基于人工智能的电力电子变换器开路故障诊断研究综述
发布时间：2021-06-29 12:23
电力电子变换器已被广泛应用于航空航天系统、直流输电、分布式能源和智能电网等领域,其可靠性问题成为学术界和工业界的研究热点。开展对电力电子变换器开路故障监测与智能诊断方法研究,对避免二次故障、降低运维时间与成本和提高电力电子系统可靠性具有重要意义。文章首先对电力电子变换器故障特征进行分析与总结,然后对特定基于人工智能（artificial intelligence,AI）技术的电力电子变换器开路故障诊断方法及应用实例综述,随后提出一种基于随机森林与瞬时故障特征相结合的故障诊断方法用于三相电力电子变换器故障诊断,最后提出基于AI的电力电子变换器开路故障诊断方法面临的挑战,并展望该领域未来的研究方向。
【文章来源】：电网技术. 2020,44(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
故障特征分布Fig.22Distributionoffaultsfeatures
现，包括退饱和检测法、阻容分压网络检测法、电感检测法、吸收钳位电路保护法、集电极电流检测法、饱和压降精确测量法和IGBT慢关断保护法等[52]。文献[53]提出一种通过分析门极电压来实现IGBT过流检测的方法(见图2)，当检测到短路故障后立即封锁信号，IGBT将表现出开路故障的特征。文献[54-55]利用快速熔断器(fuse)热容量孝在故障电流未达到预期的短路电流时即可被熔断的特性，在逆变器桥臂中串联2个快速熔断器将短路故障转化为开路故障(见图3)，从而降低其危害。图2过流保护电路Fig.2Over-currentprotectioncircuit图3快速熔断器短路故障隔离技术Fig.3Short-circuitfaultisolationtechnologywithfastfuses1.2开路故障IGBT开路故障原因有器件破裂、绑定线断裂或焊接脱落、接线不良、驱动断线和电路失效等，任由IGBT短路也会导致IGBT烧毁而形成开路故障[56-57]。根据文献[57-60]，通常IGBT开路故障后(见图3中S1)，与其反并联的二极管(见图3中D1)仍然能够正常工作，系统不会立即崩溃，但性能会降低，会导致电流电压谐波含量增加，降低供电质量。IGBT开路故障可能长时间不被发现，从而导致其他设备的二次损坏或者灾难性的故障发生[61-62]。1.2.1基于解析模型的开路故障诊断方法基于解析模型的电力电子开路故障诊断方法通常利用电力电子变换系统的数学模型，通过监测电力电子变换器故障时系统的电压、电流等信息与估计值进行比较得到偏差来实现IGBT开路故障诊断(见图4)。文献[63]对电机驱动系统中多相电压源逆变器中功率管开路故障进行研究，提出基于极电压误差标准化的故障诊?
刘闯等：基于AI的电力电子变换器开路故障诊断研究综述Vol.44No.8线性控制理论和理想的半导体开关模型在电力电子变换器的开路故障方法的研究中并不完全适用，会限制基于故障数学模型的电力电子变换器开路故障诊断方法的推广应用。目前针对电力电子变换装置故障建模的研究极少，无法提供电路的故障机理模型[33]，而基于数据驱动的人工智能技术具有模拟任何连续非线性函数的能力和从故障样本自适应学习的能力，其主要利用特定人工智能算法实现对故障数据与故障状态间的映射，通过对历史数据进行离线学习和挖掘得到如图5所示的故障诊断分类器，然后再利用训练成熟的故障诊断分类器实现对电力电子变换系统的在线故障诊断[66-67]。图5基于人工智能的开路故障诊断方法Fig.5Open-circuitfaultdiagnosismethodbasedonartificialIntelligence文献[22]针对三相PWM逆变器中IGBT开路故障特征研究，通过监测三相电流计算电流矢量轨迹，并提取均值、方差等特征来训练SVM故障诊断分类器，从而实现对IGBT开路故障的定位与诊断。文献[68]提出一种基于人工神经网络的用于串联混合动力汽车电源交直流变换器故障诊断的方法，首先通过分析证明直流母线电流为采集的最佳数据，直流母线电流携带有与电机电流、电机电压和直流母线电压相对应的有价值信息，再利用快速傅里叶变换(fastFouriertransform，FFT)对原始信号进行特征提取，最后将数据用于训练神经网络得到故障诊断分类器，从而实现开路故障的定位。但FFT变换不可避免会产生频谱能量泄露与栅栏效应，影响谐波分析准确性。傅里叶变换作为一种全局性变换，具有一定局限性。而小波变换是空间(时间)和频率的局部化分析，其通过伸?
