一種基于小波分析和svm的逆變器故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力電子裝置故障診斷領(lǐng)域，尤其是一種基于小波分析和SVM的逆變 器故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多電平變換器是一種通過改變變換器自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出的新 型變換器，它無需升降壓電路和均壓電路。與二電平逆變器相比，多電平逆變器具有功率 開關(guān)電壓應(yīng)力低、功率器件串聯(lián)均壓、輸出電壓波形諧波含量低、電磁干擾問題小、開關(guān)損 耗小和工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而這種結(jié)構(gòu)的逆變器在高電壓、大電流、大功率領(lǐng)域應(yīng)用廣 泛，如上海磁懸浮列車以及和諧號(hào)CRH列車等等。在多電平變換器中最典型的是二極管 NPC(Neutral Point Clamped)三電平逆變器，其電路原理圖如圖1所示。
[0003] 然而，二極管NPC三電平逆變器較二電平逆變器使用了更多的開關(guān)器件，電路結(jié) 構(gòu)和控制更加復(fù)雜，這使得電力電子設(shè)備的故障增多，系統(tǒng)的可靠性大大降低。多電平一旦 發(fā)生故障，輕則造成企業(yè)工廠停產(chǎn)，重則造成災(zāi)難性事故，給社會(huì)造成巨大損失與影響。因 此盡早發(fā)現(xiàn)電路的故障對(duì)于提高二極管NPC三電平逆變器的工作可靠性具有重大意義。
[0004] 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的思想，利用逆變系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷產(chǎn)生著反應(yīng)運(yùn)行機(jī)理和狀態(tài) 的數(shù)據(jù)，通過適當(dāng)有效的分析和提取，可以快速實(shí)現(xiàn)逆變系統(tǒng)的故障檢測(cè)與識(shí)別，這比傳統(tǒng) 的只靠人工檢測(cè)和維修去定位故障有效率得多。
[0005] 小波變換是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種時(shí)頻分析方法，比DCT (Discrete Cosine Transform)這樣的傅里葉變換的性能更優(yōu)越，具有多分辨分析功能，被譽(yù)為數(shù)學(xué)顯 微鏡。SVM是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，逆變器復(fù)合故障診斷屬于多值分類問 題。多值分類問題也是SVM研究的一個(gè)重要方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述【背景技術(shù)】的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于小波分析和SVM的逆變 器故障診斷方法。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種基于小波分析和SVM的逆變器故障診斷方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟一，建立二極管NPC三電平逆變電路的模型，僅考慮交叉雙相橋同時(shí)兩只 IGBT功率管的開路故障的情況，并將故障類型進(jìn)行分類；
[0010] 步驟二，通過仿真軟件分別獲得無故障和所述故障條件下交流輸出側(cè)的三個(gè)相電 壓Ua、Ub、Uc，將逆變器無故障時(shí)的交流輸出側(cè)3個(gè)相電壓與每種故障時(shí)的交流輸出側(cè)3個(gè) 相電壓進(jìn)行相減，得到各故障條件時(shí)交流輸出側(cè)的三個(gè)相電壓差值A(chǔ)Ua、AUb、AUc，然后 對(duì)所述差值A(chǔ) Ua、Δ Ub、Δ Uc進(jìn)行d_q變換，得到Ud和Uq，選取小波基函數(shù)db3分別對(duì)各 故障下的Ud、Uq進(jìn)行6層的小波分解，提取各個(gè)頻段下的信號(hào)；
[0011] 步驟三，計(jì)算步驟二獲得的Ud、Uq小波分解后的各頻段的能量，提取各個(gè)故障下 的Ud、Uq的能量特征，構(gòu)造特征向量；
[0012] 步驟四，獲取數(shù)據(jù)樣本；根據(jù)步驟一劃分故障種類和步驟三獲得的所有故障的特 征向量，從不同種類中各選擇一個(gè)作為樣本，并分別對(duì)選擇的故障特征向量添加5%的隨機(jī) 噪聲，每類故障選取若干組樣本，得到故障樣本；
