基于FastICA的并網(wǎng)逆變器開(kāi)路故障診斷

張 磊，夏遠(yuǎn)洋，朱國(guó)棟

（1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，合肥 231603；2.雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，成都 610051；3.吉林電力股份有限公司四平第一熱電公司，吉林 四平 136000）

0 引言

基于傳統(tǒng)能源日益短缺、能源需求加大等原因，以光伏發(fā)電為代表的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如雨后春筍般紛紛出現(xiàn)，這對(duì)緩解能源危機(jī)、節(jié)能減排戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)具有重大意義.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率、運(yùn)行壽命以及可靠性也越來(lái)越受重視.在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器是能量轉(zhuǎn)換的樞紐和控制核心.在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，開(kāi)關(guān)器件由于長(zhǎng)期承受較大的電應(yīng)力和熱應(yīng)力，容易出現(xiàn)短路和開(kāi)路等故障，這對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性提出了挑戰(zhàn).由于開(kāi)關(guān)器件發(fā)生短路故障時(shí)常伴隨較大的短路電流，危害性大，需要快速進(jìn)行保護(hù)，因此，常采用控制電路直接鎖定控制波形實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)［1］；而開(kāi)關(guān)器件發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，現(xiàn)象不及器件短路明顯，若故障檢測(cè)不及時(shí)，系統(tǒng)持續(xù)的故障運(yùn)行將會(huì)誘發(fā)系統(tǒng)更大級(jí)別的故障，最終會(huì)引起經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡.有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，逆變器故障占光伏電站常見(jiàn)故障的60%［2-3］.因此，逆變器故障診斷是必不可少的.

文獻(xiàn)［4］從逆變器類型、故障類型和故障診斷方法三個(gè)層面對(duì)現(xiàn)有的三相電壓型逆變器故障診斷方法做了全面總結(jié)；文獻(xiàn)［5］詳細(xì)分析了逆變器各類故障特征，這對(duì)故障診斷特征提取有很大的參考價(jià)值，但沒(méi)有對(duì)故障診斷方法做出研究；文獻(xiàn)［6］提出故障特征采用極值比值法，利用ERM-SVM 進(jìn)行故障診斷，這種診斷方法抗干擾能力強(qiáng)、準(zhǔn)確率較高；文獻(xiàn)［7］選擇電網(wǎng)中性點(diǎn)和直流側(cè)負(fù)極兩點(diǎn)間電壓進(jìn)行故障特征量的提取，以光伏并網(wǎng)逆變器單位功率因數(shù)、電網(wǎng)電壓矢量角度為參考，對(duì)開(kāi)路器件進(jìn)行診斷.文獻(xiàn)［8-11］在提取故障特征時(shí)，雖然采用的算法有所不同，但是都運(yùn)用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法，與文獻(xiàn)［4］中研究的結(jié)論相吻合，即逆變器故障診斷方法正朝著智能方向發(fā)展.

為了避免噪聲的影響，本文提出一種基于FastICA 算法和能量函數(shù)的故障診斷方法.對(duì)三相輸出電流進(jìn)行FastICA 算法分析，能夠得到單管開(kāi)路故障情況下三相電流故障特征，同時(shí)也將噪聲信號(hào)分離出來(lái)，避免噪聲的影響.采用能量函數(shù)，分別計(jì)算相電流前后半周能量值，發(fā)生開(kāi)路故障情況下，相電流前后半周能量值差異大，特征明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)故障定位.

1 光伏并網(wǎng)逆變器的開(kāi)路故障分析

光伏并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：光伏陣列、具有MPPT功能的DC-DC變換器、三相橋式逆變器、LCL 濾波器和電網(wǎng)電源等.其中三相橋式逆變器控制策略較多，本文采用應(yīng)用較為廣泛的三相正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）控制策略.

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在逆變器實(shí)際工作中，單管發(fā)生開(kāi)路比多管同時(shí)發(fā)生開(kāi)路更容易出現(xiàn)，因此，本文僅討論單管開(kāi)路故障情況.由于三相對(duì)稱，任何一個(gè)開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障分析原理相同，選取圖1 中開(kāi)關(guān)管VT1 進(jìn)行單管開(kāi)路故障分析.采用SPWM 控制策略，VT1 分別在a 相電流ia的正、負(fù)半波發(fā)生開(kāi)路故障，電流ia的流通路徑會(huì)有所不同，如圖2 所示.圖2 中，選取a 相電流ia參考正方向?yàn)榱飨螂娋W(wǎng)，Sa1 和Sa2 分別是VT1 和VT2 開(kāi)關(guān)狀態(tài)（1：導(dǎo)通，0：關(guān)斷）.VT1 正常工作和開(kāi)路時(shí)，電流ia流通路徑分別用帶箭頭的實(shí)線和虛線標(biāo)識(shí)［12］.

