基于经验小波变换和SVM的电动汽车充电站变流器故障诊断研究

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在电动汽车产业快速发展的背景下,充电站作为基础能源供给设施,既是构建完善充电服务网络的基石,也是推动电动汽车产业进步的重要前提。随着充电站行业的发展,目前传统交流充电站商用价值下降,无法有效满足用户愈发庞大的充电需求。随着大容量锂离子电池和三元电池的应用,直流型快速充电站因其高效的充电速率,便捷的充电方式,已成为商用主流充电方式。变流器是直流充电站的核心部分,其内部IGBT开关器件的频繁运行较易导致故障。国内外尚未见充电站IGBT开关器件故障检测与诊断的研究报道,然而在充电站内部,大型小型电力电子设备较多,与电网关联紧密,日常使用场景复杂,需要一种实用性强、契合性好的故障检测与诊断方法。由于变流器IGBT短路故障可以通过保护电路切断,因此IGBT开路故障诊断是目前研究的主要关注问题。另外,在实际环境中,充电站经常处于非高斯噪声环境下,干扰输出信号波形,对故障特征的提取造成困难。因此本文立足于电动汽车直流型快速充电站中变流器IGBT的开路故障,对非高斯噪声背景下的故障特征提取和诊断开展研究。主要工作和研究成果如下:(1)建立符合国标的电动汽车充电站模型并对变流器IGBT开路故障仿真分析是故障研究的基础。因此本文分析了电动汽车充电站拓扑结构和工作原理,将关键部分分为三相电网及变压器、LCL滤波器、AC/DC变流器、直流充电机和动力电池五模块,计算了各模块中关键参数,同时设计了基于电压前馈的电压电流双闭环控制策略和恒压恒流分阶段充电策略;建立仿真模型并进行了不同工况下的仿真测试,验证了模型的正确性。分析了变流器IGBT开路故障的类型与特性,并阐述了非高斯噪声对IGBT开路故障信号的影响。(2)研究了经验小波变换理论,针对原始经验小波变换缺乏自适应性,研究了尺度空间理论对频带划分点的自适应选取;在此基础上,引入相关性分析筛选经EWT分解后的子信号分量;由于经验小波变换对非高斯噪声较敏感,因此结合循环熵和循环熵谱降低非高斯噪声影响,提取噪声环境下的IGBT开路故障特征;结合上述两种方法,提出一种基于改进EWT-循环熵的充电站变流器IGBT开路故障检测方法,对多类型的故障状况均进行了仿真验证。(3)研究了支持向量机理论,采用半参数支持向量机研究IGBT开路故障诊断问题;半参数支持向量机结合了线性支持向量机和非线性支持向量机的优点,降低了人为设置参数的影响,提高了运算效率,但是其关键在于基本元素集的选取和权重的计算;因此使用稀疏贪婪矩阵近似算法选取最佳基本元素集,并利用迭代重加权最小二乘计算收敛权重,在此基础上提出一种基于半参数支持向量机的充电站变流器IGBT故障诊断方法;与其他支持向量机的对比实验验证了本方法的有效性与实用性,为电动汽车充电站变流器IGBT开路故障诊断提供了一种新的方法和思路。
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