級(jí)聯(lián)型statcom系統(tǒng)igbt的開路故障診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)IGBT的開路故障診斷方法，以半個(gè)基波周期電容電壓信號(hào)作為原始信號(hào)來處理，既可以保留故障信號(hào)的特征又能保證診斷的實(shí)時(shí)性，采用特征降維方法改進(jìn)的多核最小二乘支持向量機(jī)提高了診斷準(zhǔn)確率，并減少了診斷時(shí)間。本發(fā)明還減少了因負(fù)載變化而導(dǎo)致誤診斷情況，繼承了傳統(tǒng)SVM分類方法小樣本學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)IGBT的開路故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)，特別是設(shè)及級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)IGBT的開路故障 診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 級(jí)聯(lián)型靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)裝置可W補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)的容性或感性無功，W 增強(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)通常由控制器、變流器、濾波裝置和散熱裝置 組成，每個(gè)部分發(fā)生故障都會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的情況下會(huì)造成系統(tǒng)停機(jī)。其中控 制器和散熱裝置的故障，通過溫度監(jiān)測(cè)及繼電保護(hù)配置等措施，已形成了成熟的解決方法。 然而，在變流器中組成H橋功率模塊的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，由于長(zhǎng)期處于高頻動(dòng)作 和能量變換的工作環(huán)境，也很容易發(fā)生故障。其故障會(huì)使系統(tǒng)處于非正常工作狀態(tài)，并會(huì)增 加其余器件的電壓和電流，超過一定時(shí)間將會(huì)觸發(fā)二次故障，若故障后不及時(shí)處理將會(huì)造 成STATCOM系統(tǒng)輸出不平衡、諧波增加等危害，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成保護(hù)停機(jī)。
[0003] 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，通常會(huì)對(duì)IGBT配備相應(yīng)的電保護(hù)(驅(qū)動(dòng)電路、過流保護(hù) 和過壓保護(hù)等)和熱保護(hù)(散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和過熱檢測(cè)等），運(yùn)些常規(guī)保護(hù)已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置， 最大限度的保障了 IGBT的安全運(yùn)行。然而，由于STATCOM系統(tǒng)的工作環(huán)境一般處于高電壓、 高電磁干擾中，而且從工業(yè)應(yīng)用的角度(體積、功耗等）出發(fā)，各種保護(hù)的設(shè)計(jì)不能過于復(fù) 雜，運(yùn)就增加了 IGBT發(fā)生故障的幾率。受制于工作環(huán)境、安裝位置、制造工藝等方面的限制， 其可靠性問題一直沒有得到有效的解決。
[0004] 現(xiàn)有的對(duì)于IGBT開路故障的診斷方法集中于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 中的S相電壓源逆變器、變頻器等，還沒有應(yīng)用于級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)中的先例。而在現(xiàn)有 的逆變器、變頻器中的IGBT開路故障診斷方法中，所需要的原始信號(hào)均是S相輸出電壓或 =相輸出電流。采取=相輸出電壓信號(hào)作為原始信號(hào)，易受電源電壓波動(dòng)的影響，而輸出電 流信號(hào)則易受負(fù)載波動(dòng)的影響，致使故障診斷效果不佳，容易造成誤診斷。另外診斷時(shí)間也 較長(zhǎng)。由于電網(wǎng)系統(tǒng)中負(fù)載無功的時(shí)變性，要求STATCOM系統(tǒng)能夠及時(shí)跟蹤無功的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種能夠解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷的級(jí)聯(lián)型 STATCOM系統(tǒng)IGBT的開路故障診斷方法。
[0006] 技術(shù)方案:本發(fā)明所述的級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)IGBT的開路故障診斷方法，包括W下 步驟：
[0007] SI:分FPGA控制板采集電容電壓信號(hào)作為原始信號(hào)，每種故障類型采集N組原始信 號(hào)，并將原始信號(hào)傳輸給主FPGA控制板；
[000引S2:主FPGA控制板將原始信號(hào)傳輸給診斷FPGA板，診斷FPGA板將原始信號(hào)按時(shí)間 間隔進(jìn)行濾波降噪和小波多分辨率分析，形成單組特征向量數(shù)據(jù)Tl傳輸給上位機(jī)；
