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關(guān)于研旭
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祝賀研旭YXSPACE助力中南民族大學(xué)何老師團隊發(fā)表影響因子12以上的SCI頂刊論文
發(fā)布時間：
2022-11-26 13:03
來源：
原創(chuàng)
論文詳見網(wǎng)頁：https://ieeexplore.ieee.org/document/9932005
論文標(biāo)題：配電網(wǎng)多種擾動情況下并網(wǎng)逆變器開路故障診斷
Shunfan He; Wei Tian; Rongbo Zhu; Yan Zhang; Sun Mao, “Electrical signature analysis for open-circuit faults detection of inverter with various disturbances in distribution grid”,
IEEETrans.IndustrialInformatics.DOI10.1109/TII.2022.3217757.
一、主要研究內(nèi)容
并網(wǎng)逆變器是新能源與儲能對電力系統(tǒng)的接口。逆變器的開關(guān)器件開路故障（open-circuit fault, OCF）是一種常見的逆變器故障。一般情況，逆變器本身不會對OCF進行報警，然而OCF會引起交流側(cè)直流偏置，諧波大量增加，電流有效值降低，甚至導(dǎo)致電流不可控。本文針對配電網(wǎng)中電能質(zhì)量復(fù)雜情況下的逆變器開關(guān)管OCF診斷與定位，提出了一種基于無跡卡爾曼濾波器與極限學(xué)習(xí)機的方法。該方法針對故障時的特征諧波，利用無跡卡爾曼濾波器的諧波動態(tài)跟蹤以及極限學(xué)習(xí)機快速識別的特點，實現(xiàn)了復(fù)雜電能質(zhì)量情況下準(zhǔn)確快速的逆變器開關(guān)管OCF診斷與定位。
二、實驗平臺方法驗證
本文以南京研旭YXSPACE-SP1000平臺為核心，以兩電平逆變器配合三相可編程電源與負載，共同組成了配網(wǎng)逆變器并網(wǎng)實驗系統(tǒng)。為配合各種配電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動環(huán)境，需要準(zhǔn)確控制逆變器開關(guān)管開路故障的時刻與持續(xù)時間，利用RCP單元，可在線通過觸發(fā)脈沖信號精準(zhǔn)控制此時刻與時間。本文一共實現(xiàn)了三相不平衡、電壓暫降、電網(wǎng)諧波、頻率偏移、負載變化、偏置電流等多種常見配電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動下的逆變器開關(guān)管OCF診斷與定位。
三、故障建模及其識別與定位分析
在并網(wǎng)逆變器發(fā)生OCF時，電壓幾乎沒有變化，由電網(wǎng)決定。本文僅使用逆變器電流作為測量量，不需要額外傳感器。其原理如下：
3.1故障原理
逆變器OCF發(fā)生后，其電流會發(fā)生畸變，主要包含直流分量與大量低階諧波。諧波的特征由逆變器故障機理以及并網(wǎng)電流控制器決定，不受其他因素影響。而三相電流由于耦合關(guān)系，當(dāng)其中一相電路故障時，其他兩相電流也會產(chǎn)生畸變。
A相故障S1開路時，三相電流的諧波譜圖
注意到發(fā)生OCF后會產(chǎn)生明顯的直流分量（DC）以及偶次諧波，本文采用DC，二次諧波，四次諧波以及六次諧波作為故障特征。
3.2故障建模
逆變器電流是其發(fā)生OCF的故障電氣標(biāo)識（electrical signature），因此對ABC三相逆變器電流進行時變建模如下：
其狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣與測量矩陣如下：
其無跡卡爾曼濾波器UKF模型如下：
通過UKF循環(huán)，可得到三相電流的各諧波的幅值、頻率及相角。
3.2故障特征提取
為避免負載變化帶來的干擾，采用諧波對基波的比值：比例二次諧波，比例四次諧波以及比例六次諧波進行特征預(yù)處理。該值可用于判斷哪一相發(fā)生了故障。
