帶故障診斷功能的七電平逆變器及故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及電力故障診斷，具體涉及一種帶故障診斷功能的七電平逆變器以及相 應(yīng)的故障診斷方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子器件生產(chǎn)成本的降低，高壓大功率變換器被 廣泛應(yīng)用于各種電氣設(shè)備中，例如大功率交流電機(jī)傳動(dòng)、有源電力濾波和新能源并網(wǎng)等。而 為了滿足日益提高的電力系統(tǒng)發(fā)展需求，多電平逆變器應(yīng)運(yùn)而生。和普通的二電平逆變器 相比，級(jí)聯(lián)H橋型逆多電平逆變器具有諸多優(yōu)異的性能，比如諧波少，輸出波形更加接近于 正弦，開(kāi)關(guān)管兩端電壓低，由于隨著開(kāi)關(guān)管耐壓的增高，其價(jià)格按照指數(shù)型增加，所以通過(guò) 用廉價(jià)的低耐壓開(kāi)關(guān)管代替昂貴的高耐壓開(kāi)關(guān)管，能夠極大的降低逆變器的設(shè)計(jì)成本與維 修費(fèi)用，在高壓大功率場(chǎng)合尤為明顯。
[0003] 盡管多電平逆變器有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是它也有著一些不可避免的缺陷。隨著輸出電 平數(shù)的增多，它所需要的開(kāi)關(guān)器件數(shù)將會(huì)大量增加，這將會(huì)大大地提高系統(tǒng)發(fā)生故障的概 率。級(jí)聯(lián)H橋型多電平逆變器的產(chǎn)生雖然為電力電子技術(shù)在高壓、大功率場(chǎng)合的應(yīng)用提供 了很多便利，但一旦發(fā)生故障，輕則造成企業(yè)停產(chǎn)，重則會(huì)造成災(zāi)難性事故，給社會(huì)帶來(lái)巨 大的損失。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004] 本發(fā)明首次將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法嵌入DSP內(nèi)，通過(guò)DSP在線采集七電 平逆變器的輸出電壓做到實(shí)時(shí)的檢測(cè)與故障診斷。
[0005] 本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種帶故障診斷功能的七電平逆變器，其技術(shù)方案如 下：
[0006] -種帶故障診斷功能的七電平逆變器，包括直流電源、H橋主電路、DSP、電壓變速 器、電阻負(fù)載、以及顯示裝置。直流電源由三個(gè)24v直流電源組成，DSP產(chǎn)生SPffM驅(qū)動(dòng)H橋 主電路將來(lái)自直流電源的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，該交流電其電壓加載到20歐姆的電阻負(fù) 載兩端，并且被電壓變送器檢測(cè)。電壓變送器將檢測(cè)到的電壓信號(hào)成比例降低到〇~3v的 范圍之內(nèi)送給DSP。
[0007] H橋主電路由三個(gè)H橋組成，將第一個(gè)H橋的四個(gè)開(kāi)關(guān)管分別標(biāo)記為H1S1、H1S2、 H1S3和H1S4,第二個(gè)H橋的四個(gè)開(kāi)關(guān)管分別標(biāo)記為H2S1、H2S2、H2S3和H2S4,將第三個(gè)H 橋的四個(gè)開(kāi)關(guān)管分別標(biāo)記為H3S1、H3S2、H3S3和H3S4,開(kāi)關(guān)管選擇為IGBT。Vol、Vo2和Vo3 分別表示三個(gè)H橋的輸出電壓，Vo是該電路最終的輸出電壓，將三個(gè)H橋的輸出端級(jí)聯(lián)后， 使得Vo = Vol+Vo2+Vo3。由于Vol、Vo2、Vo3 = 0V或±E。三個(gè)直流電源的電壓為Vl、V2 和V3,并且Vl = V2 = V3 = E。這樣，在任意時(shí)刻，Vo可以等于±3E、±2E、土E或0V，即 本逆變器可以輸出七種不同的電平。
[0008] H橋主電路的電路狀態(tài)和七電平逆變器的故障類型對(duì)應(yīng)如下：HlSl開(kāi)路-故障1， H1S2開(kāi)路-故障2, H1S3開(kāi)路-故障3, H1S4開(kāi)路-故障4, H2S1開(kāi)路-故障5, H2S1開(kāi) 路-故障6, H2S3開(kāi)路-故障7, H2S4開(kāi)路-故障8, H3S1或者H3S4開(kāi)路-故障9, H3S2或 者H3S3開(kāi)路-故障10,正常工作-故障0。
[0009] 通過(guò)DSP在線采集七電平逆變器的輸出電壓做到實(shí)時(shí)的檢測(cè)與故障診斷。所述 DSP中嵌入基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的七電平逆變器的故障診斷方法。所述故障診斷方法經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù) 處理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。
