一種基于主元分析與多分類相關(guān)向量機(jī)的多電平逆變器故障診斷策略的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于主元分析與多分類相關(guān)向量機(jī)(PCA-mRVM)的多電平逆變器故障診斷策略。該診斷策略首先通過主元分析將原始樣本進(jìn)行降維，提取出多個(gè)帶有故障特征的主成分，以便形成訓(xùn)練樣本；其次通過多分類相關(guān)向量機(jī)對訓(xùn)練樣本進(jìn)行故障診斷，并輸出各故障類別的概率，以概率最大的故障類別作為診斷結(jié)果。本發(fā)明的故障診斷策略用于具有較大樣本空間以及較多類別的故障診斷中有明顯的優(yōu)勢，具有模型稀疏度高，計(jì)算復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是mRVM可以輸出各類別成員概率，輸出具有概率統(tǒng)計(jì)意義，便于分析不確定性問題。
【專利說明】—種基于主元分析與多分類相關(guān)向量機(jī)的多電平逆變器故障診斷策略
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域中的多電平逆變器的故障診斷，尤其涉及一種基于PCA-mRVM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，多電平逆變器作為一種新型的變換器，因其主電路結(jié)構(gòu)簡單以及控制電路非常靈活等優(yōu)點(diǎn)，作為電力電子領(lǐng)域中高壓大功率變換方面最活躍的一個(gè)分支，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了迅速的推廣。其中級聯(lián)H橋型逆變器因其不需要大量箝位二極管或電容，無需均衡電容電壓，結(jié)構(gòu)上易于模塊化和擴(kuò)展，工作效率高，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用。雖然級聯(lián)H橋型逆變器是多電平逆變器中輸出同樣數(shù)量電平而所需器件最少的一種，但它所需要的開關(guān)器件數(shù)量還是隨著系統(tǒng)電平數(shù)的增加而成倍增加。大量使用功率半導(dǎo)體器件增加了故障發(fā)生的可能性(開關(guān)開路或短路)，而且隨著電壓的升高，故障出現(xiàn)的概率也變大。級聯(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)帶來巨大的損失。研究表明，逆變器供電的變頻調(diào)速系統(tǒng)中開關(guān)器件的故障占整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障的82.5%，是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的環(huán)節(jié)。
[0003]目前多電平逆變器開路故障診斷方法主要有=Rothenhagen提出了IGBT開路的故障診斷方法，該方法需要大量的檢測點(diǎn)和傳感器，這樣會(huì)使電路變得更加復(fù)雜，成本更高，且容易受到外部干擾而導(dǎo)致誤診斷；湯清泉等人提出了根據(jù)檢測逆變器輸出側(cè)PWM電壓和輸出電流極性來診斷功率管開路故障的故障識別方案，該方法對逆變器的工作模式進(jìn)行分區(qū)，不僅可用于單個(gè)功率管發(fā)生故障，還可診斷多個(gè)功率管發(fā)生故障的情況，但由于輸出電流受負(fù)載影響，導(dǎo)致該方法泛化能力較差，且隨著逆變器電平數(shù)的增多，對工作模式進(jìn)行分區(qū)也會(huì)變得極為復(fù)雜；另外楊忠林等人提出了通過檢測逆變器直流側(cè)電流的頻率成分就可以實(shí)現(xiàn)逆變器開關(guān)管的故障診斷，當(dāng)各開關(guān)管工作正常時(shí)，直流側(cè)電流中沒有諧波成分，而當(dāng)有開關(guān)管發(fā)生故障時(shí)，直流側(cè)中則會(huì)出現(xiàn)諧波成分。雖然該方法可以對開關(guān)管故障進(jìn)行檢測，但卻無法具體定位到故障開關(guān)管的位置，且當(dāng)電路較復(fù)雜時(shí)，容易受到外部干擾而導(dǎo)致誤診斷。由以上分析可知，目前針對多電平逆變器的故障診斷問題，主要存在以下困難:(I)故障特征樣本較難提??；(2)樣本數(shù)據(jù)維數(shù)較大，處理較難且計(jì)算量大；(3)目前的診斷方法僅能輸出診斷精度，不能輸出各個(gè)類別的具體結(jié)果，不便分析不確定性問題等。