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
7、与参与导通。图为与续 流二极 管发生开 路 故 障 变 流器电流、电压波形。调制信号？门（）开路故障基 于的变流器开路 故障诊断零零小小为为减减变变突突；必厶厶厶 采样 点数（）正常运行，输出电压，负载电阻？，支撑电容电压，超级电容（：。，直流电抗器，采样频率厶，开关频率训练集与 测试集数 据样本的分布情况见表，对类运行状态分配的标签。表实验数据样 本组成 运行状态训练集样 本 数 量测试 集 样本 数量类别标签正 常运行 开路开路 开路开路功率 器 件开路故障特征组合图，分 别为与二极 管 开路时瞬 时频率特征及不同运行状态下 的时频特征组合结 果。（）开路（）开 路图与二极管开路时的 采样
8、点数采样点 数（）开路（）开路图时频 特征组合 结 果 采 样点数采样点 数（）开路（）开路对构成极坐标表达式，可得到解析函数（，再由式（）得到瞬时频 率，如式（）所示：（）（士为将量纲 不同的个特征向量组成故障 诊 断特征组合 并消除运行工况的影响，以个参 数的平均 值为基准值进行归一化处理：（）式中为特征 参数 原始值；为归化后的值；为特征参数的平均 值。归一化处理后得到的特征组合，作为输入层输入 模型。模型的构成主要包括输入层、卷积层、池化层、全 连接层及输出层。卷积运算的数 学模型为：卜（）！）！（）式中：）为 第层中第帧的第；个神经元输入；幻，分别为第层第个滤 波器的权重和网络 偏
9、置为局部输入。池化层最 大池化公式为：（）（）式中：）为第层中第个 特 征中 的第个 神经元的值，（）（，为池化区域宽度；（）为 第层中第；个特征的第个神经元的值。故障诊断流 程基于的三电平变流器与续 流二极管开路故 障检测主要步 骤 如下：采集和；利用算法对，？进 行模 态 分解 计算乂；判 断乂是 否发生开关频率二倍频突变，若为二倍开关 频 率，则未发生开路故障；若，突变 为开关 频 率，则变功率器件 发 生开路故障；构建，？和的特征组合；利用测试 集的数据对 模型中进 行训练，得到开路故障诊断模型；用故障诊断模型进行开路故障诊断，判断三电平变流器功率器件故障类型和位置。实验验证首先在 中
10、搭建二电平 变流器仿真 模型，利用仿 真 数据作为训练集对神经网络模型进行训练。然后，采用远宽硬件在环系统 实验数据作 为测试集输入进行 性能验证。搭 建了远宽实时模拟器与控制器。仿 真 模型与硬件 在环模型参数一致，具体为：输入电压，额定输入电流第卷第期电 力电子技术，年月袈逢？：基于的变流器开路故障诊断首先采 集与，通过算法计算 得到开关纹波电流分量的瞬时频 率。根据图可见，变流器正常运行时久保持 在，为倍开关频率（）。值 得 注意的是，和续流二极 管发生开路故障 时，乂会突降 到开关 频 率，即二倍频消失，与上述理论 分析一致。构建类 数据样本的特征组合，数据样 本为采 样点数 为的一维
11、向量，对个 特征 参数 都进 行归一化处理后进行组合，得到的特征组合曲线如图所示。故障诊断结果建立的模型包括：个输入层，个卷积层，个池化层，个全连接层。一维 神经网络算法的学习率 设置为，使用交叉熵 损失函数。模型结 构参 数为：输入层的卷 积核大小为，卷 积 层的卷 积核大小为，池化 层的卷 积 核 大小为，卷积层的卷 积核大小为，池化层的卷积核大小为，全连接 层的卷 积核大小 为，输出层的卷 积核大小为。模型故障诊断 结 果如图所示，从结果可得经过训练的神经网络 对硬件模型故障诊断准确率可达。由图测试集样 本分 类的可视化 结 果可知，可以很好地对 故障样 本进行分类。实验结 果表明所提方
12、法可有 效 诊断三电平 双向变流器的及续流二极 管开路故障。图故 障 诊 断结果 为了对比不同特征 参 量的故 障 诊断性能，分别将变流器中的单一特征输入到训练并进行故障诊断。表为 不同特征参量的故障诊断准确率对比。表故障诊断 准确 率对比 特 征参量样 本 数量准确率 时 频特征组合由表可知，采用单一特征的故障检测准确率小于，其原因是单一特征在和续流二极管发 生开路故障时存 在耦合，而利用时频特征组合 能够 大幅提高故障诊断准确率（大于）。不同运行工况下的鲁棒 性验证实际三电平 变流器的运行工况复杂多变。为验证所提方法的工况鲁棒性，通过调节开关频率、占空比 以及输入电压模拟不同运行工况。将开
13、关 频 率 从改变为，输入电压从调 整到，占空比从动态变 化进行 实验。图为改变运行工况后的故障诊断准确率对比图，时频特征组合在改变运行工况下的故障诊断准确率仍可达，相比其 他 单一特征 具有更快的收敛速度和更 高的准 确 率。实验结果表明所 提方法具有良好的工况鲁棒性。宄其原因，瞬时频率为三电平变 流器的本 征特征，其对运行工况变化导致的幅值变化不敏感，而且此处对特 征向量均进行了归一化处理。图改变运行工况后的故障诊断 准确率 结论提出了基于的三电平 变流器及续 流二极管开路检测方法。通过 人工智能数 据驱动的方法并 采用时频特征组合作 为诊断变量，实现了对与续流二极管的开路故障的同时检测，并提 高了故 障诊断准确率和工况鲁棒 性。为 变 流器故 障监测技术及进一步的变流器故障隔离、保护或容错控制提供支撑。参 考文献，：？，（）：，（）：李豪，岳朋朋，向大 为，等基于瞬时频率的三电平变流器 开路故障检测方法高电压技术，（）：
