小型固態(tài)變壓器狀態(tài)監(jiān)測及單管開路故障診斷數(shù)字孿生方法

李詠秋，徐 晉，汪可友，吳 盼，李子潤，李國杰

（電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海交通大學(xué)），上海市 200240）

0 引言

固態(tài)變壓器（solid-state transformer，SST）作為傳統(tǒng)變壓器較為理想的替代品，具有電壓增益高、體積重量小、銅鐵材料少等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、故障隔離和功率管理等功能［1］。因此，SST 可用作能源路由器，實(shí)現(xiàn)分布式電源、儲能、負(fù)載及電網(wǎng)［2］等的互聯(lián)。

然而，SST 在運(yùn)行過程中不可避免地會受到環(huán)境影響，發(fā)生器件老化、設(shè)備損壞等故障。行業(yè)報告顯示電容容值在長期使用后會退化5%～20%［3］，可能無法承受正常的電應(yīng)力或熱應(yīng)力，變換器中大約30%的故障是由退化的電容導(dǎo)致的［4］；在電力電子設(shè)備故障方面，金氧半場效晶體管(MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等功率開關(guān)故障占比較高［4］。發(fā)生故障后，SST 運(yùn)行狀態(tài)改變，可能造成輸入/輸出電壓、電流畸變及器件過載，影響其連接的各個設(shè)備。因此，對SST 進(jìn)行設(shè)備健康管理（即狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷），提高系統(tǒng)的可靠性，具有重要意義。

狀態(tài)監(jiān)測是識別和監(jiān)測物理系統(tǒng)的運(yùn)行特性的過程，以識別系統(tǒng)中的異常行為，從而通過執(zhí)行定期維護(hù)來防止出現(xiàn)故障或嚴(yán)重惡化［5-7］?？捎糜诒O(jiān)測電容/電感的退化進(jìn)程，在故障發(fā)生前更換老化器件［8-11］。文獻(xiàn)［8］建立BOOST 變換器的開關(guān)線性模型，應(yīng)用廣義梯度下降算法計算電感和電容；文獻(xiàn)［11］考慮模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)監(jiān)測，每次監(jiān)測選擇對應(yīng)子模塊并將其獨(dú)立出來，利用電容電壓的放電曲線獲得健康狀態(tài)。但SST 包含多個開關(guān)器件、電容和電感，難以建立開關(guān)線性模型；在運(yùn)行過程中無法將某一模塊獨(dú)立來單獨(dú)獲取放電曲線?？梢姮F(xiàn)有方法不適用于SST，且針對SST 狀態(tài)監(jiān)測文獻(xiàn)較少，實(shí)現(xiàn)SST“多器件”狀態(tài)監(jiān)測仍面臨較大挑戰(zhàn)。

開關(guān)器件開路故障會導(dǎo)致變換器輸出電流降低、其他組件過載等事故。與短路故障相比，開路故障無法通過集成柵極硬件驅(qū)動電路得到很好的保護(hù)［12］，因此本文重點(diǎn)研究開路故障診斷?？紤]小容量SST 中應(yīng)用較多的DC-DC 級高頻隔離三級轉(zhuǎn)換配置［13］，選擇直流電容為區(qū)分子電路的接口，則SST 可分為三相整流電路、雙有源橋（dual-activebridge，DAB）以及三相逆變電路3 個部分。關(guān)于獨(dú)立子電路的開路故障分析及診斷已有較多研究［14-20］。文獻(xiàn)［14］檢查所應(yīng)用的開關(guān)狀態(tài)與估計的開關(guān)狀態(tài)之間的失配信號，實(shí)現(xiàn)整流電路故障診斷；文獻(xiàn)［17］修改驅(qū)動電路，測量導(dǎo)通狀態(tài)下的功率半導(dǎo)體壓降，識別DAB 故障。文獻(xiàn)［19］提取逆變電路輸出電流特征，實(shí)現(xiàn)故障定位。然而上述研究僅針對單一拓?fù)?，SST 某一子電路故障可能引起其他子電路輸出畸變，單一拓?fù)湓\斷算法因而可能產(chǎn)生誤判。針對SST 開路故障診斷，文獻(xiàn)［21］討論了不同開關(guān)器件故障的電路特性，但所需采集的電氣量較多，且僅能判斷故障所在子電路，不能定位故障功率開關(guān)。因此，亟須提出一種適合于“多開關(guān)器件”SST 的單管開路故障診斷方法。

