三電平逆變器多模式故障診斷電路及其診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三電平逆變器多模式故障診斷電路及其診斷方法，采集NPC三電平逆變器每相橋臂的上、中、下橋臂電壓信號，送橋臂電壓故障特征提取模塊進行故障特征提取后送神經(jīng)網(wǎng)絡模塊進行分析，采用主神經(jīng)網(wǎng)絡模塊測量中橋臂電壓，用于診斷三電平逆變器單橋臂器件開路包括無故障的11種故障模式；兩個輔助神經(jīng)網(wǎng)絡模塊測量上、下橋臂電壓，用于診斷三電平逆變器單橋臂器件開路另4種故障模式，并通過三個神經(jīng)網(wǎng)絡模塊相結合，共同診斷三電平逆變器每相橋臂單個器件開路和多個器件同時開路共13種的多故障模式。實現(xiàn)精確定位到故障器件，且算法結構簡化，可避免計算赫賽矩陣，從而減少訓練中的計算量和內(nèi)存需求量，運算塊，診斷精度高，抗干擾能力強。
【專利說明】三電平逆變器多模式故障診斷電路及其診斷方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電力器件故障診斷技術，特別涉及一種具有多神經(jīng)網(wǎng)絡結構的中點鉗位三電平逆變器多模式故障診斷電路及其診斷方法。
【背景技術】
[0002]相對于傳統(tǒng)的兩電平逆變器，多電平逆變器具有輸出電平數(shù)增加、更好的諧波頻譜、器件所承受的電壓應力小等優(yōu)勢，但是由于多電平電路使用了數(shù)量較多的開關器件，導致電路的可靠性相應降低，任何一個器件故障都有可能導致整個電路停止工作，甚至會影響到其他電路的安全，造成不可估量的經(jīng)濟損失。
[0003]目前國內(nèi)外針對二極管中點鉗位(Neutral-Point Clamped，NPC)三電平逆變器的故障診斷問題已開發(fā)不少技術方法。例如，分析NPC三電平逆變器在單個功率器件開路故障下的電路工作情況及故障表現(xiàn)形式，并由此提出根據(jù)檢測逆變器輸出側PWM電壓波形和輸出電流極性來診斷功率管開路故障的故障診斷方案。該方法具有診斷迅速、可靠性高的優(yōu)點，但其診斷結果并沒有精確定位到某個器件，需要再進行人工查找。還有針對NPC逆變器單個功率器件開路故障，提出利用三相電流波形的電流軌跡方法來進行故障診斷技術，把每相的橋臂中點和直流電壓中心點之間的電壓(leg-vo I tage )和正常情況下的電壓進行比較，利用比較結果進行單個功率器件故障的診斷。但是，這些技術基本上只考慮單個器件開路的故障模式。從可靠性角度看，單純研究單個器件開路故障顯然不夠全面，因此，為了提高三電平逆變器的可靠性，本發(fā)明針對三電平逆變器單個功率器件開路和兩個功率器件同時開路的多種故障模式，提出對逆變器的多個橋臂電壓進行快速傅里葉變換，提取故障特征，并利用一個多神經(jīng)網(wǎng)絡的結構進行故障診斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是針對多電平逆變電路容易出現(xiàn)故障的問題，提出了一種三電平逆變器多模式故障診斷電路及其診斷方法，該電路能診斷NPC三電平逆變器每相橋臂單個器件開路和多個器件同時開路共13種的多故障模式，實現(xiàn)精確定位到故障器件，且算法結構簡化，可避免計算赫賽矩陣，從而減少訓練中的計算量和內(nèi)存需求量，運算塊，診斷結果精度高，抗干擾能力強。
[0005]本發(fā)明的技術方案為:一種三電平逆變器多模式故障診斷電路，NPC三電平逆變器電路、橋臂電壓故障特征提取模塊、主神經(jīng)網(wǎng)絡模塊、兩個輔助神經(jīng)網(wǎng)絡模塊和故障確定顯示模塊，NPC三電平逆變器電路由上、中、下三個三相橋臂并聯(lián)組成，橋臂電壓故障特征提取模塊分別采集三個三相橋臂的每相橋臂的電信號并進行處理，將采集的中橋臂信號進行故障特征提取后送主神經(jīng)網(wǎng)絡模塊，將采集的上、下橋臂信號進行故障特征提取后分別送兩個輔助神經(jīng)網(wǎng)絡模塊，三個神經(jīng)