三相無(wú)橋功率因數(shù)校正器（Power Factor Corrector, PFC）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，該變換器在船舶電力模擬系統(tǒng)、新一代變頻器、電動(dòng)汽車充電樁、電能質(zhì)量管理以及電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）等場(chǎng)合已有大量應(yīng)用。

三相無(wú)橋PFC由二極管、功率開(kāi)關(guān)、濾波電感和電容等器件組成，隨著變換器功率密度的提升以及功率開(kāi)關(guān)器件耐壓等級(jí)的提高，其故障發(fā)生的概率也在不斷上升。由于三相無(wú)橋PFC多應(yīng)用于前級(jí)整流，若該變換器的器件發(fā)生開(kāi)路故障，不僅會(huì)導(dǎo)致整流級(jí)輸出異常，還會(huì)影響后級(jí)電路的性能和可靠性，并且會(huì)對(duì)網(wǎng)側(cè)造成大量諧波污染。因此，為提高三相無(wú)橋PFC的可靠性與安全性，避免因某個(gè)器件的開(kāi)路故障而導(dǎo)致二次故障以及人身或財(cái)產(chǎn)損失等，需要研究一種可靠的、快速的在線故障診斷與定位策略來(lái)保障其安全運(yùn)行。

圖1 三相無(wú)橋PFC結(jié)構(gòu)

考慮到電力電子變換器的非線性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用于數(shù)字控制或穩(wěn)態(tài)分析的數(shù)學(xué)模型大多無(wú)法直接用于對(duì)其故障進(jìn)行診斷或定位。因此，眾多學(xué)者根據(jù)不同的研究對(duì)象采取不同的方法，提出了一系列針對(duì)電力電子變換器的故障診斷或定位策略。

• 有學(xué)者針對(duì)整流器晶閘管開(kāi)路故障，提出了以電感電流斜率為特征量的故障檢測(cè)方法；
• 有學(xué)者根據(jù)故障時(shí)電流的變化特性，提出了變換器單個(gè)器件開(kāi)路故障的診斷方法；
• 有學(xué)者針對(duì)雙Boost PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種故障診斷與定位方法；
• 有學(xué)者針對(duì)三相PFC整流器的開(kāi)關(guān)故障，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)輸入電流信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別，進(jìn)而進(jìn)行故障診斷；
• 有學(xué)者通過(guò)分析直流側(cè)故障電流特征構(gòu)造故障識(shí)別判據(jù)，提出了一種在線故障診斷方法。

目前，對(duì)于無(wú)橋結(jié)構(gòu)變換器的故障診斷和定位研究尚未形成共識(shí)。針對(duì)類似結(jié)構(gòu)的PWM整流器的故障診斷研究用于無(wú)橋PFC開(kāi)路故障診斷時(shí)亦存在一定的不足。

• 有學(xué)者通過(guò)計(jì)算輸入電流實(shí)際值與預(yù)先構(gòu)建模型的殘差，檢測(cè)故障并判斷開(kāi)路器件位置，該方法簡(jiǎn)單可靠且不受網(wǎng)側(cè)電壓和系統(tǒng)負(fù)載的擾動(dòng)，但由于其模型構(gòu)造與殘差閾值選取都與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)，在應(yīng)用上存在很大的局限性。
• 有學(xué)者在基于輸入電流Park向量方法的基礎(chǔ)上，提出了基于輸入電流直流分量的故障診斷與定位方法，該方法在中度負(fù)載和輕載情況時(shí)能在一個(gè)電源周期內(nèi)診斷出故障，但在高負(fù)載情況下無(wú)法使用，且不適用于電源或負(fù)載狀態(tài)變化的情況。
• 有學(xué)者提出了一種基于相電流和空間矢量PWM開(kāi)關(guān)模態(tài)的故障診斷方法，但同樣存在無(wú)法應(yīng)對(duì)狀態(tài)突變情況的問(wèn)題。
• 有學(xué)者針對(duì)PWM整流器采用電流的直流分量作為特征，實(shí)現(xiàn)了在20ms以內(nèi)的快速故障診斷，但同樣存在不能消除諧波干擾以及系統(tǒng)狀態(tài)瞬變的問(wèn)題。

綜上，現(xiàn)有的針對(duì)各類PWM整流器的開(kāi)路故障診斷方法，一般采用輸入電流作為故障特征進(jìn)行診斷，采用其周期平均值進(jìn)行坐標(biāo)變換或基波分解，再根據(jù)構(gòu)造好的模型或邏輯計(jì)算估計(jì)值與實(shí)際值的誤差，從而對(duì)故障進(jìn)行診斷或定位。由于無(wú)橋PFC或整流器工作時(shí)存在較多不確定性，現(xiàn)有研究大多未對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)突變或電流諧波干擾等特殊情況進(jìn)行討論。

