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功率器件技术 PWM控制 IGBT 故障诊断 ★ 5.0

一种用于三相SPWM逆变器IGBT开路故障与电流传感器故障的同步诊断新方法

A Novel Simultaneous Diagnosis Method for IGBT Open-Circuit Faults and Current Sensor Faults of Three-Phase SPWM Inverter

作者 Falong Lu · Qiang Guo · Zhifeng Dou · Yafei Chen · Qian Wang · Xiaoyu An
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年3月
技术分类 功率器件技术
技术标签 PWM控制 IGBT 故障诊断
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 故障诊断 IGBT 电流传感器 故障特征提取 时间卷积神经网络
语言:

中文摘要

本文提出了一种用于三相正弦脉宽调制逆变器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开路故障和电流传感器故障的新型故障诊断方法。该方法有助于同时诊断多个IGBT和电流传感器故障。采用帕克变换(Park transform)和快速傅里叶变换(FFT)相结合的方式提取故障特征。帕克变换将三相电流转换为两相电流,从而降低数据维度。快速傅里叶变换将时域分析和频域分析相结合,以增强故障特征的表达。此外,从经过快速傅里叶变换后的样本中提取故障特征,以减少模型输入的单个样本的数据量。在故障诊断方面,开发了一种包含堆叠残差块的时间卷积神经网络模型,用于对潜在故障进行训练和评估,并验证了该模型的有效性和准确性。在线仿真和硬件在环实验结果表明,所提出的方法能够在32毫秒内识别并定位IGBT和传感器故障,准确率达到98.75%。该方法实现了更高的训练和测试准确率以及更快的训练和测试速度,优于现有的诊断技术。

English Abstract

This article presents a novel fault diagnosis method for open-circuit faults of insulated gate bipolar transistors (IGBTs) and current sensor faults in three-phase sinusoidal pulsewidth modulation inverters. The proposed method facilitates the simultaneous diagnosis of multiple IGBT and current sensor faults. A combination of Park transform and fast Fourier transform (FFT) is employed to extract fault features. The Park transform converts three-phase current into two-phase current, thereby reducing the dimensionality of the data. The FFT integrates time-domain and frequency-domain analyses to enhance the representation of fault characteristics. Additionally, fault features are extracted from the samples post-FFT to minimize the data volume of individual sample input by the model. For fault diagnosis, a temporal convolutional neural network model incorporating stacked residual blocks is developed to train and evaluate potential faults and demonstrate the model's validity and accuracy. The results of online simulations and hardware-in-the-loop experiments indicate that the proposed method can identify and locate the IGBT and sensor faults within 32 ms, and the accuracy is 98.75%. This method achieves higher training and testing accuracy and faster training and testing speed, which is superior to the existing diagnosis technologies.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对三相SPWM逆变器IGBT开路故障与电流传感器故障的同步诊断技术具有重要的应用价值。作为光伏逆变器和储能变流器的核心功率器件,IGBT的可靠性直接影响系统的稳定运行和全生命周期成本。该技术通过Park变换降维与FFT频域分析的组合,实现了32毫秒内的快速故障定位,准确率达98.75%,这对提升阳光电源产品的智能运维能力具有显著意义。

在光伏电站和储能电站场景中,传统故障诊断往往需要停机检修,造成发电损失和运维成本增加。该方法的多故障同步诊断能力可有效缩短故障响应时间,特别适合应用于阳光电源的1+X模块化逆变器和大型储能PCS产品线。通过集成时域卷积神经网络模型,可实现边缘侧的实时诊断,减少对云端计算资源的依赖,这与公司智能化、数字化战略高度契合。

技术成熟度方面,该方法已完成硬件在环实验验证,具备工程化应用基础,但仍需考虑几个关键挑战:一是深度学习模型在嵌入式控制器上的部署优化,需平衡诊断精度与计算资源;二是不同工况和环境条件下的泛化能力验证,特别是高温、高湿等极端场景;三是与现有SCADA系统的集成以及故障处置策略的联动设计。

建议阳光电源将此技术纳入下一代逆变器和储能系统的预研计划,重点关注算法轻量化、多场景数据集构建以及与预测性维护系统的融合,以强化产品在智能诊断领域的竞争优势,支撑公司"设备+服务"商业模式的转型升级。