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可靠性与测试 可靠性分析 机器学习 ★ 5.0

基于机器学习的AC/DC/AC变换器直流链路电容器状态监测

Machine Learning-Based Condition Monitoring for DC-Link Capacitors in AC/DC/AC Converters

作者 Kerim Örüklü · Şener Ağalar
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年9月
技术分类 可靠性与测试
技术标签 可靠性分析 机器学习
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电力电子变换器 直流母线电容 状态监测 机器学习 实验验证
语言:

中文摘要

电力电子变换器在众多行业中发挥着关键作用。然而,自其早期应用以来,这些变换器的可靠性一直是一个关键问题。因此,本文提出了一种基于机器学习(ML)的交流 - 直流 - 交流变换器直流母线电容(DLC)状态监测(CM)系统。选择直流母线电容的电容值作为健康指标,并将直流母线电压纹波的功率谱密度(PSD)作为诊断工具。该技术对测量噪声具有鲁棒性,并且无需额外的滤波技术。此外,与类似研究不同,所提出的方法不需要高采样频率。这种方法的另一个显著优点是,由于它仅依赖于现有信号,因此不需要额外的电路。此外,通过仿真结果和实验室样机的实验验证对基于机器学习的状态监测系统的有效性进行了评估。实验结果表明,所提出的状态监测系统具有很高的准确性。

English Abstract

Power electronic converters play a pivotal role in diverse industries. Yet, reliability of these converters has been a critical concern since its early applications. Thus, this article proposes a machine learning (ML)-based condition monitoring (CM) system for dc-link capacitors (DLCs) in ac/dc/ac converters. The capacitance of DLC is chosen as the health indicator, and the power spectral density (PSD) of dc-link voltage ripple is proposed as a diagnostic tool. This technique offers resilience against measurement noise and eliminates the necessity for additional filtering techniques. Moreover, the proposed method does not require a high sampling frequency unlike the similar studies. Another notable advantage of this approach is that no additional circuitry is required, as it solely relies on the available signals. Moreover, the effectiveness of the ML-based CM system is evaluated through simulation results and an experimental validation on a laboratory prototype. The experimental results pointed out the high accuracy of the proposed CM system.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于机器学习的直流母线电容状态监测技术具有重要的应用价值。直流母线电容是光伏逆变器和储能变流器中的关键易损元件,其失效是导致系统故障的主要原因之一。该技术通过功率谱密度分析直流母线电压纹波来监测电容健康状态,为我们提供了一种低成本、高可靠的预测性维护解决方案。

该技术的核心优势与阳光电源的业务需求高度契合。首先,无需额外硬件电路即可实现监测,仅依赖现有传感器信号,这意味着可以通过软件升级的方式应用于存量产品,显著降低实施成本。其次,对采样频率要求较低且抗噪声能力强,非常适合大规模光伏电站和储能电站的远程监控场景。这对于我们在全球部署的数百GW装机容量的运维管理具有战略意义,能够从被动维修转向主动预防,减少非计划停机时间,提升系统可用率。

从技术成熟度评估,该方法已完成实验室验证,但在实际工业应用中仍需考虑几个关键挑战:一是不同工况下(如温度波动、负载变化)机器学习模型的泛化能力;二是需要建立针对阳光电源特定拓扑结构的训练数据集;三是如何将该技术集成到现有的iSolarCloud智慧能源管理平台中,实现与其他诊断算法的协同。

建议将此技术纳入下一代逆变器和储能系统的智能运维功能开发路线图,优先在大型地面电站和工商业储能项目中试点应用,积累实际运行数据,逐步完善算法模型,最终形成差异化的竞争优势。