本發(fā)明涉及電力電子裝置故障診斷領(lǐng)域，尤其是一種一種光伏二極管箝位式三電平逆變器的故障診斷方法。

背景技術(shù)：

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，光伏微網(wǎng)的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛。光伏陣列輸出的直流電必須轉(zhuǎn)換成交流電才能滿足我們?nèi)粘Ｋ瑁虼嗽诠夥⒕W(wǎng)中，光伏逆變器就成了不可或缺的一部分。在不同結(jié)構(gòu)的逆變器中，多電平逆變器憑借其具有的功率器件串聯(lián)均壓、開(kāi)關(guān)損耗小、輸出電壓諧波含量低和工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注，但其自身因?yàn)槭褂脭?shù)量較多的開(kāi)關(guān)器件，其電路的可靠性相對(duì)較低。任何一個(gè)器件的故障就可能導(dǎo)致電路非正常運(yùn)行，有時(shí)甚至?xí)绊懫渌娐返陌踩斐蓢?yán)重的事故或不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

由于電力電子設(shè)備發(fā)生故障的種類繁雜，原因繁多，同時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，傳統(tǒng)的只靠人工檢測(cè)和維修去處理故障往往很難，所以需要一種能夠較智能的方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的思想，利用逆變器系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不斷產(chǎn)生并反映系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理和狀態(tài)的數(shù)據(jù)，通過(guò)合適的提取和分析方法，實(shí)現(xiàn)逆變器系統(tǒng)的故障檢測(cè)和識(shí)別，這種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障檢測(cè)、診斷與辨識(shí)技術(shù)正受到廣泛的關(guān)注，也是一個(gè)熱門的研究方向。

小波分析是一種信號(hào)時(shí)頻域分析方法，它彌補(bǔ)了傅立葉變換不同同時(shí)描述信號(hào)時(shí)域和頻域信息的缺點(diǎn)，同時(shí)可以提供局部化信息，是近年來(lái)故障特征提取領(lǐng)域興起的一項(xiàng)前沿技術(shù)。支持向量機(jī)是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，它在解決小樣本、非線性及高維模式識(shí)別中具有特有的優(yōu)勢(shì)，尤其是在電力電子電路的故障診斷中有著很好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于小波多尺度分解和支持向量機(jī)的二極管箝位式三電平逆變器的故障診斷方法。

本發(fā)明是通過(guò)以下方法和步驟實(shí)現(xiàn)的，一種光伏二極管箝位式三電平逆變器的故障診斷方法，其步驟為：

建立二極管箝位式三電平逆變器的電路模型，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的單個(gè)和兩個(gè)功率管開(kāi)路故障進(jìn)行故障分類，共分為五大類十三小類。

1)所有IGBT功率管均正常運(yùn)行，逆變器無(wú)故障。

2)僅有單個(gè)IGBT功率管發(fā)生故障，即功率管S_a1、S_a2、S_a3或S_a4中任意一個(gè)發(fā)生故障，共四小類。

3)有兩個(gè)IGBT功率管發(fā)生故障，且兩個(gè)功率管在同一橋臂，即功率管(S_a1,S_a2)、(S_a1,S_a3)、(S_a1,S_a4)、(S_a2,S_a3)、(S_a2,S_a4)或(S_a3,S_a4)任意一對(duì)發(fā)生故障的情況，共六小類。

4)有兩個(gè)IGBT功率管發(fā)生故障，且兩個(gè)功率管不在同一橋臂，而這類情況可以歸結(jié)為不同橋臂上的單個(gè)器件故障，可以參考單個(gè)故障的情況加以區(qū)分。

5)單個(gè)鉗位二極管VD_a5或VD_a6發(fā)生故障，共兩小類。

在所有故障狀態(tài)下，對(duì)采用SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制控制的二極管箝位式三電平逆變器主電路進(jìn)行建模，獲得電路所有的運(yùn)行情況下的中橋臂輸出電壓信號(hào)。選取合適的小波基函數(shù)，對(duì)所有的各個(gè)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行三層多尺度分解，并對(duì)小波分解系數(shù)重構(gòu)，提取各個(gè)頻帶范圍的細(xì)節(jié)信號(hào)。

經(jīng)過(guò)分解和重構(gòu)之后，各個(gè)狀態(tài)下的輸出電壓信號(hào)被分成4個(gè)小信號(hào)，計(jì)算之前提取的各個(gè)信號(hào)的能量，同時(shí)可以得到信號(hào)的總能量，各個(gè)信號(hào)的能量除以總能量，可以得到各個(gè)能量的百分比。

采用同樣的方法處理上、下橋臂的輸出電壓信號(hào)，分別得到上、下橋臂電壓各個(gè)頻帶的能量百分比。將數(shù)據(jù)按照中、上和下橋臂的順序構(gòu)成故障特征向量，即一個(gè)12維的能量百分比矩陣。