[0013] 步驟五，根據(jù)步驟四獲得的故障樣本，將其輸入至處理器中，并利用處理器對(duì)所述 故障樣本進(jìn)行分類，建立針對(duì)各種故障的數(shù)據(jù)模型，在后期出現(xiàn)故障時(shí)直接調(diào)取故障數(shù)據(jù) 進(jìn)行比對(duì)，判斷故障類型。
[0014] 進(jìn)一步的，該方法提供一種三電平逆變器電路，具體結(jié)構(gòu)為：
[0015] 包括三相橋臂電路和兩個(gè)直流電壓源，其中，每相橋臂包括串聯(lián)的四只功率管 IGBT，依次標(biāo)號(hào)為1、2、3、4,上兩只功率管IGBT為上半橋，下兩只功率管IGBT為下半橋；每 相橋臂還包括兩個(gè)串聯(lián)二極管支路，所述二極管支路的一端與1號(hào)功率管IGBT的正極、2號(hào) 功率管IGBT的負(fù)極相連，另一端與3號(hào)功率管IGBT的正極、4號(hào)功率管IGBT的負(fù)極相連；
[0016] 所述直流源分為兩個(gè)等值的并聯(lián)支路，其中一條并聯(lián)支路包括兩個(gè)串聯(lián)的等值的 直流源。
[0017] 進(jìn)一步的，步驟一中所述的故障類型分類具體為六大類：
[0018] 1. 1，逆變器上半橋交叉兩橋臂有兩只功率管IGBT同時(shí)發(fā)生故障，共分為12小 類；
[0019] 1.2,逆變器下半橋交叉兩橋臂有兩只功率管IGBT同時(shí)發(fā)生故障，共分為12小 類；
[0020] 1.3,逆變器交叉兩橋臂中，每只橋臂1、4管中各有一只功率管IGBT發(fā)生故障，分 為6小類；
[0021] 1. 4,逆變器交叉兩橋臂中，每只橋臂2、3管中各有一只功率管IGBT發(fā)生故障，分 為6小類；
[0022] 1. 5,逆變器交叉兩橋臂中，每只橋臂1、3管中各有一只功率管IGBT發(fā)生故障，分 為6小類；
[0023] 1. 6,逆變器交叉兩橋臂中，每只橋臂2、4管中各有一只功率管IGBT發(fā)生故障，分 為6小類。
[0024] 進(jìn)一步的，步驟二中輸出側(cè)三相相電壓差，并對(duì)它們進(jìn)行d-q變換，將三相化為兩 相Ud、Uq，選取db3小波函數(shù)，分別對(duì)Ud、Uq進(jìn)行6層的小波分解，分別獲得小波分解后的 第6層的近似信號(hào)能量以及第1~6層細(xì)節(jié)信號(hào)的能量，共14個(gè)小信號(hào)的能量值，將其作 為故障的一個(gè)特征向量。
[0025] 作為一種優(yōu)選，步驟四中對(duì)選取的六大類故障特征向量各添加隨機(jī)噪聲，對(duì)每類 故障特征向量選取若干組樣本。
[0026] 作為一種優(yōu)選，對(duì)故障樣本進(jìn)行分類，每大類各選一部分作為訓(xùn)練樣本，其余 的作為測(cè)試樣本，并對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行歸一化處理，選取C-SVC支持向量機(jī)和RBF核函數(shù) exp (_ga_a I u-v I ~2)對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行分類，用訓(xùn)練樣本訓(xùn)練支持向量機(jī)，對(duì)支持向量機(jī)懲 罰系數(shù)c和RBF參數(shù)gamma進(jìn)行尋優(yōu)，得到訓(xùn)練模型，對(duì)訓(xùn)練好的模型用測(cè)試樣本進(jìn)行測(cè) 試，驗(yàn)證故障判斷準(zhǔn)確性。
[0027] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0028] 1.本發(fā)明所提出的基于小波分析和SVM的三電平逆變器交叉雙相橋的故障診斷 方法，是基于數(shù)據(jù)的思想，并將被譽(yù)為數(shù)學(xué)"顯微鏡"的小波分析法和在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域應(yīng)用 廣泛的數(shù)據(jù)分類方法SVM結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了其在電力電子裝置領(lǐng)域故障診斷的應(yīng)用。
[0029] 2.本發(fā)明同時(shí)考慮了交流輸出側(cè)的三相電壓，比只考慮其中一個(gè)相電壓，有更加 完善的故障信息，并通過d-q變換將三相化為兩相，即不影響故障信息，更簡(jiǎn)化了計(jì)算，在 大量數(shù)據(jù)下可以大大減少診斷時(shí)間。
