近日，中科院合肥研究院等離子體所電源及控制工程研究室高格、蔣力課題組博士生鄧茜在EAST磁體電源系統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制變流器故障診斷的研究方面取得新進(jìn)展。研究成果發(fā)表在電力電子領(lǐng)域權(quán)威期刊IEEE Transactions on Power Electronics上。
EAST磁體電源系統(tǒng)計(jì)劃采用高效率、高功率密度和高可靠性的三相兩電平脈寬調(diào)制電壓源變流器（PWM-VSC）作為前級(jí)功率轉(zhuǎn)換器。由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和聚變反應(yīng)堆電源系統(tǒng)工作環(huán)境的復(fù)雜性（如電磁干擾、高溫等），PWM-VSC變流器系統(tǒng)容易發(fā)生故障，在異常工作模式運(yùn)行，可能會(huì)對(duì)EAST物理實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，電源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行研究備受關(guān)注。調(diào)查表明，電力系統(tǒng)中31%的故障是由功率半導(dǎo)體的故障引起，大致分為短路故障和開路故障 。其中開路故障通常由熱機(jī)械疲勞或命令信號(hào)丟失導(dǎo)致的鍵合線故障引起，會(huì)導(dǎo)致電流不平衡，進(jìn)而可能導(dǎo)致電源系統(tǒng)的二次故障，造成嚴(yán)重后果。因此，近年來的研究點(diǎn)主要集中在開路故障診斷上。目前，針對(duì)PWM-VSC變流器功率開關(guān)管的開路故障診斷方法通常只能診斷工作在整流或逆變狀態(tài)的情況。而EAST磁體電源系統(tǒng)的PWM-VSC變流器需要工作在整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)。根據(jù)電路模型理論分析可知，工作在這兩種狀態(tài)的故障特征量具有完全不同的特性，且單開關(guān)和雙開關(guān)故障的故障現(xiàn)象較為復(fù)雜，故增加了故障診斷的難度。
為解決這個(gè)問題，本論文提出了一種可以在整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)下檢測(cè)功率開關(guān)管單開關(guān)和雙開關(guān)故障的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷算法。首先，提出了一種基于Inception（一種深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型。在該Inception模型中，1×1卷積、3×3卷積、5×5卷積、7×7卷積和3×3最大池過程在輸入和輸出處并行進(jìn)行，并疊加在一起生成最終輸出。然后，采用三相網(wǎng)側(cè)電流信號(hào)作為上述模型的輸入，以實(shí)際開關(guān)管開路故障位置作為模型的輸出，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練，并確定最佳模型。最后，利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型的平均故障診斷時(shí)間為12.83 ms（<3/4周期），診斷精度為99.14%。
依據(jù)此故障診斷算法，僅需使用三相網(wǎng)側(cè)電流作為故障診斷特征量。可以診斷整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)下的21種單開關(guān)和多開關(guān)開路故障。在增加網(wǎng)絡(luò)的深度和寬度的同時(shí)，更好地利用網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算資源，從而保證計(jì)算預(yù)算不變。本方法結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)結(jié)合起來進(jìn)行模型訓(xùn)練，更加貼近實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，此算法不需要額外的傳感器或系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的魯棒性，在母線電壓發(fā)生變化和非單位功率因數(shù)的工況下，其診斷時(shí)間和診斷精度等指標(biāo)表現(xiàn)良好。
本項(xiàng)目得到了聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施，安徽省自然科學(xué)基金，中國(guó)博士后面上基金等項(xiàng)目的支持，為聚變電源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了基礎(chǔ)，同時(shí)為等其他領(lǐng)域提供了參考價(jià)值。
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9842354
圖1:PWM變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖2:模型架構(gòu)
圖3:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的診斷精度
(a) (b)
圖4:三相電流其故障診斷特征量波形.(a)整流狀態(tài)下，Ta故障. (b)逆變狀態(tài)下，Ta和Ta‘故障