【参考文献】：
期刊论文
[1]三相无桥功率因数校正器开路故障的快速诊断与定位策略[J]. 陈文博,程红,王聪. 电工技术学报. 2019(18)
[2]基于维修日志的飞机设备故障原因判别方法[J]. 王锐光,吴际,刘超,杨海燕. 软件学报. 2019(05)
[3]多重交错并联开路电路故障检测[J]. 杨俊杰,刘思扬,孙旭,杨其宇,徐维超. 中国电机工程学报. 2019(11)
[4]基于模型自适应选择融合的智能电表故障多分类方法[J]. 高欣,刁新平,刘婧,张密,何杨. 电网技术. 2019(06)
[5]基于数据驱动的变换器故障诊断综述[J]. 黄丽梅,张旗. 电气技术. 2019(02)
[6]考虑多元因素态势演变的配电变压器迁移学习故障诊断模型[J]. 杨志淳,沈煜,杨帆,蔡伟,梁来明. 电工技术学报. 2019(07)
[7]基于残差变化率的单相级联H桥整流器IGBT开路故障诊断[J]. 谢东,葛兴来. 电工技术学报. 2018(16)
[8]基于变权重主元分析的航天电源系统诊断方法研究[J]. 秦剑华,王莉. 仪器仪表学报. 2018(08)
[9]大功率IGBT的短路故障检测[J]. 胡亮灯,孙驰,陈玉林,肖明恺,艾胜. 电工技术学报. 2018(11)
[10]HXD3机车主变流器IGBT故障分析与对策研究[J]. 杨艳萍. 山东工业技术. 2018(12)
本文编号：3256438
【文章来源】：电网技术. 2020,44(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
故障特征分布Fig.22Distributionoffaultsfeatures
现，包括退饱和检测法、阻容分压网络检测法、电感检测法、吸收钳位电路保护法、集电极电流检测法、饱和压降精确测量法和IGBT慢关断保护法等[52]。文献[53]提出一种通过分析门极电压来实现IGBT过流检测的方法(见图2)，当检测到短路故障后立即封锁信号，IGBT将表现出开路故障的特征。文献[54-55]利用快速熔断器(fuse)热容量孝在故障电流未达到预期的短路电流时即可被熔断的特性，在逆变器桥臂中串联2个快速熔断器将短路故障转化为开路故障(见图3)，从而降低其危害。图2过流保护电路Fig.2Over-currentprotectioncircuit图3快速熔断器短路故障隔离技术Fig.3Short-circuitfaultisolationtechnologywithfastfuses1.2开路故障IGBT开路故障原因有器件破裂、绑定线断裂或焊接脱落、接线不良、驱动断线和电路失效等，任由IGBT短路也会导致IGBT烧毁而形成开路故障[56-57]。根据文献[57-60]，通常IGBT开路故障后(见图3中S1)，与其反并联的二极管(见图3中D1)仍然能够正常工作，系统不会立即崩溃，但性能会降低，会导致电流电压谐波含量增加，降低供电质量。IGBT开路故障可能长时间不被发现，从而导致其他设备的二次损坏或者灾难性的故障发生[61-62]。1.2.1基于解析模型的开路故障诊断方法基于解析模型的电力电子开路故障诊断方法通常利用电力电子变换系统的数学模型，通过监测电力电子变换器故障时系统的电压、电流等信息与估计值进行比较得到偏差来实现IGBT开路故障诊断(见图4)。文献[63]对电机驱动系统中多相电压源逆变器中功率管开路故障进行研究，提出基于极电压误差标准化的故障诊?