[0009] S3:每種故障類型選取^組特征向量數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本Ttrain,進(jìn)行歸一化處理；
[0010] S4:分別建立=種故障分類器，即最小二乘支持向量機(jī)、多核最小二乘支持向量機(jī) 和譜系聚類算法改進(jìn)的最小二乘支持向量機(jī)；
[0011] S5:將訓(xùn)練樣本Ttrain及其對(duì)應(yīng)的故障分類標(biāo)簽分別通過故障分類器進(jìn)行分類學(xué) 習(xí)；
[0012] 86:將每種故障類型的剩余^組特征向量數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本1\63*;
[0013] S7:將Ttest輸入學(xué)習(xí)好的故障分類器，驗(yàn)證故障分類器的性能。
[0014] 進(jìn)一步，所述步驟Sl中的電容電壓信號(hào)為半個(gè)基波周期的電容電壓信號(hào)。
[001引進(jìn)一步，所述步驟S2中，主FPGA控制板將原始信號(hào)通過光纖板傳輸給診斷FPGA板。
[0016] 進(jìn)一步，所述步驟Sl中，通過采樣板采集電容電壓信號(hào)，并將電容電壓信號(hào)傳輸給 分FPGA控制板。
[0017] 進(jìn)一步，所述步驟S2中，診斷FPGA板與上位機(jī)之間的通訊通過通訊板來完成。
[0018] 有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0019] 1)本發(fā)明W半個(gè)基波周期電容電壓信號(hào)作為原始信號(hào)來處理既可W保留故障信 號(hào)的特征又能保證診斷的實(shí)時(shí)性；
[0020] 2)本發(fā)明減少了因負(fù)載變化而導(dǎo)致誤診斷情況；
[0021] 3)本發(fā)明繼承了傳統(tǒng)SVM分類方法小樣本學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)；
[0022] 4)本發(fā)明采用特征降維方法改進(jìn)的多核最小二乘支持向量機(jī)提高了診斷準(zhǔn)確率， 并減少了診斷時(shí)間；
[0023] 5)本發(fā)明的診斷精度>94%，診斷時(shí)間<0.01s。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明方法所設(shè)及的系統(tǒng)的框圖；
[0025] 圖2為正常情況下，上位機(jī)Matlab工具監(jiān)測(cè)到的網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)電流isa的結(jié)果；
[00%]圖3為正常情況下，上位機(jī)Matlab工具監(jiān)測(cè)到的A相第一個(gè)功率模塊電容電壓UdcAi 的結(jié)果；
[0027] 圖4為正常情況下，上位機(jī)Matlab工具監(jiān)測(cè)到的負(fù)載電流iia的結(jié)果；
[0028] 圖5為正常情況下，上位機(jī)Matlab工具監(jiān)測(cè)到的裝置電流ica的結(jié)果；
[0029] 圖6為化11開路故障情況下，上位機(jī)Matlab工具監(jiān)測(cè)到的網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)電流isa的結(jié)果；
[0030] 圖7為化11開路故障情況下，上位機(jī)Matlab工具監(jiān)測(cè)到的A相第一個(gè)功率模塊電容 電壓UdcAl的結(jié)果；
[0031] 圖8為化11開路故障情況下，上位機(jī)Matlab工具監(jiān)測(cè)到的負(fù)載電流iia的結(jié)果；
[0032] 圖9為化11開路故障情況下，上位機(jī)Matlab工具監(jiān)測(cè)到的裝置電流ica的結(jié)果；
[0033] 圖10為采用本發(fā)明方法得到的聚類結(jié)果；
[0034] 圖11為圖10中聚類結(jié)果的局部放大圖；
[0035] 圖12為在線實(shí)時(shí)故障診斷的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 本發(fā)明公開了一種級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)IGBT的開路故障診斷方法，包括W下步驟：
[0037] SI:分FPGA控制板采集電容電壓信號(hào)作為原始信號(hào)，每種故障類型采集20組原始 信號(hào)，并將原始信號(hào)傳輸給主FPGA控制板；圖2-圖5分別為正常情況下的上位機(jī)Matlab工 具監(jiān)測(cè)的網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)電流isa、A相第一個(gè)功率模塊電容電壓UdcAl、負(fù)載電流ila和裝置電流(LCL 濾波器之后）ica;圖6-圖9分別為化11開路故障情況下的上位機(jī)Matlab工具監(jiān)測(cè)的網(wǎng)側(cè)系 統(tǒng)電流isa、A相第一個(gè)功率模塊電容電壓UdcAl、負(fù)載電流ila和裝置電流化化濾波器之后） Ica O
[003引S2:主FPGA控制板將原始信號(hào)傳輸給診斷FPGA板，診斷FPGA板將原始信號(hào)按時(shí)間 間隔進(jìn)行濾波降噪和小波多分辨率分析，形成單組特征向量數(shù)據(jù)Tl傳輸給上位機(jī)；