網(wǎng)絡模塊輸出接故障確定顯示模塊，NPC三電平逆變器電路驅動三相負載，三電平逆變器每相由4個IGBT功率元件串聯(lián)組成，每個功率器件反并聯(lián)I個續(xù)流二極管，三相并聯(lián)接直流電&，每相的中間兩個串聯(lián)IGBT功率元件上并聯(lián)接兩個串聯(lián)的二極管，兩個串聯(lián)的二極管的中間點接直流電&的中間電壓點(0)，即&/2電壓處，每相4個串聯(lián)IGBT功率元件的中間點(a、b、c)輸出接對應三相負載，所述中橋臂電壓信號為每相的中間點a、b、c與直流電&的中間電壓點(O)之間的電壓，所述上、下橋臂電壓信號分別為兩個串聯(lián)的二極管上的電壓。
[0006]三電平逆變器多模式故障診斷方法，包括三電平逆變器多模式故障診斷電路，具體包括如下步驟:
1)橋臂電壓故障特征提取模塊采集每相的上、中、下橋臂電壓信號，然后采用快速傅里葉變換方法對采集的信號進行故障特征提?。?br> 2)橋臂電壓故障特征提取模塊將每相的中橋臂電壓信號進行故障特征提取后信號送主神經(jīng)網(wǎng)絡模塊，主神經(jīng)網(wǎng)絡選取直流分量、基波、兩倍基波、三倍基波、載波分量、載波分量前后兩頻率、兩倍載波分量的幅值、直流分量、基波和兩倍基波的相位共11維作為輸入特征向量進行訓練，輸出分別比送兩個輔助神經(jīng)網(wǎng)絡模塊，同時主神經(jīng)網(wǎng)絡對故障模式進行診斷，將診斷后故障模式和對應的輸出向量對比后輸出到故障確定顯示模塊；
3)橋臂電壓故障特征提取模塊將每相的上、下橋臂電壓信號進行故障特征提取后信號分別送兩個輔助神經(jīng)網(wǎng)絡模塊，兩個輔助神經(jīng)網(wǎng)絡模塊都選取直流分量、基波和兩倍基波的幅值共3維作為輸入特征向量進行訓練，對故障模式進行診斷，將診斷后故障模式和對應的輸出向量對比后輸出到故障確定顯示模塊，故障確定顯示模塊顯示三電平逆變器每相橋臂中單個器件故障情況。
[0007]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明三電平逆變器多模式故障診斷電路及其診斷方法，能迅速診斷多種故障模式，實現(xiàn)精確定位到故障器件，不需要再進行人工查找，使NPC三電平逆變器電路可靠性得到提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明具有多神經(jīng)網(wǎng)絡結構的NPC三電平逆變器多模式故障診斷電路框圖；
圖2為NPC三電平逆變器電路圖；
圖3為本發(fā)明NPC三電平逆變器單個橋臂電路圖；
圖4為本發(fā)明NPC三電平逆變器兩個功率器件同時開路時的工作狀態(tài)圖；
圖5為本發(fā)明單個功率器件開路時橋臂電壓波形圖；
圖6為本發(fā)明兩個功率器件同時開路時4種典型故障的橋臂電壓波形圖；
圖7為本發(fā)明上橋臂電壓波形圖；
圖8為本發(fā)明具有多神經(jīng)網(wǎng)絡的結構框圖；
圖9為本發(fā)明單個功率器件開路時橋臂電壓波形對應的幅頻特性圖；
圖10為本發(fā)明兩個功率器件同時開路時橋臂電壓波形對應的幅頻特性圖。
【具體實施方式】
[0009]如圖1所示具有多神經(jīng)網(wǎng)絡結構的NPC三電平逆變器多模式故障診斷電路框圖，電路主要包括:NPC三電平逆變器電路1，三相負載2，橋臂電壓故障特征提取模塊3，主神經(jīng)網(wǎng)絡模塊4，輔助神經(jīng)網(wǎng)絡A模塊5，輔助神經(jīng)網(wǎng)絡B模塊6，故障確定顯示模塊7。NPC三電平逆變器電路I由上、中、下三個三相橋臂并聯(lián)組成，橋臂電壓故障特征提取模塊3分別采集三個三相橋臂的每相橋臂的電信號進行處理，將采集的中橋臂信號進行故障特征提取后送主神經(jīng)網(wǎng)絡模塊4，將采集的上、下橋臂信號進行故障特征提取后送分別送輔助神經(jīng)網(wǎng)絡A模塊5和輔助神經(jīng)網(wǎng)絡B模塊6，主神經(jīng)網(wǎng)絡模塊4、輔助神經(jīng)網(wǎng)絡A模塊5和輔助神經(jīng)網(wǎng)絡B模塊6的輸出接故障確定顯示模塊7，NPC三電平逆變器電路I驅動三相負載2。
