级联型光伏逆变器故障特征提取及诊断方法研究
发布时间：2021-03-18 22:45
光伏逆变器作为光伏发电的重要组成,主要承担着电能变换的作用,是将光伏直流电转换成交流电的主要设备。其中级联型逆变器由于具有多电平、模块化、易扩展、大容量的诸多优点,在新一代光伏逆变器中逐渐占据重要地位。统计结果表明,逆变器在长期运行过程中,容易受内外环境影响出现参数性故障与结构性故障,一旦出现故障将会严重危害电力系统与操作人员人身安全,而级联型逆变器包含的元件更多、结构更为复杂,所面临的故障风险也更高,因此对其进行故障诊断方法研究对于维护整个光伏系统的安全稳定运行意义重大。基于此,以级联型光伏逆变器为对象,针对其参数性故障与结构性故障问题,从特征提取与故障诊断展开研究,为提高光伏系统可靠性与稳定性提供理论支持。针对由母线电容劣化引起的参数性故障问题,从特征提取与故障诊断出发,包括:1)提出基于变分模态分解与希尔伯特黄变换边际谱（VMD-HHT边际谱）的参数性故障特征提取方法;同时,提出在VMD的分解过程中采用近似熵算法对模态分解个数K进行确定。研究表明,相比于经验模态分解与快速傅里叶变换,所提方法能有效实现参数性故障的特征提取。2)提出快速小波自动编码器（Fast wavelet au...
【文章来源】：西华大学四川省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
级联H桥型七电平光伏逆变主电路拓扑结构
西华大学硕士学位论文11升至原始值的2~3倍时，电解电容老化失效，认为电路出现参数性故障。因此，通过监测ESR的变化，对该特征参数进行参数辨识，并与失效阈值进行判断，即可实现参数性故障诊断。图2.2电解电容等效模型Fig.2.2Equivalentmodelofelectrolyticcapacitor分析可知，母线电容起到支撑母线电压与吸收BOOST输出电压纹波的作用，其ESR值逐渐增大，会造成BOOST输出电压的纹波增大，进而增大逆变侧输出谐波含量。此外，级联型逆变主电路由多个两级式逆变单元级联构成，因此针对特定单元的母线电容的参数辨识，可以选择采集该单元的逆变侧输出电压作为原始信号数据，而在实际应用中，该信号也属于易测信号[54]。在MATLAB/SIMULINK中建立图2.1所示电路的仿真模型（输出交流960V/50Hz，THD<1.7%，ESR初始值650m）。图2.3所示分别为母线电容Cdc的ESR处于不同老化阶段，两级式逆变单元输出的电压波形。从图2.3(a)-2.3(c)中可以看出，当ESR处于不同老化阶段时，输出电压波形较正常状态波形变化甚微，3种电压波形从外观上表现极其相似，波形的变化主要集中在每个脉冲的峰值处。加之实际电路存在噪声影响，直接通过分析波形来实现参数性故障诊断较为困难，因此从电压波形中提取出表征母线电容老化的特征量至关重要。(a)正常状态(b)等效串联电阻值增大到初始值1.5倍
级联型光伏逆变器故障特征提取及诊断方法研究12(c)等效串联电阻值超出失效范围图2.3Cdc不同状态时的输出电压波形Fig.2.3VoltagewaveformunderdifferentconditionsofCdc2.2VMD-HHT边际谱特征提取方法变分模态分解（Variationalmodedecomposition，VMD）是近些年提出的一种新兴的信号处理方法，该方法具有良好的局部化时频特性，无需基函数的选择，解决了EMD易出现模态混叠的问题，并且具有优良的抗噪性能，在系统辨识、信号处理、轴承故障检测等领域取得良好的成效。基于此，将VMD与HHT用于提取原始电压信号的边际谱作为故障特征量。但同时考虑到VMD的分解效果受自身参数影响，因此提出采用近似熵对VMD的模态分解参数进行确定。2.2.1VMD理论变分模态分解将原始实值信号f分解成有限个子信号(,1,...,)kukK，即各模态函数，这些子信号均具有特定的稀疏特性，而其稀疏度被认为是子信号所在频域所占带宽[55]。换句话说，每个模态函数均被压缩在一个特定的中心频率(,1,...,)kkK上，原始信号被分解为一系列含特定带宽与中心频率的模态函数。为达到此种信号分解效果，需要以最小化所有模态函数的估计带宽之和为目标函数构建变分模型，然后对该变分模型进行求解，具体模型构建实现方式为：①首先对每个模态函数ku，通过希尔伯特变换计算其相关的解析信号，以获得对应的单边频谱；②其次对每个模态函数ku，预估一个中心频谱k，通过调节ku使得该信号的频谱达到对应的基带上；③最后通过求解该信号L2范数平方的梯度得到H1高斯平滑系数，实现带宽的精确估计。相应的变分模型公式为：