數(shù)字孿生是對物理實(shí)體的數(shù)字化鏡像，基于傳感器數(shù)據(jù)及物理模型，建立可自我更新、現(xiàn)場感極強(qiáng)的數(shù)字孿生體（digital twin，DT），用以支撐物理實(shí)體生命周期各項(xiàng)活動的決策；具有高保真性、互操作性等特點(diǎn)，且側(cè)重于模型的構(gòu)建技術(shù)［22］。數(shù)字孿生現(xiàn)已被用于變換器的狀態(tài)監(jiān)測［23］、故障診斷［24-25］以及電力系統(tǒng)數(shù)字化探索［26］上。為實(shí)現(xiàn)SST 多元件精準(zhǔn)狀態(tài)檢測，同時在多個開關(guān)器件中準(zhǔn)確定位開路故障，提出小型SST 狀態(tài)監(jiān)測及單管開路故障診斷數(shù)字孿生方法。

1 SST 數(shù)字孿生體構(gòu)建

基于數(shù)字孿生的設(shè)備健康管理框架如圖1 所示。圖中：DT 構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康管理功能的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有變換器DT 構(gòu)建方法為建立變換器狀態(tài)空間方程［24-25］。當(dāng)開關(guān)器件數(shù)量較多時，狀態(tài)空間方程的維度將顯著增加，不利于求解。為此，文中利用電磁暫態(tài)程序（electro-magnetic transient program，EMTP）［27］構(gòu)建表征SST（拓?fù)淙鐖D2 所示）運(yùn)行特性的DT，并提出開關(guān)器件開路故障建模方法，不僅可獲取豐富的電壓電流信息，還可模擬開路故障，用于實(shí)現(xiàn)SST 開路故障診斷。

圖1 基于數(shù)字孿生的設(shè)備健康管理框架Fig.1 Equipment health management framework based on digital twin

圖2 SST 拓?fù)銯ig.2 Topology of SST

1.1 DT 元件建模

元件建模是構(gòu)建DT 的基礎(chǔ)，附錄A 表A1 列出了6 種基本元件的等效電路。其中，開關(guān)器件采用相關(guān)離散電路（associated discrete circuit，ADC）開關(guān)模型［28］和Ron-Roff模型混合建立。

ADC 開關(guān)模型中，開關(guān)導(dǎo)通時，由一個小電感建模；開關(guān)關(guān)斷時，由一個小電容和一個電阻建模。其僅存儲一組節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，不隨開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)改變。但若開關(guān)頻率過高，開關(guān)器件電流存在數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象，出現(xiàn)電流尖峰；當(dāng)同一橋臂開關(guān)器件同時關(guān)斷時，該橋臂等效為兩電容串聯(lián)，電容電荷重新分配，產(chǎn)生電流，不符合開路故障實(shí)際情況。

Ron-Roff模型，即用小電阻Ron表征開關(guān)導(dǎo)通，用大電阻Roff表征開關(guān)關(guān)斷。該模型具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性，但需要依據(jù)不同開關(guān)組合存儲不同的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，占用較大內(nèi)存。為實(shí)現(xiàn)開路故障工況建模同時減少內(nèi)存占用，采用ADC/Ron-Roff混合模型。

1）正常工況

子電路1 整流電路、子電路3 逆變電路開關(guān)頻率較低，功率開關(guān)采用ADC 開關(guān)模型；子電路2 的DAB 為高頻電路，采用Ron-Roff模型。

2）故障工況

整流/逆變電路故障功率開關(guān)所在橋臂替換成Ron-Roff模型，并更新節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，同時該橋臂開關(guān)歷史電流置零；DAB 根據(jù)故障后的開關(guān)組合重新計算節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣。

1.2 功率開關(guān)開路故障建模

考慮單管開路故障，并假設(shè)故障后其反并聯(lián)二極管續(xù)流功能不受影響。常規(guī)EMTP 中，開關(guān)器件模型均可雙向?qū)?，若考慮反并聯(lián)二極管的單向?qū)ǎ瑒t需額外增加二極管支路，使得變換器的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣維度升高。為模擬單管開路故障后反向二極管正常續(xù)流現(xiàn)象，現(xiàn)提出開路故障建模方法。

