual as a diagnostic variable by constructing a circuit model without requiring additional sensors. When a fault occurs, the common-mode residual exhibits significant transient changes, ensuring the rapidity of the diagnosis. Moreover, this diagnostic approach can be extended to multi-tube fault diagnosis in three-phase four-wire inverters, and future work can focus on in-depth theoretical analysis and experimental validation.
Keywords：Open power switch circuit, fault diagnosis, common-mode voltage residuals, three-phase four-wire system, T-type inverter
中图分类号：TM464
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.241621
国家自然科学基金重点项目（52130704）和国家自然科学基金面上项目（52077072）资助。
收稿日期 2024-09-12
改稿日期 2024-10-28
肖 凡 男，1988年生，讲师，研究方向为电力电子在电力系统中的应用。
E-mail: woliaokk123@126.com
彭 星 男，1996年生，博士研究生，研究方向为电力电子变换器的故障诊断与容错控制。
E-mail: 734114664@qq.com（通信作者）
（编辑 陈 诚）