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)問題而提出的一種適用于級聯(lián)H橋多電平逆變器故障診斷策略，其目的就是為了克服已有技術(shù)中存在的泛化能力差、成本高、診斷速度慢等缺點(diǎn)，通過利用FFT將樣本數(shù)據(jù)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，從而便于故障特征樣本的提取，其次通過PCA進(jìn)行降維，減少計(jì)算量等，最后采用mRVM，可以輸出各類別成員概率，輸出具有概率統(tǒng)計(jì)意義，便于分析不確定性問題。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0006]1、構(gòu)造一個(gè)多電平逆變器仿真模型
[0007]采用Matlab/Simulink搭建一個(gè)單相級聯(lián)H橋五電平逆變電路系統(tǒng)模型，然后加入故障環(huán)節(jié)，依次進(jìn)行不同位置的單個(gè)開關(guān)管開路故障測試，提取一個(gè)周期的故障特征信號，建立故障特征集；
[0008]2、數(shù)據(jù)預(yù)處理
[0009]利用FFT將信號轉(zhuǎn)換到故障特征較為明顯的頻域并提取故障特征信號；
[0010]3、提取故障主元
[0011]由于故障特征樣本維數(shù)較大，直接處理的計(jì)算復(fù)雜度較高，且處理速度較慢，因此此處采用PCA對樣本進(jìn)行降維，提取出對分類有影響的主成分，從而顯著提高處理速度；
[0012]4、模型訓(xùn)練階段
[0013]初始化mRVM參數(shù)，本發(fā)明采用RBF核函數(shù)作為mRVM的核函數(shù)，并使用交叉驗(yàn)證法來確定核參。然后將簡化后的故障特征樣本代入mRVM模型進(jìn)行訓(xùn)練；訓(xùn)練結(jié)束后則用測試樣本對該診斷策略進(jìn)行測試，若訓(xùn)練得到的分類精度達(dá)到設(shè)定的精度要求，則訓(xùn)練完成；若訓(xùn)練結(jié)果未達(dá)到既定要求，則跳轉(zhuǎn)至特征提取步驟并更改mRVM的核參。訓(xùn)練的精度要求可以根據(jù)工作條件自行設(shè)定。
[0014]5、實(shí)時(shí)診斷階段
[0015]在該階段，直接將待分類的樣本數(shù)據(jù)導(dǎo)入訓(xùn)練好的模型中，即可得到各個(gè)樣本的概率輸出結(jié)果，并將其中概率最大的樣本作為分類診斷結(jié)果。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)效果在于:本發(fā)明所采用的PCA-mRVM策略，首先，在傳統(tǒng)RVM分類診斷算法的基礎(chǔ)上加入了降維環(huán)節(jié)，以滿足具有較大樣本的情況，且本發(fā)明所采用的PCA算法，所提取的特征樣本更加準(zhǔn)確且更具有代表性；其次，該診斷策略可以直接輸出各類別成員概率，輸出具有概率統(tǒng)計(jì)意義，便于分析不確定性問題。由于該診斷策略僅采用輸出端電壓信號作為其輸入信號，因此避免了傳感器的大量使用，并降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度以及構(gòu)建成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明多電平逆變器實(shí)時(shí)故障診斷策略結(jié)構(gòu)圖，其中:
[0018]1:三相異步電機(jī)
[0019]2:級聯(lián)H橋多電平逆變器
[0020]3:電壓采樣電路
[0021]圖2為本發(fā)明故障診斷策略的模型訓(xùn)練過程流程圖；
[0022]圖3為本發(fā)明中逆變器單個(gè)開關(guān)管故障的輸出電壓波形圖；
[0023]圖4為對輸出電壓波形進(jìn)行FFT之后的頻譜圖；
[0024]圖5為分層貝葉斯模型結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖6為Fast Type-1I ML的程序流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】:
[0026]為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡釋本發(fā)明。
[0027]—種多電平逆變器實(shí)時(shí)故障診斷策略結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。診斷策略主要由四部分組成:數(shù)據(jù)預(yù)處理以及特征提取、分類診斷模型、輸出診斷結(jié)果、開關(guān)模式計(jì)算。本發(fā)明主要研究前三部分，開關(guān)模式計(jì)算這里暫不考慮。該策略工作原理如下:首先對逆變器的輸出電壓信號進(jìn)行預(yù)處理并對其特征提取，從而降低樣本的維數(shù)；其次，將處理后的數(shù)據(jù)帶入已訓(xùn)練好的mRVM模型(該模型應(yīng)用于陌生樣本時(shí)只需在初始時(shí)訓(xùn)練一次即可)進(jìn)行診斷分類；然后輸出各類別成員概率，并將其中概率最大的樣本作為分類診斷結(jié)果。