[0010] 本發(fā)明帶故障診斷功能的七電平逆變器的一個(gè)實(shí)施例，還包括數(shù)碼管，DSP通過(guò)數(shù) 碼管實(shí)時(shí)顯示逆變器的狀態(tài)。
[0011] 本發(fā)明帶故障診斷功能的七電平逆變器的另一個(gè)實(shí)施例，DSP包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模塊、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模塊、以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
[0012] 所述基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的七電平逆變器故障診斷方法的數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟如下：
[0013] 步驟1采集故障樣本數(shù)據(jù)：
[0014] 首先采集逆變器故障時(shí)的輸出電壓作為故障樣本數(shù)據(jù)，采集的方法為在逆變器 的輸出電壓一個(gè)周期內(nèi)等間隔地采集512個(gè)時(shí)刻的離散電壓值，每次采集的電壓用序列 {-ΟΓ 1 =卜。,心,"_,七11丨,表示。序列中的每個(gè)值等于對(duì)應(yīng)時(shí)刻的電壓值。
[0015] 根據(jù)H橋主電路的電路狀態(tài)和七電平逆變器的故障類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系：HlSl開(kāi) 路-故障1，H1S2開(kāi)路-故障2, H1S3開(kāi)路-故障3, H1S4開(kāi)路-故障4, H2S1開(kāi)路-故障 5, H2S1開(kāi)路-故障6, H2S3開(kāi)路-故障7, H2S4開(kāi)路-故障8, H3S1或者H3S4開(kāi)路-故障 9, H3S2或者H3S3開(kāi)路-故障10,正常工作-故障0,人為設(shè)置開(kāi)路故障，采集逆變器在十 種故障情況下輸出的電壓波形，以及正常工作情況下的電壓波形。本步驟中采集的故障數(shù) 據(jù)越多越好。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例選取采集每種電壓波形各100組。
[0016] 步驟2 FFT變換：
[0017] 將序列認(rèn)上11進(jìn)行FFT變換，F(xiàn)FT變換公式：巧=<足、」=G i - ，這 里 Wb= e j2"b，k = 0, 1，· · ·，b/2-l ;
[0020] 經(jīng)過(guò)FFT變換后得到了一個(gè)個(gè)數(shù)為512的虛數(shù)序列{巧以1，取該序列的前10個(gè)數(shù) 據(jù){仄丨并且將該序列的數(shù)據(jù)進(jìn)行取模，將取模后的序列?Ι巧的作為樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行下一 步的計(jì)算。
[0021] 步驟3 PCA降維：
[0022] 經(jīng)過(guò)上述的FFT變換及截取后，原電壓信號(hào)的特征數(shù)據(jù)由512個(gè)變?yōu)榱?10個(gè)，接 下來(lái)進(jìn)行PCA降維。具體方法如下：
[0023] 首先采集所有種類的故障樣本數(shù)據(jù)：
[0025] 接著求協(xié)方差矩陣馬的特征值λ與特征值向量P :
[0026] 協(xié)方差矩陣：Rx = E {[Χ-Ε (X) ] [Χ-Ε (X) ] τ}。
[0027] 通過(guò)求解I入I-RxI = 0和I入J-RxIpi= 0, i = 1，2,…，b求得λ和Ρ，其中，λ i 為馬的第i個(gè)特征值，并且滿足λ λ 2彡…彡λ b，Pi是相應(yīng)于特征值λ i的特征向量， P = [P1, P2,…，pb]τ。這里b的值為11。選取前P的前3列，得到Pl = [P1, p2, p3]，且Pl為 10X3的矩陣。以上工作只需要離線做一次，然后保留P1。
[0028] 最后計(jì)算出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入序列Xto= {而沙(6),{|巧|}> P1}，\"是個(gè)數(shù)為4 的數(shù)據(jù)序列，第一個(gè)數(shù)據(jù)是原信號(hào)的基波的相位，后三個(gè)是PCA降維后的數(shù)據(jù)序列。
[0029] 所述基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的七電平逆變器故障診斷方法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練步驟如下：