同時，為了定位上橋臂與下橋臂的故障同時避免直流電流的干擾，采用臨近兩周期的直流變化量來確定故障處于上橋臂或下橋臂。
3.3故障特征識別
極限學(xué)習(xí)機（extreme learning machine, ELM）是一類基于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Feedforward Neuron Network, FNN）構(gòu)建的機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)或方法，其特點是隱含層節(jié)點的權(quán)重為隨機或人為給定的，且不需要更新，學(xué)習(xí)過程僅計算輸出權(quán)重，為在學(xué)習(xí)速率和泛化能力方面可能具有優(yōu)勢。
通過計算
當(dāng)sign(F(x))>0時，判斷為發(fā)生了故障，反正則無故障。兩電平逆變器故障有四種類型：
（1）單管故障，例如S1故障；
（2）雙管故障，雙管同相，例如S1、S2故障：
（3）雙管故障，雙管同橋臂不同相，例如S1、S3故障；
（4）雙管故障，雙管不同橋臂不同相，例如S1、S4故障。
因為（2）與（3）是（1）的組合形式，因此本文僅討論（1）與（4）的情況。
并網(wǎng)逆變器OCF診斷與定位流程圖
4.仿真與實驗結(jié)果
4.1負載變化情況單管故障、
如圖，負載在0.3s與0.5s發(fā)生變化，S1OCF發(fā)生在0.4s?？梢钥吹紸相電流在OCF發(fā)生后特征穩(wěn)定，不隨負載變化而變化，但BC相電流諧波會因負載變化而變化。從F(x)的值可以看出故障發(fā)生在A相，由SDC的變化可知故障發(fā)生在上橋臂。因此綜合得到S1發(fā)生OCF。從識別過程看，檢測并定位到故障共計用時不到2個周期，檢測速度快。本文采用的時變檢測方法，檢測延時即為最終延時。
負載變化時的S1故障診斷與定位
4.2頻率偏移情況單管故障
如圖，負載在0.3s與0.5s發(fā)生變化，S1OCF發(fā)生在0.4s，電網(wǎng)頻率為49.5Hz。從圖中可以看到故障診斷過程與4.1類似，可清晰辨識出S1發(fā)生OCF，頻率的偏移并未對故障診斷與定位造成任何影響。其原因在于本文利用的比例諧波幅值作為故障特征，頻率的變化不改變諧波幅值。
頻率偏移時的S1故障診斷與定位
4.3頻率偏移情況多管故障
如圖，負載在0.3s與0.5s發(fā)生變化，S1與S2在0.4s同時發(fā)生OCF，電網(wǎng)頻率為49.5Hz。從圖中可以看到當(dāng)S1與S2均發(fā)生OCF時，整個A相完全切除，電流值非常小，僅靠反向二極管的續(xù)流得到極小幅值的電流，S1與S2的OCF被準(zhǔn)確識別與定位，且頻率偏移對此沒有影響。
頻率偏移時的S1與S2故障診斷與定位
4.4不平衡電壓暫降情況
單相接地故障是發(fā)生率最高的配電網(wǎng)故障。如圖，A相在0.3s與0.5s發(fā)生單相接地故障，電壓暫降15%，S1OCF發(fā)生在0.4s，而電網(wǎng)頻率為50Hz。從圖中可以看到故障診斷過程未受到不平衡電壓暫降的影響，可清晰辨識出S1發(fā)生OCF，而非故障相的諧波均因電壓暫降而改變。其原因在于故障諧波只有故障機理決定，是一種強迫響應(yīng)，而非故障相的諧波沒有故障的維持，當(dāng)受到干擾時，其值會發(fā)生變化。
不平衡電壓暫降時的S1故障診斷與定位
其他干擾情況下的OCF詳細的診斷與定位請參考論文
5.結(jié)論
本文利用時變諧波檢測的原理，以逆變器電流作為故障電氣標(biāo)識，通過UKF對逆變器開關(guān)管OCF電流進行了特征提取，通過ELM對此特征進行了類型識別，實現(xiàn)了在線、時變、非入侵的逆變器開關(guān)管OCF診斷與定位，準(zhǔn)確度高、檢測速度快。并且針對配電網(wǎng)中復(fù)雜的電能質(zhì)量環(huán)境，相較于已有的方法，該方法仍能夠不受干擾進行正確的識別，具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力與工程實用價值。
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