[发明专利]带故障诊断功能的七电平逆变器及故障诊断方法

说明书

技术领域：

本发明涉及电力故障诊断，具体涉及一种带故障诊断功能的七电平逆变器以及相应的故障诊断方法。

背景技术：

随着电力电子技术的发展和电力电子器件生产成本的降低，高压大功率变换器被广泛应用于各种电气设备中，例如大功率交流电机传动、有源电力滤波和新能源并网等。而为了满足日益提高的电力系统发展需求，多电平逆变器应运而生。和普通的二电平逆变器相比，级联H桥型逆多电平逆变器具有诸多优异的性能，比如谐波少，输出波形更加接近于正弦，开关管两端电压低，由于随着开关管耐压的增高，其价格按照指数型增加，所以通过用廉价的低耐压开关管代替昂贵的高耐压开关管，能够极大的降低逆变器的设计成本与维修费用，在高压大功率场合尤为明显。

尽管多电平逆变器有诸多优点，但是它也有着一些不可避免的缺陷。随着输出电平数的增多，它所需要的开关器件数将会大量增加，这将会大大地提高系统发生故障的概率。级联H桥型多电平逆变器的产生虽然为电力电子技术在高压、大功率场合的应用提供了很多便利，但一旦发生故障，轻则造成企业停产，重则会造成灾难性事故，给社会带来巨大的损失。

发明内容：

本发明首次将基于神经网络的故障诊断方法嵌入DSP内，通过DSP在线采集七电平逆变器的输出电压做到实时的检测与故障诊断。

本发明的第一个目的是提供一种带故障诊断功能的七电平逆变器，其技术方案如下：

一种带故障诊断功能的七电平逆变器，包括直流电源、H桥主电路、DSP、电压变速器、电阻负载、以及显示装置。直流电源由三个24v直流电源组成，DSP产生SPWM驱动H桥主电路将来自直流电源的直流电转换成交流电，该交流电其电压加载到20欧姆的电阻负载两端，并且被电压变送器检测。电压变送器将检测到的电压信号成比例降低到0～3v的范围之内送给DSP。

H桥主电路由三个H桥组成，将第一个H桥的四个开关管分别标记为H1S1、H1S2、H1S3和H1S4，第二个H桥的四个开关管分别标记为H2S1、H2S2、H2S3和H2S4，将第三个H桥的四个开关管分别标记为H3S1、H3S2、H3S3和H3S4，开关管选择为IGBT。Vo1、Vo2和Vo3分别表示三个H桥的输出电压，Vo是该电路最终的输出电压，将三个H桥的输出端级联后，使得Vo＝Vo1+Vo2+Vo3。由于Vo1、Vo2、Vo3＝0V或±E。三个直流电源的电压为V1、V2和V3，并且V1＝V2＝V3＝E。这样，在任意时刻，Vo可以等于±3E、±2E、±E或0V，即本逆变器可以输出七种不同的电平。

H桥主电路的电路状态和七电平逆变器的故障类型对应如下：H1S1开路-故障1，H1S2开路-故障2，H1S3开路-故障3，H1S4开路-故障4，H2S1开路-故障5，H2S1开路-故障6，H2S3开路-故障7，H2S4开路-故障8，H3S1或者H3S4开路-故障9，H3S2或者H3S3开路-故障10，正常工作-故障0。

通过DSP在线采集七电平逆变器的输出电压做到实时的检测与故障诊断。所述DSP中嵌入基于神经网络的七电平逆变器的故障诊断方法。所述故障诊断方法经过数据预处理和神经网络训练。

本发明带故障诊断功能的七电平逆变器的一个实施例，还包括数码管，DSP通过数码管实时显示逆变器的状态。

本发明带故障诊断功能的七电平逆变器的另一个实施例，DSP包括数据预处理和神经网络训练模块、基于神经网络的故障诊断模块、以及数据存储模块

所述基于神经网络的七电平逆变器故障诊断方法的数据预处理步骤如下：

步骤1 采集故障样本数据：

首先采集逆变器故障时的输出电压作为故障样本数据，采集的方法为在逆变器的输出电压一个周期内等间隔地采集512个时刻的离散电压值,每次采集的电压用序列表示。序列中的每个值等于对应时刻的电压值。

根据H桥主电路的电路状态和七电平逆变器的故障类型的对应关系：H1S1开路-故障1，H1S2开路-故障2，H1S3开路-故障3，H1S4开路-故障4，H2S1开路-故障5，H2S1开路-故障6，H2S3开路-故障7，H2S4开路-故障8，H3S1或者H3S4开路-故障9，H3S2或者H3S3开路-故障10，正常工作-故障0，人为设置开路故障，采集逆变器在十种故障情况下输出的电压波形，以及正常工作情况下的电压波形。本步骤中采集的故障数据越多越好。本发明的一个实施例选取采集每种电压波形各100组。

步骤2 FFT变换：