以故障開關(guān)橋臂及其中點(diǎn)進(jìn)線連接的電感為模塊分析（假設(shè)上橋臂開關(guān)故障），根據(jù)電感電流i方向及下橋臂開關(guān)控制信號即可確定該橋臂開關(guān)器件的實(shí)際導(dǎo)通狀態(tài)。但在一個步長內(nèi)二極管導(dǎo)通狀態(tài)保持不變，可能造成電感電流過零，如圖3（a）所示（t1至t3內(nèi)，開關(guān)器件晶體管控制信號均為0；VD1、VD2為反并聯(lián)二極管導(dǎo)通狀態(tài)），使得下一步長中二極管導(dǎo)通判別失誤，造成電感電流在零點(diǎn)附近振蕩，反并聯(lián)二極管重復(fù)通斷。為消除振蕩現(xiàn)象，在判定開關(guān)實(shí)際導(dǎo)通情況后，預(yù)判下一時刻的電感電流為：

式中：L為開關(guān)橋臂所連接的電感；uL為電感L電壓；i（t）為電感L在t時刻的電流；ipre（t+Δt）為預(yù)判電感電流，Δt為運(yùn)行步長。

若i（t）ipre（t+Δt）＜0，證明在該時段出現(xiàn)電流過零，此時計算出t+Δt時刻各節(jié)點(diǎn)電壓及電流后，將電感電流i（t+Δt）、開關(guān)器件電流置零，實(shí)現(xiàn)近似二極管電流過零自然關(guān)斷，如圖3（b）所示。當(dāng)步長較小時，該方法能有效模擬開關(guān)管斷路、反向二極管正常續(xù)流的故障工況。

圖3 反并聯(lián)二極管導(dǎo)通判別Fig.3 Judgment of switching device conduction

2 SST 數(shù)字孿生體參數(shù)同步

DT 參數(shù)同步技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其高保真性的重要手段。利用電路實(shí)測電氣量與DT 對應(yīng)的模擬電氣量對比，計算適應(yīng)度值，結(jié)合量子遺傳算法（quantum genetic algorithm，QGA）實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵器件參數(shù)辨識，辨識結(jié)果可用于DT 的參數(shù)同步，保證其與實(shí)物系統(tǒng)的高度一致。同時，參數(shù)辨識結(jié)果可用于SST 狀態(tài)監(jiān)測。

電容、電感的退化主要表現(xiàn)在其容值、感值變化上。SST 中濾波電感共9 個，交流濾波電容共3 個，直流母線電容共2 個，需辨識的器件數(shù)量較多。為簡化問題，文中忽略電感、電容的等效串聯(lián)電阻。

QGA 是一種基于量子計算概念和理論的概率優(yōu)化算法［29］。其將量子的態(tài)矢量表達(dá)引入遺傳編碼，利用量子邏輯門實(shí)現(xiàn)染色體的演化，相較于傳統(tǒng)遺傳算法擁有更好的多樣性特征，收斂性也有所提高。QGA 流程如附錄A 圖A1 所示。以量子比特為編碼的染色體可表示為：

產(chǎn)生量子比特編碼后，將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼，以獲得一組確定的解。測量規(guī)則如式（4）所示。

測量完成后，對產(chǎn)生的解進(jìn)行適應(yīng)度評估。適應(yīng)度函數(shù)選取為SST 數(shù)字孿生體計算得到的電流、電壓值與物理系統(tǒng)測量值之間的均方誤差的倒數(shù)。因此，適應(yīng)度值越大的則越靠近最優(yōu)解。計入適應(yīng)度函數(shù)的電氣量有：電感電流、電容電壓、子電路的輸出電壓。由于待優(yōu)化變量過多，直接進(jìn)行SST 整體尋優(yōu)，會使得收斂速度過慢。為提高搜索速度同時不影響辨識精度，提出一種分電路辨識方法。

1）固定DAB 及逆變電路器件參數(shù)以及接口電容C2，以式（5）為適應(yīng)度函數(shù)ffit1，辨識子電路1 濾波電感值LR1至LR3及接口電容C1。