刘闯等：基于AI的电力电子变换器开路故障诊断研究综述Vol.44No.8线性控制理论和理想的半导体开关模型在电力电子变换器的开路故障方法的研究中并不完全适用，会限制基于故障数学模型的电力电子变换器开路故障诊断方法的推广应用。目前针对电力电子变换装置故障建模的研究极少，无法提供电路的故障机理模型[33]，而基于数据驱动的人工智能技术具有模拟任何连续非线性函数的能力和从故障样本自适应学习的能力，其主要利用特定人工智能算法实现对故障数据与故障状态间的映射，通过对历史数据进行离线学习和挖掘得到如图5所示的故障诊断分类器，然后再利用训练成熟的故障诊断分类器实现对电力电子变换系统的在线故障诊断[66-67]。图5基于人工智能的开路故障诊断方法Fig.5Open-circuitfaultdiagnosismethodbasedonartificialIntelligence文献[22]针对三相PWM逆变器中IGBT开路故障特征研究，通过监测三相电流计算电流矢量轨迹，并提取均值、方差等特征来训练SVM故障诊断分类器，从而实现对IGBT开路故障的定位与诊断。文献[68]提出一种基于人工神经网络的用于串联混合动力汽车电源交直流变换器故障诊断的方法，首先通过分析证明直流母线电流为采集的最佳数据，直流母线电流携带有与电机电流、电机电压和直流母线电压相对应的有价值信息，再利用快速傅里叶变换(fastFouriertransform，FFT)对原始信号进行特征提取，最后将数据用于训练神经网络得到故障诊断分类器，从而实现开路故障的定位。但FFT变换不可避免会产生频谱能量泄露与栅栏效应，影响谐波分析准确性。傅里叶变换作为一种全局性变换，具有一定局限性。而小波变换是空间(时间)和频率的局部化分析，其通过伸?
【参考文献】：
期刊论文
[1]三相无桥功率因数校正器开路故障的快速诊断与定位策略[J]. 陈文博,程红,王聪. 电工技术学报. 2019(18)
[2]基于维修日志的飞机设备故障原因判别方法[J]. 王锐光,吴际,刘超,杨海燕. 软件学报. 2019(05)
[3]多重交错并联开路电路故障检测[J]. 杨俊杰,刘思扬,孙旭,杨其宇,徐维超. 中国电机工程学报. 2019(11)
[4]基于模型自适应选择融合的智能电表故障多分类方法[J]. 高欣,刁新平,刘婧,张密,何杨. 电网技术. 2019(06)
[5]基于数据驱动的变换器故障诊断综述[J]. 黄丽梅,张旗. 电气技术. 2019(02)
[6]考虑多元因素态势演变的配电变压器迁移学习故障诊断模型[J]. 杨志淳,沈煜,杨帆,蔡伟,梁来明. 电工技术学报. 2019(07)
[7]基于残差变化率的单相级联H桥整流器IGBT开路故障诊断[J]. 谢东,葛兴来. 电工技术学报. 2018(16)
[8]基于变权重主元分析的航天电源系统诊断方法研究[J]. 秦剑华,王莉. 仪器仪表学报. 2018(08)
[9]大功率IGBT的短路故障检测[J]. 胡亮灯,孙驰,陈玉林,肖明恺,艾胜. 电工技术学报. 2018(11)
[10]HXD3机车主变流器IGBT故障分析与对策研究[J]. 杨艳萍. 山东工业技术. 2018(12)
本文编号：3256438
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