圖2 VT1正常與故障時(shí)a相電流的流通路徑

從圖2 可以分析得出，VT1 在ia＞0 期間發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，VT1 因故障無(wú)法導(dǎo)通（圖2a 所示情形）而通過(guò)二極管VD2續(xù)流，逆變器輸出電流中的故障a相電流會(huì)缺失正半波，非故障的b相、c相電流幅值會(huì)有所增大；VT1 在ia＜0 期間發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，由于VT1 在正常工作情況下電流ia就不流過(guò)此管，因此，VT1是否開(kāi)路并不影響電流輸出波形.圖3所示為VT1故障前后三相電流輸出的理想波形（實(shí)際輸出波形會(huì)發(fā)生畸變，但仍近似正弦波電流）.

圖3 VT1故障前后三相電流理想輸出波形

從上述分析可知，在三相橋式逆變器發(fā)生單管開(kāi)路故障時(shí)，故障相電流會(huì)缺失半周波，另外兩相電流仍近似為正弦波；上橋臂開(kāi)關(guān)管（VT1，VT3，VT5）發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，對(duì)應(yīng)相的輸出電流將缺失上半波，下橋臂開(kāi)關(guān)管（VT2，VT4，VT6）發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，對(duì)應(yīng)相的輸出電流將缺失下半波.在文獻(xiàn)［1］、［12-14］中對(duì)三相橋式逆變器各類故障進(jìn)行了分類并給出了典型故障時(shí)的三相電流波形.通過(guò)對(duì)各類故障情況下典型故障三相電流波形對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，只有在發(fā)生單管開(kāi)路故障時(shí)，其三相輸出電流波形呈現(xiàn)故障相電流缺失半周波、另外兩相電流仍近似為正弦波的波形特征.據(jù)此，通過(guò)檢測(cè)三相電流，當(dāng)其波形出現(xiàn)上述特征時(shí)，可以判定發(fā)生單管開(kāi)路故障.

2 診斷原理

2.1 快速獨(dú)立成分分析原理

獨(dú)立成分分析（Independent Component Analysis，ICA）算法是盲源分離的經(jīng)典算法.ICA 算法能在缺乏源信號(hào)的情況下，通過(guò)獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)觀測(cè)信號(hào)，估計(jì)出源信號(hào).該算法弱化了對(duì)源信號(hào)的依賴，通過(guò)觀測(cè)信號(hào)估計(jì)出能體現(xiàn)源信號(hào)本質(zhì)結(jié)構(gòu)的信號(hào).目前，ICA 在盲源分離和特征提取方面具有很好的應(yīng)用前景［15］.ICA的原理框圖如圖4所示.

圖4 ICA的原理框圖

由m個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立信號(hào)構(gòu)成的盲源信號(hào)S經(jīng)過(guò)某線性瞬時(shí)混合矩陣A得到觀測(cè)信號(hào)X，即為

其中A為信道傳輸矩陣.

ICA 算法根據(jù)觀測(cè)信號(hào)X估算出混合矩陣A的逆矩陣W≈A-1（即分離矩陣），得到盲源信號(hào)S的分離信號(hào).設(shè)盲源信號(hào)S的分離信號(hào)為Y，則：

快速獨(dú)立成分分析（FastICA）算法優(yōu)化了ICA 算法.與其他盲源分離算法相比，該算法具有收斂速度快、不需要選擇步長(zhǎng)參數(shù)，使用任意的非線性函數(shù)就可以求出非高斯的獨(dú)立信號(hào)以及繼承了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的諸多優(yōu)點(diǎn)，因此該算法性能優(yōu)良，適合處理各類非高斯類型的數(shù)據(jù).

FastICA算法通過(guò)最大負(fù)熵得到逆矩陣W，其目標(biāo)函數(shù)為

其中：y是具有零均值和單位方差的輸出變量；ki是正常數(shù)；ν為一個(gè)具有零均值和單位方差的高斯隨機(jī)變量；Gi()是某種形式的非二次函數(shù).用牛頓法求解該目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解得FastICA算法的迭代公式為

其中ω為逆矩陣W的一行.