式中：N為樣本數(shù)量；NL1為子電路1 待辨識電感數(shù)量，NL1=3；iLp，j為DT 中 第p個 電 感 的 第j個 樣 本 的電 流 值；iLmp，j為 實(shí) 測 電 感 電 流；uo1，j為DT 中 整 流 電路輸出電壓；uo1m，j為實(shí)測整流電路輸出電壓。

2）得到子電路1 濾波電感、接口電容C1辨識值后，更新DT，以式（6）為適應(yīng)度函數(shù)ffit2，辨識接口電容C2。

式 中：uo2，j為DT 中DAB 輸 出 電 壓；uo2m，j為 實(shí) 測DAB 輸出電壓。

3）更新DT 中已辨識器件參數(shù)，以式（7）為適應(yīng)度函數(shù)ffit3，辨識子電路3 中濾波電感LI1至LI6、濾波電容CI1至CI3。

式中：NL3為子電路3 中待辨識電感數(shù)量，NL3=6；NC為待辨識濾波電容數(shù)量，NC=3；uCs，j為DT 中逆變電路第s個電容的第j個樣本的電壓值；uCms，j為實(shí)測逆變電路電容電壓。

在得到各染色體對應(yīng)的適應(yīng)度值并記錄最優(yōu)個體后，利用量子旋轉(zhuǎn)門實(shí)現(xiàn)染色體的演化，其更新過程為：

式中：θ為概率幅對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角，其大小和符號根據(jù)附錄A 表A2 中的選擇策略決定。

通過不斷地迭代尋優(yōu)，當(dāng)適應(yīng)度值滿足要求時，即輸出參數(shù)序列。隨后對參數(shù)序列進(jìn)行矯正，得到最終辨識結(jié)果（矯正過程見3.1 節(jié)）。依據(jù)辨識出的參數(shù)值，修改DT 中對應(yīng)器件參數(shù)，更新器件對應(yīng)的伴隨電路模型，并重新計算節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，完成DT參數(shù)同步，以保證其與實(shí)際電路的高度一致，提高故障診斷以及其他數(shù)字孿生功能應(yīng)用的準(zhǔn)確性。

3 SST 健康管理數(shù)字孿生方法

3.1 狀態(tài)監(jiān)測

針對電容、電感的狀態(tài)監(jiān)測，指標(biāo)主要有容值、感值及其等效串聯(lián)電阻［6］。與參數(shù)同步假設(shè)相同，文中以容值、感值為狀態(tài)監(jiān)測指標(biāo)。

考慮啟發(fā)式算法優(yōu)化結(jié)果的隨機(jī)性，為提高器件狀態(tài)監(jiān)測精度，現(xiàn)對QGA 優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行矯正。測試階段，多次優(yōu)化取均值，并與實(shí)際值對比，計算矯正量。在運(yùn)行過程中，利用式（9）修正優(yōu)化結(jié)果，得到待監(jiān)測器件的實(shí)際輸出。

式中：pc為矯正量；Vout為器件的實(shí)際狀態(tài)監(jiān)測輸出；Vavg為多次優(yōu)化產(chǎn)生的平均值；Vreal為待監(jiān)測器件的實(shí)際值；Vop為某次優(yōu)化的輸出。

電感、電容的退化以月計算，且設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能啟用時間間隔較長，故而基于QGA 及SST DT的器件狀態(tài)監(jiān)測能夠滿足實(shí)際需求。

3.2 單管開路故障診斷

SST 開關(guān)器件數(shù)量多，以下考慮兩種常見的單管開路故障類型：1）晶體管開路，反并聯(lián)二極管正常續(xù)流；2）反并聯(lián)二極管開路，晶體管正常導(dǎo)通。

3.2.1 晶體管開路故障特征分析

晶體管開路故障所處位置影響子電路的輸出。不同功率開關(guān)晶體管故障時子電路輸出電壓如附錄A 圖A2 所 示。

1）晶體管開路故障位于子電路1 整流電路

以SR1晶體管故障為例，故障發(fā)生時，a 相輸入電流iia1發(fā)生明顯畸變，從而引起b 相、c 相電流波動。由于dq矢量控制的調(diào)節(jié)作用，使得輸出電壓uo1發(fā)生明顯畸變。移相控制下，DAB 輸出電壓uo2隨輸入電壓uo1變化，在設(shè)定值附近小范圍波動。子電路3 逆變電路輸入電壓變化小，對其輸出電壓變化影響不明顯。

