三電平光伏逆變器故障診斷研究

胡 超 姜媛媛 凌子俊

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

0 引言

近年來，新能源的運(yùn)用越來越廣泛，尤其是光伏產(chǎn)業(yè)受到了很大重視，逆變技術(shù)作為其中的關(guān)鍵技術(shù)之一，光伏逆變器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行受到很大關(guān)注。由于多電平技術(shù)的發(fā)展及多電平技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，目前應(yīng)用較多的是三電平光伏逆變器，其輸出波形諧波小，開關(guān)應(yīng)力低。

雖然三電平逆變器優(yōu)勢(shì)很大，但其在效率提高的同時(shí)也帶來了一定的麻煩，三電平逆變器的開關(guān)器件較兩電平逆變器增加了一倍，而開關(guān)器件正是整個(gè)逆變器中最薄弱的環(huán)節(jié)，這就增加了逆變器發(fā)生故障的可能性，因此做到對(duì)逆變器故障的及時(shí)診斷就尤為重要。

本文以應(yīng)用較多的三電平中點(diǎn)鉗位型（NPC）光伏逆變器為研究對(duì)象，對(duì)目前廣泛使用的一些故障診斷方法進(jìn)行總結(jié)、分析，提出一種新的故障診斷方法，以提高目前故障診斷的速度及正確率。

1 故障類型分析

三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此其故障形式也比較復(fù)雜。對(duì)于逆變器電路，大多數(shù)故障表現(xiàn)為功率開關(guān)器件的損壞，主要是由器件的開關(guān)特性引起的，其中以功率開關(guān)器件的開路故障和直通故障最為常見。直通故障存在時(shí)間很短，難以診斷，因此其診斷和保護(hù)方法多采用基于硬件電路的設(shè)計(jì)。所以本文只研究功率開關(guān)器件開路故障的情況。

三電平中點(diǎn)鉗位型逆變器功率器件較多，故障組合數(shù)目眾多，故障情況復(fù)雜，且其是三相對(duì)稱結(jié)構(gòu)，各相故障情況相同，因此本文只對(duì)其中一相（A相）進(jìn)行分析，這樣可以達(dá)到對(duì)所有故障類型都得以分析而又使診斷模型得到簡(jiǎn)化。三電平NPC型逆變器分為單功率器件故障和多功率器件故障兩種情況，多功率器件故障又以兩功率器件故障作為常見，所以本文主要研究單功率器件故障和兩功率器件故障的情況。

三電平NPC型逆變器正常工作時(shí)A相有六種工作狀態(tài)，而每種故障形式均對(duì)應(yīng)其中的一種工作狀態(tài)，但僅依靠工作狀態(tài)還不能將各種故障形式一一區(qū)別出來，因?yàn)橛胁煌墓收闲问綄?duì)應(yīng)同一種工作狀態(tài)的情況，因此還需要結(jié)合其他信息將故障情況進(jìn)行區(qū)分。

故障情況分類可分為以下幾種：

（1）正常運(yùn)行，沒有功率器件故障

（2）任一功率器件故障

（3）同一相兩個(gè)功率器件故障

（4）不同相兩個(gè)功率器件故障（可看為每個(gè)單相發(fā)生故障時(shí)的疊加情況）

2 常用故障診斷方法分析

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于三電平NPC型光伏逆變器的故障診斷已展開了大量研究。現(xiàn)階段，三電平NPC型逆變器的故障診斷主要集中在兩個(gè)方面：一是只考慮單個(gè)功率器件的開路故障，二是考慮到多功率器件故障模式，但目前尚缺少成熟故障診斷模型，以快速、精確的定位故障位置。

對(duì)于單功率器件的開路情況，文獻(xiàn)[1]提出通過檢測(cè)逆變器輸出側(cè)PWM電壓和輸出電流極性以識(shí)別功率管的開路故障，但其診斷結(jié)果沒有精確定位到某個(gè)器件，需要進(jìn)行人工查找，且對(duì)于高于三電平的多電平逆變器存在過多開路故障而不能精確定位的問題[2]。對(duì)于多功率器件故障模式，目前有不少文獻(xiàn)提出了可行的方案，但也存在一定的問題，可靠性不高、診斷模型復(fù)雜等，都會(huì)對(duì)診斷結(jié)果造成較大影響。

故障診斷流程大致可分為故障信號(hào)采集、信號(hào)特征提取、故障診斷分類等幾個(gè)步驟。故障診斷方法目前應(yīng)用較多的是傅里葉分析、小波變換和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、鍵合圖理論等相結(jié)合的方法，但由于各自發(fā)展的局限性及診斷模型搭建的復(fù)雜性，其診斷效果有待進(jìn)一步提高。

常用故障診斷方法可分為以下幾類：

（1）基于信號(hào)處理的故障診斷方法

（2）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法

（3）基于支持向量機(jī)的故障診斷方法

（4）基于鍵合圖理論的故障診斷方法

（5）其它一些故障診斷方法

3 故障診斷方法設(shè)計(jì)

本文通過對(duì)常用的一些故障診斷方法的分析，提出了一種新的三電平NPC型逆變器故障診斷方法。該方法采用小波變換對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行特征提取，然后利用極限學(xué)習(xí)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障情況進(jìn)行分類識(shí)別。

小波變換的運(yùn)用解決了傅里葉分析只能在頻域上對(duì)穩(wěn)定信號(hào)進(jìn)行分析的局限性；極限學(xué)習(xí)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種將極限學(xué)習(xí)方法與單隱層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合形成的新型分類方法，該方法具有參數(shù)易于選擇且泛化能力好等優(yōu)點(diǎn)，在保證計(jì)算精度的同時(shí)可以大幅度的縮短訓(xùn)練時(shí)間。

該新型故障診斷方法利用小波變換提取故障信號(hào)的能量譜作為故障特征向量；然后將故障特征向量輸入到極限學(xué)習(xí)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練、診斷，由極限學(xué)習(xí)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出向量來對(duì)應(yīng)不同的故障模式。

通過仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法可實(shí)現(xiàn)三電平NPC型逆變器的多模式故障診斷，且具有精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)三電平中點(diǎn)鉗位型逆變器的故障類型和當(dāng)前國(guó)內(nèi)常用的一些故障診斷方法進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)目前的診斷模型或多或少的存在一些缺陷，不能很好的將故障精確快速的診斷出來。最后本文提出一種基于小波變換和極限學(xué)習(xí)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的逆變器故障診斷方法，能夠克服以往故障診斷模型中的不足之處，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法具有很好的實(shí)用性。

［1］湯清泉,顏世超,盧松升,等.三電平逆變器的功率管開路故障診斷[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(21):26-32.

［2］陳丹江,葉銀忠.基于多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三電平逆變器器件開路故障診斷方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(6):120-126.

［3］肖剛.三電平逆變器故障診斷研究[D].西安：西安理工大學(xué),2007.