如圖2所示NPC三電平逆變器電路圖，三電平逆變器每相由4個IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)SI~S4功率元件串聯(lián)組成，每相的中間點，即S2和S3中點a、b、c為三電平逆變器輸出接對應三相負載，每個功率器件反并聯(lián)I個續(xù)流二極管，三相并聯(lián)接直流電&，每相中間兩個串聯(lián)IGBT功率元件S2和S3上并聯(lián)接兩個串聯(lián)的二極管久、久，直流Ud中性點O接串聯(lián)的兩個二極管化5、化6中間點，這樣每個功率器件耐壓值可降低一半，更適合于大功率交流傳動系統(tǒng)的控制。例如a相，當乙、5^導通時，點a對中性點O的電壓為Ud / 2 ；當Sa3導通時，點a對中性點O的電壓為O ;當Sa3、Sa4導通時，點a對O點的電壓為-Ud/2。故三電平逆變器每相可輸出3種電平狀態(tài)，三相共可輸出27種電平狀態(tài)。
[0010]如圖3所示NPC三電平逆變器單個橋臂電路圖，本發(fā)明定義三個橋臂電壓為:“中橋臂電壓”，即橋臂中點a和直流電壓中點ο之間的電壓，記為Vao 上橋臂電壓”，即au點和ο點之間的電壓，記為Vauo 下橋臂電壓”，即ad點和ο點之間的電壓，記為Vado。
[0011]如圖4所示NPC三電平逆變器兩個功率器件同時開路時的工作狀態(tài)圖，當單個功率器件開路時，共有Sal~Sa4、VDa5、VDa6等六個功率器件單獨開路的情況?？紤]到電路的對稱性，只需分析Sal、Sa2和VDa5三個器件的開路情況，圖4中(a)、(b)、(c)分別為Sal、VDa5和Sa2開路時的工作狀態(tài)圖，它們代表了單個器件開路的典型故障。圖5所示單個功率器件開路時橋臂電壓波形圖，圖5a~5d分別為無故障以及三種典型故障的橋臂電壓仿真波形。當兩個功率器件同時開路時，共有兩種情況:一是兩個器件處于同一個橋臂，比如Sal和Sa3 ;二是兩個器件處在不同的橋臂上，比如a相橋臂的Sal和b相橋臂的Sblt^i于后者，相當于某個橋臂上的單個器件開路，可以利用上述單獨開路情況的特征通過相應橋臂上的橋臂電壓加以區(qū)分。對于兩個器件處于同一個橋臂情況，以橋臂a為例，此時共有6種不同的故障模式，即Sal和Sa2、Sal和Sa3、Sal和Sa4、Sa2和Sa3、Sa2和Sa4、Sa3和Sa4同時開路。由于電路的對稱性，只需分析前4種情況，它們代表了兩個器件同時開路的典型故障，如圖6所示兩個功率器件同時開路時4種典型故障的橋臂電壓波形圖。
[0012]對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，Sa2單獨開路(見圖5 (C))與Sal和Sa2同時開路(見圖6(a))的橋臂電壓具有相同的電平邏輯特征。根據(jù)電路的對稱性可以得知，Sa3單獨開路與Sa3和Sa4同時開路的橋臂電壓具有相同的電平邏輯特征?？紤]圖3上半橋臂中a點和ο點之間的通路(即只分析Sal、Sa2和VDa5，以及對應的續(xù)流二極管)，可以得出，當a相電流ia>0時，有兩種工作狀態(tài)，分別如圖4a和4b所示；當電流ia<0時，電流只能流過VDal和VDa2。當Sa2單獨開路時，工作狀態(tài)I和2 (圖4 (a)和4 (b))都不可能實現(xiàn)，只可能出現(xiàn)工作狀態(tài)3 (圖4 (c));同樣當Sal和Sa2同時開路時，也只能出現(xiàn)工作狀態(tài)3。因此，電路工作原理分析表明，在Sa2單獨開路與Sal和Sa2同時開路兩種故障模式下，橋臂電壓Vao是相同的。這意味著，只利用橋臂電壓無法實現(xiàn)這兩種故障模式的分離。為實現(xiàn)上述這兩種故障模式的區(qū)分，本發(fā)明引入新的故障特征信息，即引入上面定義的上橋臂電壓和下橋臂電壓，圖7a為Sa2單獨開路的上橋臂電壓波形圖，圖7b為Sal和Sa2同時開路的上橋臂電壓波形圖，可以看出，兩者波形區(qū)分還是比較明顯的。