獲取數(shù)據(jù)樣本。對(duì)原始的各個(gè)橋臂電壓數(shù)據(jù)加上均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為10的高斯白噪聲，考察該方法的抗干擾能力?？梢缘玫矫糠N故障情況下50組樣本。經(jīng)過(guò)上述的特征提取過(guò)程，每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)一個(gè)12維的故障特征向量。

建立支持向量機(jī)分類模型。將建立好的數(shù)據(jù)樣本按照4∶1劃分訓(xùn)練集和測(cè)試集，即隨機(jī)選取多組數(shù)據(jù)樣本作為訓(xùn)練集，剩下的幾組數(shù)據(jù)樣本作為測(cè)試集。建立支持向量機(jī)分類模型，實(shí)現(xiàn)光伏二極管箝位式三電平逆變器的故障診斷。

本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明所提出的一種光伏二極管箝位式三電平逆變器的故障診斷方法，是依照數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的思想，將小波多尺度分解和支持向量機(jī)算法結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了光伏電力電子裝置，尤其是光伏二極管箝位式三電平逆變器的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)故障診斷。

2)本發(fā)明通過(guò)能量的百分比的形式，獲得能表征二極管箝位式三電平逆變器特征的數(shù)據(jù)樣本，該數(shù)據(jù)能夠明顯區(qū)分各個(gè)故障狀態(tài)，且提取方便，克服了傳統(tǒng)提取數(shù)據(jù)樣本診斷方法數(shù)據(jù)量大，過(guò)程繁瑣等問(wèn)題。

3)本發(fā)明將小波多尺度分解所獲得的數(shù)據(jù)樣本作為支持向量機(jī)分類模型的訓(xùn)練集和測(cè)試集，未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，同時(shí)選取徑向基函數(shù)作為核函數(shù)，并進(jìn)行各個(gè)參數(shù)的尋優(yōu)，從而有效地實(shí)現(xiàn)逆變器系統(tǒng)的故障診斷。

附圖說(shuō)明

圖1為光伏二極管箝位式三電平逆變器的故障診斷流程

圖2為光伏二極管箝位式三電平逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3為單個(gè)器件故障時(shí)的橋臂電壓

圖4為兩個(gè)器件同時(shí)開(kāi)路時(shí)的橋臂電壓

圖5為功率管S_a1開(kāi)路故障時(shí)，中、上和下橋臂電壓信號(hào)重構(gòu)系數(shù)的能量百分比直方圖

圖6為支持向量機(jī)部分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明的一種光伏二極管箝位式三電平逆變器的故障診斷流程如圖1所示，本發(fā)明方法的具體實(shí)施包括以下步驟：

如圖2所示為二極管箝位式三電平逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，根據(jù)逆變?cè)恚瑢⒐收戏譃槲宕箢愂☆?，即得出二極管箝位式三電平逆變器的故障類型。

1)所以IGBT功率管均正常運(yùn)行，逆變器無(wú)故障發(fā)生。

2)僅有單個(gè)IGBT功率管發(fā)生故障，共四小類。

3)有兩個(gè)IGBT功率管發(fā)生故障，且兩個(gè)功率管在同一橋臂，共六小類。

4)有兩個(gè)IGBT功率管發(fā)生故障，且兩個(gè)功率管不在同一橋臂，可以歸類到單個(gè)IGBT發(fā)生故障的情況。

5)單個(gè)鉗位二極管發(fā)生故障，共兩小類。

建立三相三電平SVPWM逆變器模型，選取橋臂電壓為研究對(duì)象，可以得到各種故障情況下的橋臂電壓波形，如圖3和圖4所示。基于輸出電壓的特點(diǎn)考慮，選取sym4小波基函數(shù)，對(duì)各個(gè)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行三層多尺度分解，原信號(hào)被分解為4個(gè)細(xì)節(jié)信號(hào)，對(duì)4個(gè)細(xì)節(jié)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)。

計(jì)算所得到的4個(gè)重構(gòu)信號(hào)的能量，同時(shí)可以得到信號(hào)的總能量，用各個(gè)頻帶的能量除以總能量，得到各個(gè)頻帶能量的百分比。當(dāng)功率管S_a1開(kāi)路故障時(shí)，光伏二極管箝位式三電平逆變器中、上和下橋臂電壓信號(hào)重構(gòu)系數(shù)的能量百分比直方圖，如圖5所示。

編譯支持向量機(jī)程序，隨機(jī)選取520組樣本作為訓(xùn)練集，130組樣本作為測(cè)試集，核函數(shù)選用徑向基函數(shù)，懲罰系數(shù)C＝4，程序運(yùn)行得到的預(yù)測(cè)率達(dá)到99.23％，選取30個(gè)測(cè)試樣本構(gòu)成的部分樣本的預(yù)測(cè)分類和期望分類對(duì)比圖如圖6所示，從圖中可知，預(yù)測(cè)分類和期望分類完全重合，完成光伏二極管箝位式三電平逆變器故障診斷目標(biāo)。

上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。