本文编号：3089056
【文章来源】：西华大学四川省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
级联H桥型七电平光伏逆变主电路拓扑结构
西华大学硕士学位论文11升至原始值的2~3倍时，电解电容老化失效，认为电路出现参数性故障。因此，通过监测ESR的变化，对该特征参数进行参数辨识，并与失效阈值进行判断，即可实现参数性故障诊断。图2.2电解电容等效模型Fig.2.2Equivalentmodelofelectrolyticcapacitor分析可知，母线电容起到支撑母线电压与吸收BOOST输出电压纹波的作用，其ESR值逐渐增大，会造成BOOST输出电压的纹波增大，进而增大逆变侧输出谐波含量。此外，级联型逆变主电路由多个两级式逆变单元级联构成，因此针对特定单元的母线电容的参数辨识，可以选择采集该单元的逆变侧输出电压作为原始信号数据，而在实际应用中，该信号也属于易测信号[54]。在MATLAB/SIMULINK中建立图2.1所示电路的仿真模型（输出交流960V/50Hz，THD<1.7%，ESR初始值650m）。图2.3所示分别为母线电容Cdc的ESR处于不同老化阶段，两级式逆变单元输出的电压波形。从图2.3(a)-2.3(c)中可以看出，当ESR处于不同老化阶段时，输出电压波形较正常状态波形变化甚微，3种电压波形从外观上表现极其相似，波形的变化主要集中在每个脉冲的峰值处。加之实际电路存在噪声影响，直接通过分析波形来实现参数性故障诊断较为困难，因此从电压波形中提取出表征母线电容老化的特征量至关重要。(a)正常状态(b)等效串联电阻值增大到初始值1.5倍
级联型光伏逆变器故障特征提取及诊断方法研究12(c)等效串联电阻值超出失效范围图2.3Cdc不同状态时的输出电压波形Fig.2.3VoltagewaveformunderdifferentconditionsofCdc2.2VMD-HHT边际谱特征提取方法变分模态分解（Variationalmodedecomposition，VMD）是近些年提出的一种新兴的信号处理方法，该方法具有良好的局部化时频特性，无需基函数的选择，解决了EMD易出现模态混叠的问题，并且具有优良的抗噪性能，在系统辨识、信号处理、轴承故障检测等领域取得良好的成效。基于此，将VMD与HHT用于提取原始电压信号的边际谱作为故障特征量。但同时考虑到VMD的分解效果受自身参数影响，因此提出采用近似熵对VMD的模态分解参数进行确定。2.2.1VMD理论变分模态分解将原始实值信号f分解成有限个子信号(,1,...,)kukK，即各模态函数，这些子信号均具有特定的稀疏特性，而其稀疏度被认为是子信号所在频域所占带宽[55]。换句话说，每个模态函数均被压缩在一个特定的中心频率(,1,...,)kkK上，原始信号被分解为一系列含特定带宽与中心频率的模态函数。为达到此种信号分解效果，需要以最小化所有模态函数的估计带宽之和为目标函数构建变分模型，然后对该变分模型进行求解，具体模型构建实现方式为：①首先对每个模态函数ku，通过希尔伯特变换计算其相关的解析信号，以获得对应的单边频谱；②其次对每个模态函数ku，预估一个中心频谱k，通过调节ku使得该信号的频谱达到对应的基带上；③最后通过求解该信号L2范数平方的梯度得到H1高斯平滑系数，实现带宽的精确估计。相应的变分模型公式为：
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