[发明专利]五电平逆变器故障诊断与容错控制方法及半实物仿真平台

摘要

本发明公开了一种五电平逆变器的故障诊断与容错控制方法及半实物仿真平台。所述半实物仿真平台包含：直流电源、五电平逆变器主电路、电压传感器、信号输入输出接线盒、数据采集卡、仿真工作站、结果显示界面。所述故障诊断与容错控制方法包含：样本采集、快速傅里叶变换提取频谱信息、主元分析特征数据降维、构建并训练支持向量机分类网络、生成容错控制逻辑矩阵。平台在线使用时，将所用方法写入仿真工作站的上位机软件中，实现在线的故障诊断与容错控制。本发明适用于电力电子领域中的故障诊断与容错控制，本发明能实时监测逆变器状态并对于五电平逆变器的开路故障进行故障诊断和容错控制，进而辅助故障诊断与容错控制方法的开发和调试。

主权项

1.一种五电平逆变器故障诊断和容错控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：采集离线历史数据样本对于级联五电平逆变器，分别定义：正常情况‑故障0，S1开关开路‑故障1，S2开关开路‑故障2，S3开关开路‑故障3，S4开关开路‑故障4，S5开关开路‑故障5，S6开关开路‑故障6，S7开关开路‑故障7，S8开关开路‑故障8，单开关故障加上正常情况一共9种故障情况；基于数据采集卡的模数转换功能，在五电平逆变器2个周期的输出电压信号中，离散采集2048个时刻的数据，每种故障情况分别采集200组，历史数据样本存储为矩阵X见公式(1)：第i种故障样本其中i＝0,1,…,8；步骤2：FFT提取频谱信息采用快速傅里叶方法，如公式(2)、(3)，对历史矩阵X进行频谱分析：其中Wb＝e‑j2π/b，k＝0,1,…,b/2‑1，此处b＝2048；对FFT频谱分析之后数据的每个元素求模，并取前70次谐波，则最终经过FFT提取频谱信息之后，数据变成F可由式(4)表示：第i种经FFT后的样本其中i＝0,1,…,8；步骤3：PCA特征数据降维采用F作为PCA数据降维的输入矩阵，首先对数据进行标准化求F^*的协方差矩阵再求的特征值和特征向量，从大到小排列特征值，得到其中占比85％的特征值对应的特征向量，也称作投影矩阵P＝{p₁,p₂,…,p_k}，P∈R^k×70，最终PCA降维的结果Y＝PX，最终降维得到的维数从2048到6，即Y∈R^6×2048；步骤4：构建并训练SVM分类网络Y∈R6×2048按每种故障情况200组用来训练SVM分类网络，根据公式(5)解决一对多分类问题：其中φ和C分别是分类函数和惩罚因子，ξi表示分类的差异程度，i＝0,1,…,8，则根据分类函数，样本x测试的分类结果对应的故障标签Lx如式(6)，选择为径向基函数K(xi,xj)＝exp(‑γ||xi‑xj||2)作为分类核函数，γ控制径向范围，若满足要求则停止训练，固定参数，若不满足，则继续训练；步骤5：生成容错控制逻辑矩阵根据故障标签0,1,2,…,8，分别生成对应的容错控制逻辑矩阵，用于分别控制S1～S8的8个IGBT开关，具体步骤是产生旁路逻辑先切除有故障IGBT所在的H桥，再产生三电平H桥逆变器对应的PWM驱动逻辑进行控制，旁路逻辑和PWM驱动逻辑均放入生成容错控制逻辑矩阵。