[0013]如圖8所示具有多神經(jīng)網(wǎng)絡的結構框圖，其主神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入為橋臂電壓Vao，用來區(qū)分表1中11種故障模式(包括“無故障”);輔助神經(jīng)網(wǎng)絡A的輸入為上橋臂電壓Vauo以及主神經(jīng)網(wǎng)絡Sa2或者Sal+ Sa2故障模式的輸出向量；輔助神經(jīng)網(wǎng)絡B的輸入為下橋臂電壓Vado以及主神經(jīng)網(wǎng)絡Sa3或者Sa3+ Sa4故障模式的輸出向量。表1所示利用主神經(jīng)網(wǎng)絡進行區(qū)分的各種故障模式和對應的輸出向量，表2和表3所示利用輔助神經(jīng)網(wǎng)絡進行區(qū)分的故障模式和對應輸出向量。圖8中，故障信號在輸入到每個神經(jīng)網(wǎng)絡之前，要事先經(jīng)過特征提取。本發(fā)明采用快速傅里葉變換方法，對橋臂電壓或者上下橋臂電壓進行故障特征提取。
[0014]表1
【權利要求】
1.一種三電平逆變器多模式故障診斷電路，其特征在于，NPC三電平逆變器電路、橋臂電壓故障特征提取模塊、主神經(jīng)網(wǎng)絡模塊、兩個輔助神經(jīng)網(wǎng)絡模塊和故障確定顯示模塊，NPC三電平逆變器電路由上、中、下三個三相橋臂并聯(lián)組成，橋臂電壓故障特征提取模塊分別采集三個三相橋臂的每相橋臂的電信號并進行處理，將采集的中橋臂信號進行故障特征提取后送主神經(jīng)網(wǎng)絡模塊，將采集的上、下橋臂信號進行故障特征提取后分別送兩個輔助神經(jīng)網(wǎng)絡模塊，三個神經(jīng)網(wǎng)絡模塊輸出接故障確定顯示模塊，NPC三電平逆變器電路驅動三相負載，三電平逆變器每相由4個IGBT功率元件串聯(lián)組成，每個功率器件反并聯(lián)I個續(xù)流二極管，三相并聯(lián)接直流電&，每相的中間兩個串聯(lián)IGBT功率元件上并聯(lián)接兩個串聯(lián)的二極管，兩個串聯(lián)的二極管的中間點接直流電&的中間電壓點(0)，即&/2電壓處，每相4個串聯(lián)IGBT功率元件的中間點(a、6、c)輸出接對應三相負載，所述中橋臂電壓信號為每相的中間點a、仏c與直流電&的中間電壓點(O)之間的電壓，所述上、下橋臂電壓信號分別為兩個串聯(lián)的二極管上的電壓。
2.三電平逆變器多模式故障診斷方法，包括三電平逆變器多模式故障診斷電路，其特征在于，具體包括如下步驟: 1)橋臂電壓故障特征提取模塊采集每相的上、中、下橋臂電壓信號，然后采用快速傅里葉變換方法對采集的信號進行故障特征提??； 2)橋臂電壓故障特征提取模塊將每相的中橋臂電壓信號進行故障特征提取后信號送主神經(jīng)網(wǎng)絡模塊，主神經(jīng)網(wǎng)絡選取直流分量、基波、兩倍基波、三倍基波、載波分量、載波分量前后兩頻率、兩倍載波分量的幅值、直流分量、基波和兩倍基波的相位共11維作為輸入特征向量進行訓練，輸出分別送兩個輔助神經(jīng)網(wǎng)絡模塊，同時主神經(jīng)網(wǎng)絡對故障模式進行診斷，將診斷后故障模式和對應的輸出向量對比后輸出到故障確定顯示模塊； 3)橋臂電壓故障特征提取模塊將每相的上、下橋臂電壓信號進行故障特征提取后信號分別送兩個輔助神經(jīng)網(wǎng)絡模塊，兩個輔助神經(jīng)網(wǎng)絡模塊都選取直流分量、基波和兩倍基波的幅值共3維作為輸入特征向量進行訓練，對故障模式進行診斷，將診斷后故障模式和對應的輸出向量對比后輸出到故障確定顯示模塊，故障確定顯示模塊顯示三電平逆變器每相橋臂中單個器件故障情況。
【文檔編號】G01R31/27GK103837791SQ201410104400
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權日:2014年3月20日
【發(fā)明者】華容, 陳丹江, 葉銀忠, 余朝章, 乙福翔 申請人:上海應用技術學院