[0028]Surin Khomifoi等人分析了級聯(lián)多電平其輸出電壓的波形是和開關(guān)的通斷緊密相關(guān)的，以單相級聯(lián)H橋?yàn)槔?，如果發(fā)生一個(gè)短路故障，某一個(gè)開關(guān)輸出電壓將一直為零。而如果發(fā)生一個(gè)開路故障，輸出電壓為(一個(gè)周期內(nèi)均值)。當(dāng)開關(guān)發(fā)生故障(開路或短路)時(shí)不能產(chǎn)生期望的輸出電壓波形。分析可知，不同H橋單元發(fā)生故障時(shí)，其故障特征不同，輸出相電壓信號與故障類型和位置是緊密相關(guān)的，且輸出相電壓不隨負(fù)載變化。因此本發(fā)明采用輸出電壓作為故障診斷信號。
[0029]下面主要介紹本發(fā)明提出的PCA-mRVM多電平逆變器診斷策略，主要包括模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)預(yù)處理、提取故障主元、模型訓(xùn)練階段以及測試階段等。圖2為所提出故障診斷策略的訓(xùn)練過程流程圖，具體的步驟如下。
[0030]Stepl:模型構(gòu)建
[0031]采用Matlab/Simulink搭建一個(gè)單相級聯(lián)H橋五電平逆變電路系統(tǒng)模型，利用SHPWM (Subharmonic PWM)進(jìn)行控制，調(diào)制波頻率為50Hz，載波頻率為4kHz，采樣頻率為40kHz。然后加入故障環(huán)節(jié)，依次進(jìn)行不同位置的單個(gè)開關(guān)管開路故障測試，提取逆變器每種故障一個(gè)周期的輸出電壓信號，如圖3所示，建立故障特征集；
[0032]St印2:數(shù)據(jù)預(yù)處理
[0033]采樣得到的一個(gè)周期的離散輸出電壓信號
【權(quán)利要求】
1.一種基于主元分析與多分類相關(guān)向量機(jī)的多電平逆變器故障診斷策略，其特征在于，依次含有以下步驟: 步驟1:構(gòu)造一個(gè)多電平逆變器仿真模型 采用Matlab/Simulink搭建一個(gè)單相級聯(lián)H橋五電平逆變電路系統(tǒng)模型，利用SHPWM進(jìn)行控制，調(diào)制波頻率為50Hz，載波頻率為4kHz，采樣頻率為40kHz，然后加入故障環(huán)節(jié)，依次進(jìn)行不同位置的單個(gè)開關(guān)管開路故障測試，提取逆變器每種故障一個(gè)周期的輸出電壓信號，建立故障特征集； 步驟2:數(shù)據(jù)預(yù)處理 步驟I采樣得到的一個(gè)周期的離散的所述輸出電壓信號，經(jīng)過FFT變換后，得到數(shù)據(jù)集Xaxb，其中a為觀測值個(gè)數(shù)，b為諧波個(gè)數(shù)(對應(yīng)O到b-Ι次諧波)，F(xiàn)FT變換公式:Fk =Gk+ W1)Hk' H-WH，這里 Wb=e_j2〃b，k=0，1，...，b/2-l，將預(yù)處理后的故障樣本數(shù)據(jù)Xaxb與其分類標(biāo)簽向量I 一一對應(yīng)，作為輸入樣本數(shù)據(jù)[X，I]； 步驟3:提取故障主元 (1)由步驟2得預(yù)處理后的數(shù)據(jù)樣本Xe Raxb,其中a為對應(yīng)數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)數(shù)，b為對應(yīng)樣本維數(shù)； (2)計(jì)算協(xié)方差矩陣，求解協(xié)方差矩陣Rx的特征值λ與相對應(yīng)的特征值向量P:
協(xié)方差矩陣=Rx=E {[X-E (X) ] [X-E (X) ]τ}； 通過求解方程I入1-Rx |=0和I λ J-RxIpi=O, i=l, 2，…，b求得特征值λ和特征值向量P，其中，XiS Rx的第i個(gè)特征值，滿足A1S入^仏是相應(yīng)于特征值Xi的特征向量，P=[pl,p2,…，pb]T ； (3)根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率選擇相對主元個(gè)數(shù)m:

【文檔編號】G06F17/50GK103761372SQ201410005022
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】王天真, 徐浩, 吳昊, 張健, 錢坤 申請人:上海海事大學(xué)