[0030] 3.本發(fā)明采用交叉驗(yàn)證和改進(jìn)網(wǎng)格尋優(yōu)的方法，極大的縮短了故障診斷時(shí)間，保 證了 SVM得到的參數(shù)是最優(yōu)的或趨于最優(yōu)。
[0031] 4.通過本發(fā)明，只需將經(jīng)過處理后的故障信息輸入SVM分類器，就可以快速輸出 故障類別，實(shí)現(xiàn)了故障的實(shí)時(shí)診斷，具體流程如圖8所示。
【附圖說明】
[0032] 圖1為二極管NPC三相三電平逆變器電路原理圖；
[0033] 圖2為無故障情況下三相電壓輸出波形圖；
[0034] 圖3為選取的故障情況下三相電壓輸出波形圖；
[0035] 圖4為選取的故障情況下三相電壓輸出波形圖；
[0036] 圖5為選取的故障情況下的Ud波形圖；
[0037] 圖6為選取的故障情況下的Uq波形圖；
[0038] 圖7為選取的故障情況下的Ud波形圖；
[0039] 圖8為選取的故障情況下的Uq波形圖；
[0040] 圖9為小波分解樹示意圖；
[0041] 圖10為選取的故障情況下的Ud、Uq小波分解圖；
[0042] 圖11為選取的故障情況下的Ud、Uq小波分解圖；
[0043] 圖12為選取的故障情況下的Ud、Uq小波分解圖；
[0044] 圖13為選取的故障情況下的Ud、Uq小波分解圖；
[0045] 圖14為傳統(tǒng)網(wǎng)格法c&gamma尋優(yōu)圖；
[0046] 圖15為改進(jìn)網(wǎng)格法c&gamma尋優(yōu)圖；
[0047] 圖16為改進(jìn)網(wǎng)格法c&gamma尋優(yōu)圖；
[0048] 圖17為故障診斷流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 本發(fā)明提供一種基于小波分析和SVM的三電平逆變器交叉雙相橋的故障診斷方 法，為使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實(shí)例對(duì)本發(fā)明 進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0050] 下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0051] 該方法提供一種三電平逆變器電路如圖1所述，具體結(jié)構(gòu)為：
[0052] 包括三相橋臂電路和兩個(gè)直流電壓源，其中，每相橋臂包括串聯(lián)的四只功率管 IGBT，依次標(biāo)號(hào)為1、2、3、4,上兩只功率管IGBT為上半橋，下兩只功率管IGBT為下半橋；總 共有十二只功率管IGBT，從電路整體來看，分別標(biāo)記為SI、S2、S3……S12 ;每相橋臂還包括 兩個(gè)串聯(lián)二極管支路，所述二極管支路的一端與1號(hào)功率管IGBT的正極、2號(hào)功率管IGBT 的負(fù)極相連，另一端與3號(hào)功率管IGBT的正極、4號(hào)功率管IGBT的負(fù)極相連；
[0053] 直流源分為兩個(gè)等值的并聯(lián)支路，其中一條并聯(lián)支路包括兩個(gè)串聯(lián)的等值的直流 源。
[0054] 本發(fā)明是通過下述方法和步驟實(shí)現(xiàn)的：
[0055] 首先，建立二極管NPC三電平逆變器的模型，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的交叉雙相橋兩只功 率管的開路故障分類，共分為6大類48小類，對(duì)無故障和這48小類故障進(jìn)行標(biāo)號(hào)，標(biāo)號(hào)如 表1所示。
[0056]
[0057]


[0058] 表1
[0059] (1)逆變器上半橋交叉兩橋臂有兩只功率管IGBT同時(shí)發(fā)生故障，共分為12小類， 即 Sl 和 S5、Sl 和 S6、Sl 和 S9、Sl 和 S10、S2 和 S5、S2 和 S6、S2 和 S9、S2 和 S10、S5 和 S9、 S5 和 S10、S6 和 S9、S6 和 S10。
[0060] (2)逆變器下半橋交叉兩橋臂有兩只功率管IGBT同時(shí)發(fā)生故障，共分為12小類， 即 S3 和 S7、S3 和 S8、S3 和 S11、S3 和 S12、S4 和 S7、S4 和 S8、S4 和 Sll、S4 和 S12、S7 和 Sll、S7 和 S12、S8 和 Sll、S8 和 S12。
[0061] (3)逆變器交叉兩橋臂中，每只橋臂1，4管中各有一只功率管IGBT發(fā)生故障，分為 6 小類，即 Sl 與 S8、Sl 與 S12、S4 與 S5、