[0030] 步驟4構(gòu)建并訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
[0031] 本發(fā)明構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由于原始信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT變換以及PCA 降維后得到了個(gè)數(shù)為4的特征數(shù)據(jù)χιη，則輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)定為4個(gè)，由于總共有11種故 障類型，則輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為11，隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取為15。
[0032] 設(shè)輸入層的神經(jīng)元為你祕(mì)}；；,隱層的神經(jīng)元為丨&，輸出層的神經(jīng)元為K'4 , 激活函數(shù)為Sigmoid函數(shù)，設(shè)G和·iw,,}〗4的系數(shù)矩陣為Xw4X15, 和(η',,}〗4的系數(shù)矩 陣為XW15xll，則輸入輸出關(guān)系為：
[0035] 構(gòu)建好BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之后，需要對(duì)原始的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。
[0036] 首先將步驟1中采集好的11種故障信號(hào)（含正常信號(hào)），經(jīng)過(guò)FFT和PCA后得到 訓(xùn)練樣本：
[0038] 由于步驟1中每種故障各采集了 100組信號(hào)，所以此時(shí)可以得到100個(gè)X_Sample， 將每個(gè)X_Sample的理論輸出均設(shè)置為：
[0040] 采用動(dòng)量梯度下降算法訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練誤差閾值設(shè)為0.0001，學(xué)習(xí)率α = 0. 5,訓(xùn)練后得到兩個(gè)系數(shù)矩陣xw_end e R4xi5和xw_end e R15X11，這兩個(gè)矩陣包含了訓(xùn)練 好的神經(jīng)網(wǎng)路所有信息，因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只需要離線訓(xùn)練一次，得到這兩個(gè)矩陣后便不再需 要訓(xùn)練了。
[0041] 所述基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的七電平逆變器故障診斷方法嵌入DSP的步驟如下：
[0042] 步驟5將算法嵌入DSP中
[0043] 首先初始化DSP。初始化DSP的時(shí)鐘、鎖相環(huán)、中斷向量表，定義DSP的AO 口為 AD采集口采集電壓，定義DSP的GPI016、GPI017、GPI018、GPI019為數(shù)碼管通訊口，用來(lái) 控制數(shù)碼管顯示的數(shù)字。配置DSP的TimerO模塊，使DSP產(chǎn)生周期中斷，中斷的頻率為 25. 6KHz。同時(shí)建立數(shù)組xw[4] [15]和wy [15] [11]分別儲(chǔ)存步驟4中的xw_end e R4x15和 wy_end e R15xn,建立數(shù)組ad_value[512]存儲(chǔ)DSP采集的電壓值。
[0044] 然后編寫(xiě)故障診斷子函數(shù)程序，命名為"diagn〇Sis()"。該子函數(shù)的輸入是512 個(gè)電壓值
[0045] 序列ad_value[512];該子函數(shù)的輸出是一個(gè)數(shù)字量k，k的值就是故障的類型，比 如diagnosis ()函數(shù)最終輸出k = 1，則表明DSP診斷出逆變器的故障為種類1，即HlSl 開(kāi)路故障。所述故障診斷子函數(shù)程序的內(nèi)容如下：
[0046] ad_valUe[512]數(shù)組存儲(chǔ)滿之后，觸發(fā)一次故障診斷，根據(jù)步驟2和步驟3中的 內(nèi)容，將采集好的512個(gè)數(shù)據(jù)ad_Value[512]進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理之后的四個(gè)數(shù)據(jù) %,= )，彳I G I丨_〗x 丨_，接著將該數(shù)據(jù)和步驟4中的結(jié)果xw[4] [15]和wy [15] [11] 帶入公式公式（2-1)和式（2-2)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷；最后，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出序列yk，該 序列由11個(gè)數(shù)據(jù)組成，包含診斷結(jié)果；DSP使用冒