[0039] S3:每種故障類型選取10組特征向量數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本Ttrain,進(jìn)行歸一化處理；
[0040] S4:分別建立=種故障分類器，即最小二乘支持向量機(jī)、多核最小二乘支持向量機(jī) 和譜系聚類算法改進(jìn)的最小二乘支持向量機(jī)；
[0041] S5:將訓(xùn)練樣本Ttrain及其對(duì)應(yīng)的故障分類標(biāo)簽分別通過故障分類器進(jìn)行分類學(xué) 習(xí)；
[0042] S6:將每種故障類型的剩余10組特征向量數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本Ttest;
[0043] S7:將Ttest輸入學(xué)習(xí)好的故障分類器，驗(yàn)證故障分類器的性能。
[0044] =種故障分類器的故障診斷結(jié)果如表1所示。
[0045] 表1故障診斷結(jié)果
[0046]
[0047] 由表1可W看出本文所提出的故障診斷方法在保證準(zhǔn)確率的前提下大大縮短了單 個(gè)樣本的故障診斷時(shí)間，十分適合于在線實(shí)時(shí)故障診斷。圖10和圖11為譜系聚類結(jié)果及其 細(xì)節(jié)展示。
[004引在線實(shí)時(shí)故障診斷，如圖12所示，可由W下步驟來完成：
[0049] (1)診斷板每隔一定時(shí)間間隔輸出一組數(shù)據(jù)Tl至上位機(jī)。
[0化0] (2)合并Ttrain和Ti,歸一化。
[0051] 將Tl輸入改進(jìn)的MLS-SVM故障分類器，得到分類結(jié)果。
[0052] 本發(fā)明設(shè)及的系統(tǒng)如圖1所示，其中的主FPGA控制板主要完成信號(hào)采集、指令電流 的運(yùn)算、調(diào)制信號(hào)的運(yùn)算、故障封鎖、故障復(fù)位和通信等功能，分FPGA控制板主要完成信號(hào) 采集、Pmi信號(hào)發(fā)生、Pmi驅(qū)動(dòng)、封鎖信號(hào)和故障保護(hù)等功能，診斷FPGA板主要完成對(duì)主FPGA 控制板傳輸過來的相關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理和故障診斷并將診斷結(jié)果傳輸至上位機(jī)。本發(fā)明設(shè)及 的STATCOM系統(tǒng)是S相服V8級(jí)聯(lián)STATCOM裝置，每相由8個(gè)功率模塊串聯(lián)而成，每個(gè)功率模塊 由4個(gè)IGBT組成H橋，整個(gè)裝置共有96個(gè)IGBT。本發(fā)明僅適用于診斷單個(gè)IGBT開路故障，因此 故障類型可分96類，再加上系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)，本發(fā)明需識(shí)別出97類狀態(tài)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)IGBT的開路故障診斷方法，其特征在于:包括以下步驟： Sl:分FPGA控制板采集電容電壓信號(hào)作為原始信號(hào)，每種故障類型采集N組原始信號(hào)， 并將原始信號(hào)傳輸給主FPGA控制板； S2:主FPGA控制板將原始信號(hào)傳輸給診斷FPGA板，診斷FPGA板將原始信號(hào)按時(shí)間間隔 進(jìn)行濾波降噪和小波多分辨率分析，形成單組特征向量數(shù)據(jù)THf輸給上位機(jī)； S3:每種故障類型選取f組特征向量數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本Ttrain，進(jìn)行歸一化處理； 2 S4:分別建立三種故障分類器，即最小二乘支持向量機(jī)、多核最小二乘支持向量機(jī)和譜 系聚類算法改進(jìn)的最小二乘支持向量機(jī)； S5:將訓(xùn)練樣本Ttrain及其對(duì)應(yīng)的故障分類標(biāo)簽分別通過故障分類器進(jìn)行分類學(xué)習(xí)； S6:將每種故障類型的剩余f組特征向量數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本Ttest; S7:將Ttest輸入學(xué)習(xí)好的故障分類器，驗(yàn)證故障分類器的性能。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)IGBT的開路故障診斷方法，其特征在于： 所述步驟Sl中的電容電壓信號(hào)為半個(gè)基波周期的電容電壓信號(hào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)IGBT的開路故障診斷方法，其特征在于： 所述步驟S2中，主FPGA控制板將原始信號(hào)通過光纖板傳輸給診斷FPGA板。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)IGBT的開路故障診斷方法，其特征在于： 所述步驟Sl中，通過采樣板采集電容電壓信號(hào)，并將電容電壓信號(hào)傳輸給分FPGA控制板。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)IGBT的開路故障診斷方法，其特征在于： 所述步驟S2中，診斷FPGA板與上位機(jī)之間的通訊通過通訊板來完成。
【文檔編號(hào)】G01R31/26GK106019117SQ201610628015
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年8月3日
【發(fā)明人】楊曉冬, 段文勇, 楊伯平, 胡國(guó)文, 顧春雷
【申請(qǐng)人】鹽城工學(xué)院