基于負(fù)熵最大的FastICA迭代算法步驟如下：

輸入：觀測(cè)信號(hào)X=（x1，x2，…，xn）.

輸出：估計(jì)信號(hào)Y=（y1，y2，…，yn）

步驟：

①令n=0，初始化權(quán)值向量ω（0）.

②n=n+1.

③利用公式（4）對(duì)ω進(jìn)行調(diào)整，得到ω（n+1）.

④采用公式（5）進(jìn)行歸一化處理.

⑤如果算法沒(méi)有收斂，則跳轉(zhuǎn)到第③步.

⑥算法收斂，求出一個(gè)獨(dú)立成分，y1=ωX.

使用FastICA 算法時(shí)，觀測(cè)信號(hào)X，需要滿足該算法的約束條件，否則會(huì)分離失敗.逆變器發(fā)生單管開(kāi)路故障時(shí)，三相電流將不再對(duì)稱，故障相電流會(huì)缺失半周波形，另外兩相電流仍近似為正弦波形，同時(shí)各相電流中會(huì)伴隨噪聲信號(hào).很顯然，故障相電流、無(wú)故障相電流和噪聲不滿足高斯分布，即均為非高斯信號(hào).根據(jù)FastICA 算法約束條件，三相電流滿足FastICA 算法條件，故FastICA 算法適用于三相橋式逆變器單管開(kāi)路故障.

2.2 能量函數(shù)

采用SPWM控制策略的三相橋式逆變器就是一個(gè)功率放大電路，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)管的控制，實(shí)現(xiàn)輸出端的功率輸出.當(dāng)逆變器的開(kāi)關(guān)管發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量的傳送，表現(xiàn)在電流波形上就是輸出電流值接近于0.由此引入能量函數(shù)E(t)來(lái)表征各個(gè)開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)下對(duì)應(yīng)相輸出電流的能量［16-19］：

其中，式（6）在計(jì)算時(shí)可根據(jù)采樣的頻率換算為采樣的點(diǎn)數(shù)，則能量函數(shù)的計(jì)算公式為

其中：Δn為對(duì)應(yīng)Δt時(shí)間間隔內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)，即為時(shí)窗的總長(zhǎng)度；n0為時(shí)窗的起始采樣點(diǎn).從n0起點(diǎn)開(kāi)始，逐點(diǎn)移動(dòng)時(shí)窗進(jìn)行計(jì)算，直至終點(diǎn)結(jié)束，Δt時(shí)間間隔內(nèi)的能量就計(jì)算完成.

2.3 診斷步驟

根據(jù)上述原理分析，基于FastICA的并網(wǎng)逆變器單管開(kāi)路故障診斷具體步驟如下：

①對(duì)三相輸出電流觀測(cè)值ia，ib，ic進(jìn)行FastICA分解，得出各分量；

②根據(jù)各分量圖形特征，確認(rèn)是否發(fā)生單管開(kāi)路故障；

③若發(fā)生單管開(kāi)路故障，利用公式（7）計(jì)算選定時(shí)窗內(nèi)各個(gè)開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)下對(duì)應(yīng)相輸出電流的能量值；

④以各個(gè)開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)下對(duì)應(yīng)相輸出電流的能量值為依據(jù)，能量值最小者即判定為發(fā)生開(kāi)路故障的開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)單管開(kāi)路故障診斷.

3 仿真分析

3.1 仿真模型

為驗(yàn)證上述故障診斷的有效性，依據(jù)圖1 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立MATLAB 仿真模型.模型中DC-DC部分采用BOOST 電路，使用粒子群算法實(shí)現(xiàn)MPPT 功能，BOOST 電路直流輸出電壓800 V；逆變器采用三相橋式結(jié)構(gòu)；LCL 濾波器中，逆變器側(cè)電感L1取值0.8 mH，網(wǎng)側(cè)電感L2取值0.2 mH，濾波電容Cd取值100 μF，阻尼電阻Rd取值3 Ω；電網(wǎng)采用對(duì)稱三相交流電，頻率50 Hz，線電壓380 V；電路輸出功率100 kW，開(kāi)關(guān)頻率10 kHz.