進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)計(jì)算某個(gè)變量的實(shí)際值和模型計(jì)算的預(yù)測(cè)值之間的誤差或殘差，從而判斷是否為故障狀態(tài)的方法，其閾值的選取是造成診斷算法適應(yīng)性不強(qiáng)的重要原因。適用于一般狀態(tài)診斷的閾值無(wú)法應(yīng)用于其他特殊情況；適用于特殊情況的閾值會(huì)影響正常情況的診斷性能。

雖然采用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化等手段能夠在一定程度上提高診斷算法的適應(yīng)性，但實(shí)際效果并不佳。參考相關(guān)領(lǐng)域的故障診斷方法，采用模式識(shí)別的方法能夠在較大程度上提高診斷算法的適應(yīng)性。

• 有學(xué)者采用K最近鄰算法對(duì)定子電流和電壓進(jìn)行模式識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了對(duì)感應(yīng)電機(jī)的故障診斷。
• 有學(xué)者提出了一種基于K最近鄰算法的故障診斷方法，降低了半導(dǎo)體制造的廢品率和制造成本。
• 有學(xué)者針對(duì)電機(jī)軸承的故障診斷問(wèn)題，通過(guò)提取振動(dòng)信號(hào)的特征，采用半監(jiān)督的最近鄰算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)早期故障的檢測(cè)。
• 有學(xué)者將K最近鄰規(guī)則應(yīng)用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的故障診斷，同樣取得了較好的效果。

這類基于模式識(shí)別中近鄰算法的故障診斷方法，其原理為：以采集的正常、故障或其他特殊狀態(tài)的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)作為已知樣本，通過(guò)判斷實(shí)際運(yùn)行中某一時(shí)刻數(shù)據(jù)點(diǎn)的狀態(tài)歸屬，來(lái)確定是否檢測(cè)到了故障狀態(tài)。

該類算法不需要對(duì)比外部設(shè)定的殘差閾值，狀態(tài)的識(shí)別僅依靠?jī)?nèi)部的極值，其適應(yīng)性只與構(gòu)造的已知樣本是否包含更全面的狀態(tài)特征有關(guān)。通過(guò)合理構(gòu)造無(wú)橋PFC在各種狀態(tài)下的故障樣本，采用模式識(shí)別方法的故障診斷策略具有一定可行性，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足之處。

因此，本文提出一種基于近鄰算法的三相無(wú)橋PFC開(kāi)路故障診斷和定位策略，通過(guò)對(duì)已知樣本進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)K最近鄰算法的計(jì)算流程，使該策略對(duì)電源波動(dòng)、負(fù)載突變以及大電流諧波干擾等情況都具有魯棒性、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，并且算法的實(shí)時(shí)性滿足在線故障診斷與定位的要求。

首先論述無(wú)橋功率因數(shù)校正變換器的故障機(jī)理，并對(duì)故障特征以及負(fù)載突變狀態(tài)特征進(jìn)行分析，之后構(gòu)造覆蓋八種狀態(tài)的已知樣本并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，然后提出了一種基于改進(jìn)K最近鄰算法的故障診斷與定位策略，最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的可行性，并對(duì)其準(zhǔn)確性、快速性等性能參數(shù)進(jìn)行分析。

圖8 搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

結(jié)論

本文針對(duì)三相無(wú)橋變換器的故障診斷問(wèn)題，重點(diǎn)研究了單開(kāi)關(guān)器件開(kāi)路的故障機(jī)理和故障特征。通過(guò)具體分析，確定了以輸入電流為故障特征量的故障診斷策略。首先，通過(guò)仿真獲取特征量的原始樣本；之后，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理和降維得到用于故障診斷的測(cè)試樣本；最后，采用基于標(biāo)準(zhǔn)化曼哈頓距離的K最近鄰算法對(duì)實(shí)時(shí)采樣到的未知狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該故障診斷策略能夠以至少1kHz的采樣頻率對(duì)三相無(wú)橋變換器進(jìn)行在線故障診斷，且診斷準(zhǔn)確率和診斷用時(shí)都達(dá)到了設(shè)計(jì)需求。

本文所研究的內(nèi)容依然存在一定的局限性。首先，該故障診斷策略并未完全消除誤診或錯(cuò)診情況；其次，該策略的診斷用時(shí)仍然有提高空間；最后，未針對(duì)三相不平衡的情況進(jìn)行討論。以上問(wèn)題都是下一步研究的重點(diǎn)方向。