[发明专利]三电平逆变器多模式故障诊断电路及其诊断方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力器件故障诊断技术，特别涉及一种具有多神经网络结构的中点钳位三电平逆变器多模式故障诊断电路及其诊断方法。

背景技术

相对于传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有输出电平数增加、更好的谐波频谱、器件所承受的电压应力小等优势，但是由于多电平电路使用了数量较多的开关器件，导致电路的可靠性相应降低，任何一个器件故障都有可能导致整个电路停止工作，甚至会影响到其他电路的安全，造成不可估量的经济损失。

目前国内外针对二极管中点钳位（Neutral-Point Clamped，NPC）三电平逆变器的故障诊断问题已开发不少技术方法。例如，分析NPC三电平逆变器在单个功率器件开路故障下的电路工作情况及故障表现形式，并由此提出根据检测逆变器输出侧PWM电压波形和输出电流极性来诊断功率管开路故障的故障诊断方案。该方法具有诊断迅速、可靠性高的优点，但其诊断结果并没有精确定位到某个器件，需要再进行人工查找。还有针对NPC逆变器单个功率器件开路故障，提出利用三相电流波形的电流轨迹方法来进行故障诊断技术，把每相的桥臂中点和直流电压中心点之间的电压（leg-voltage）和正常情况下的电压进行比较，利用比较结果进行单个功率器件故障的诊断。但是，这些技术基本上只考虑单个器件开路的故障模式。从可靠性角度看，单纯研究单个器件开路故障显然不够全面，因此，为了提高三电平逆变器的可靠性，本发明针对三电平逆变器单个功率器件开路和两个功率器件同时开路的多种故障模式，提出对逆变器的多个桥臂电压进行快速傅里叶变换，提取故障特征，并利用一个多神经网络的结构进行故障诊断。

发明内容

本发明是针对多电平逆变电路容易出现故障的问题，提出了一种三电平逆变器多模式故障诊断电路及其诊断方法，该电路能诊断NPC三电平逆变器每相桥臂单个器件开路和多个器件同时开路共13种的多故障模式，实现精确定位到故障器件，且算法结构简化，可避免计算赫赛矩阵，从而减少训练中的计算量和内存需求量，运算块，诊断结果精度高，抗干扰能力强。

本发明的技术方案为：一种三电平逆变器多模式故障诊断电路， NPC三电平逆变器电路、桥臂电压故障特征提取模块、主神经网络模块、两个辅助神经网络模块和故障确定显示模块，NPC三电平逆变器电路由上、中、下三个三相桥臂并联组成，桥臂电压故障特征提取模块分别采集三个三相桥臂的每相桥臂的电信号并进行处理，将采集的中桥臂信号进行故障特征提取后送主神经网络模块，将采集的上、下桥臂信号进行故障特征提取后分别送两个辅助神经网络模块，三个神经网络模块输出接故障确定显示模块，NPC三电平逆变器电路驱动三相负载，三电平逆变器每相由4 个IGBT功率元件串联组成，每个功率器件反并联1 个续流二极管，三相并联接直流电U_d，每相的中间两个串联IGBT功率元件上并联接两个串联的二极管，两个串联的二极管的中间点接直流电U_d的中间电压点（0），即U_d/2电压处，每相4 个串联IGBT功率元件的中间点（a、b、c）输出接对应三相负载，所述中桥臂电压信号为每相的中间点a、b、c与直流电U_d的中间电压点（0）之间的电压，所述上、下桥臂电压信号分别为两个串联的二极管上的电压。

三电平逆变器多模式故障诊断方法，包括三电平逆变器多模式故障诊断电路，具体包括如下步骤：

1）桥臂电压故障特征提取模块采集每相的上、中、下桥臂电压信号，然后采用快速傅里叶变换方法对采集的信号进行故障特征提取；

2）桥臂电压故障特征提取模块将每相的中桥臂电压信号进行故障特征提取后信号送主神经网络模块，主神经网络选取直流分量、基波、两倍基波、三倍基波、载波分量、载波分量前后两频率、两倍载波分量的幅值、直流分量、基波和两倍基波的相位共11维作为输入特征向量进行训练，输出分别比送两个辅助神经网络模块，同时主神经网络对故障模式进行诊断，将诊断后故障模式和对应的输出向量对比后输出到故障确定显示模块；

3）桥臂电压故障特征提取模块将每相的上、下桥臂电压信号进行故障特征提取后信号分别送两个辅助神经网络模块，两个辅助神经网络模块都选取直流分量、基波和两倍基波的幅值共3 维作为输入特征向量进行训练，对故障模式进行诊断，将诊断后故障模式和对应的输出向量对比后输出到故障确定显示模块，故障确定显示模块显示三电平逆变器每相桥臂中单个器件故障情况。