基于CNN的Buck-Boost变流器开路故障诊断_李宇昂.pdf
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1、第 卷第期年月电 力 电子技术,基于的变流器开路故障诊断李宇昂岳朋 朋,李豪(上海电力大学,电气工程学院,上海;国网安徽省电力有限 公司,阜阳市城 郊供电公司,安徽阜阳)摘要:针对三电平变流器开关 管 与 续流二极管开路 故障特征耦合问题,根 据功率器件开 路故 障 前后的时频特征变化,提出一种基于一维卷积 神经网络()的功率器件开路故障 检测方法。首先,采用变分模态分解()算 法计算开关模态分 量瞬时频 率特征,构建变流器输入电流、瞬 时频率 和电容电压差的特征组合。然后,建立模型并通过仿 真数据进行训练。最后,在 半实物硬件在环测试平台进行 实验验证。实验结果表明,功率器件开路故障会 使运
2、行电流瞬 时频率发生二倍频突变,通过时 频特征 数据驱动方法能够 准确检测与续 流二极管的开路 故 障,准确 率 大 于,而且时频 特征组合具有更高的准确率和工况鲁棒性。关键词:变流器;卷积神经网络;开路故 障检测中 图分类号:文献标识 码:文章编 号:(),(,):?(),(),?,:;:(,);()引言三电平变 流器因其 整机效 率高、总谐波畸变低 等优点,近年来在直流微网和电动汽 车等 领域应用广泛,其开关频率在 几 千赫兹。但变流器中的功率器件(如、续流二极管)在 长期运行过程中承受 瞬 态电压和电流冲击 容易导致开路故障。开路 故障发生时,其产生的畸变电流基 金项目:国家自然科学基金
3、(,);上海市自然科学基金()定稿日期:作者简介:李宇昂(),男,硕士研究生,研究方向 为电 力系统状态监测。会使其他元件过载引发二次 故障。因此,需要准确地检测出和续流二极 管开路故 障。文献进行了相关研宄,但均存在不足。为此,提出了一种基于的三电平变流器和续流二极 管开路 故 障检测方法,将输入电流、瞬时频率以及电容电压差构成特征组合,建立时频特征驱 动的模型对和续流二极管开路故障同时进 行故障诊 断,并通过实验进行 验证。三电平变流器开路故障特性三电平变流 器运行模态三电平变流器在模式下运图变流器电流、电压波形 如图,所示,当开路故障时(开路原理相似),电流纹波在一个波周期内仅波动一次,
4、纹波电流瞬 时频 率等于开关 频率,与开关频额定值为了得到乂,采用算法从分离得到,开关 模态 分 量的瞬时 频率 特 征。算法能够对多模态信 号进行分解,得到个本征模 态函数分量。相应模态函数之和与原始 信号)约束 变分 表达式为:?(,)(式中:为模态分量 集合;()为脉冲函数;叫为模态 分量中心频率集合。引入拉格朗日乘数和二次惩罚因子并利用快速傅里叶逆变换获得 模 态 分量(?),再利用变换可得:二丑丄()将作 为 实部、;作为虚部组成 复共辄正吊运行开路开路 开路?开路运行状态,率之间二倍频现象 消 失;开路时,缺失模 态无法对充电,导致;开路时,缺失模态无法对,充电,导致。同样地,在
5、作模式下,续流二极 管与参与导通。如图,所示,发生 开路故障(开路类似),电流纹波在一个波周期内只发生一次波动,与开关频率之间 的二倍频现象消失。开路时,;开路时,。所提功率器件开路故障诊断方法由第节分 析,和二极管开路故 障都会使瞬时频率特征发生突变,仅凭瞬时频率无法准确分辨两种故障。为准确检测和 分辨三电平 变 流器中的和续流二极管开路故障,建立时频特征组合 并引入丨模型。诊断变 量时频特征组合的构建变流器与续流二极 管 发 生 开路 故障时,变流器输入电流开关模 态 分量瞬时频率特征乂与子电容电压差特征都会发生变化,三者与变流器运行状态的关 系 如表所示,因此选用这个 特征参量构建时频
6、特征组合。表关系表行 模态如图所示,其中,(,)为续流二极 管,为开关管,为变 流器的输入电流,。为储 能电容,与为 变 流器中的支 撑电容,为 变流器的电感。一门门()路故障厶()模 态:;中。(模 态!,!;:(模 态丨丨(模态图模式的运行过程由于二电平变流器与 两种工作模式原理相 仿且具 有对称 性。以工作 模式下调制 信号禹:时为例分 析,个运行模态 过程如图虚 线 所示。正常运行工况 下,纹 波在一个开关周期内共出现了次升 降,其瞬时频 率为开关 频率的二倍;假设不考虑电容状 态 及等因素的影响,(,仏的电压值和的差异 很小,即与续流二极管开路故障特征变流器在工作模式下,开关 管中的
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