正常工作情況下，三相并網(wǎng)輸出電壓、輸出電流波形如圖5所示.從圖5可以看出，三相輸出電壓和輸出電流保持同步，三相電流對(duì)稱，波形光滑，仿真模型運(yùn)行良好.

圖5 正常情況下三相并網(wǎng)輸出電壓和電流波形

3.2 單管開(kāi)路故障診斷

采用圖6所示方法模擬VT1開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障.VT1的控制信號(hào)由switch 模塊選擇結(jié)果決定：Clock 時(shí)鐘模塊模擬故障發(fā)生時(shí)刻.在設(shè)定的故障時(shí)刻到來(lái)之前，switch 模塊選擇輸出PWM1 信號(hào)；在設(shè)定的故障時(shí)刻到來(lái)時(shí)，switch 模塊選擇輸出Constant 模塊提供的“低電平0”，VT1 此時(shí)接收不到觸發(fā)脈沖信號(hào)，相當(dāng)于開(kāi)路，從而模擬單管開(kāi)路故障.其他單管開(kāi)路故障也可以采用此方法模擬實(shí)現(xiàn).

圖6 VT1開(kāi)路故障仿真模型

利用圖6所示仿真模型，VT1開(kāi)路故障時(shí)，三相輸出電流波形如圖7所示.

圖7 VT1開(kāi)路故障時(shí)三相輸出電流波形

從圖7可以看出，當(dāng)VT1發(fā)生開(kāi)路故障后，a相電流上半周缺失，b相和c相電流基本保持正弦波，且波形形狀類似，同時(shí)三相電流幅值都有所增加.仿真結(jié)果與上述分析結(jié)論相同.

將VT1開(kāi)路故障后采集的三相電流值進(jìn)行FastICA分析，得到三個(gè)分離信號(hào)波形如圖8所示.

圖8 三相輸出電流經(jīng)FastICA分離得到的信號(hào)波形

從圖8可以看出，分離信號(hào)中含有近似正弦的半波波形（對(duì)應(yīng)故障相電流特征），分離信號(hào)中含有近似正弦的波形（對(duì)應(yīng)非故障相電流特征），同時(shí)含有高頻噪聲信號(hào).可見(jiàn)，經(jīng)FastICA 分離得到的信號(hào)波形，能夠體現(xiàn)出VT1開(kāi)路故障時(shí)三相輸出電流波形特征，與圖7波形特征相同.據(jù)此，可以判定逆變器發(fā)生了單管開(kāi)路故障，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位.

3.3 單管開(kāi)路故障定位

在由FastICA 算法確認(rèn)發(fā)生單管開(kāi)路故障后，用式（7）分別計(jì)算三相輸出電流的能量值.Δn取對(duì)應(yīng)半個(gè)工頻周期的采樣點(diǎn)數(shù)，采樣頻率為100 kHz.根據(jù)本文2.3的方法，依次設(shè)置六個(gè)開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障，計(jì)算各個(gè)開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障后三相電流前后半個(gè)周期的能量值，仿真測(cè)試結(jié)果如表1 所示.表中Ea_q，Eb_q，Ec_q分別對(duì)應(yīng)三相前半周期能量值，Ea_h，Eb_h，Ec_h分別對(duì)應(yīng)三相后半周期能量值.

表1 VT1—VT6發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)定位結(jié)果

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，開(kāi)關(guān)管發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，其對(duì)應(yīng)相電流的半周期內(nèi)的能量值明顯偏低，則實(shí)現(xiàn)單管開(kāi)路故障診斷.

4 結(jié)論

本文探討了FastICA 算法和能量函數(shù)應(yīng)用于三相并網(wǎng)逆變器單管開(kāi)路故障診斷的可行性，并通過(guò)MATLAB 仿真進(jìn)行驗(yàn)證.仿真結(jié)果表明，基于FastICA 算法和能量函數(shù)的并網(wǎng)逆變器單管開(kāi)路故障診斷具有以下特點(diǎn)：

（1）FastICA算法能夠?qū)⒏蓴_信號(hào)從故障信號(hào)中分離，從原理上避免了干擾信號(hào)的影響，體現(xiàn)其抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；

（2）基于FastICA算法分離得到的信號(hào)，能夠保持源信號(hào)的故障特征，易于實(shí)現(xiàn)故障類別判定；

（3）引入的能量函數(shù)，能夠明顯體現(xiàn)出故障管和非故障管能量傳輸大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障定位.