2）晶體管開路故障位于子電路2 的DAB

以S1晶體管故障為例，高頻變壓器漏感電流iLt發(fā)生偏移，變壓器處于偏磁運(yùn)行狀態(tài)，但功率仍向后級傳遞，DAB 輸出電壓uo2不發(fā)生明顯跌落。此時，各子電路輸出電壓無明顯變化。

3）晶體管開路故障位于子電路3 逆變電路

以SI1晶體管故障為例，SI1故障引起a 相輸出電壓/電流明顯畸變，導(dǎo)致三相輸出功率不平衡，繼而在前級直流母線引起功率脈動，使得uo1、uo2發(fā)生畸變。

綜上，當(dāng)晶體管開路故障位于整流電路和逆變電路時，其對應(yīng)子電路輸出電壓均會發(fā)生明顯畸變，同時影響DAB 輸出，因此選取子電路輸出電壓uo1和uo3，a、uo3，b、uo3，c作 為故障診斷 判據(jù)。然 而，DAB 發(fā)生開路故障對輸出電壓影響不明顯，需單獨(dú)選取診斷判據(jù)。

DAB 中晶體管S1、S2分別故障后相關(guān)波形如附錄A 圖A3 所示?？梢娋w管故障時，所在橋臂的中點(diǎn)電壓uH1不是占空比為0.5 的方波。同時，S1、S2故障對橋臂中點(diǎn)電壓的影響不同：S1故障，uH1=0 的時間增加；S2故障后，uH1=0 的時間減少。因此，選取DAB 的4 個橋臂中點(diǎn)電壓uH1至uH4為故障診斷判據(jù)。

3.2.2 反并聯(lián)二極管開路故障特征分析

反并聯(lián)二極管開路故障位于不同子電路時的橋臂中點(diǎn)電壓如附錄A 圖A4 所示。由于整流/逆變電路中二極管續(xù)流占比較大，在發(fā)生開路故障時，其故障橋臂沖擊電壓明顯，且上橋臂故障產(chǎn)生正沖擊電壓、下橋臂故障產(chǎn)生負(fù)沖擊電壓。因此，采集橋臂中點(diǎn)電壓可實(shí)現(xiàn)整流/逆變子電路二極管開路故障定位。

DAB 中二極管續(xù)流時間短，電感電流突變帶來的沖擊電壓小，無法依據(jù)橋臂中點(diǎn)電壓進(jìn)行判別。反并聯(lián)二極管開路時相關(guān)波形如附錄A 圖A5 所示。二極管開路后，晶體管導(dǎo)通時間變化不大，但電感電流將發(fā)生偏移，且上下橋臂故障時電感電流偏移方向不同，高頻變壓器原副邊故障時電感電流偏移程度不同。因此，可通過計算變壓器漏感電流均值iˉL及橋臂中點(diǎn)電壓均值進(jìn)行聯(lián)合判別。但S1、S4反并聯(lián)二極管故障帶來的變化相近，通過電感電流和橋臂中點(diǎn)電壓僅能定位到兩個開關(guān)之間。若需定位到具體開關(guān)，需增設(shè)開關(guān)器件電壓、電流量測，成本過高。

3.2.3 開路故障診斷策略

選 取 整 流 電 路、逆 變 電 路 輸 出 電 壓uo1、uo3，a、uo3，b、uo3，c，橋 臂 中 點(diǎn) 電 壓uRH1至uRH3、uIH1至uIH3以 及DAB 橋臂中點(diǎn)電壓uH1至uH4，漏感電流iLt作為單管開路故障診斷判據(jù)。

晶體管開路故障診斷算法依據(jù)故障判據(jù)采樣頻率可分為低頻診斷、高頻診斷兩部分（算法流程見附錄A 圖A6）。

1）低頻診斷

低頻采樣uo1、uo3，a、uo3，b，按照式（10）計算殘差，并判斷輸出電壓殘差的絕對值是否大于所設(shè)閾值εset，若超過εset，則進(jìn)入故障決策子程序并設(shè)定標(biāo)志位F為1（表明故障可能發(fā)生在整流或逆變電路）。

式 中：εLow1為 整 流 電 路 輸 出 電 壓 殘 差 序 列；εLow3，P為逆變電路P相輸出電壓殘差，P為三相索引，P=a，b，c；uo1、uo1m分別為DT、實(shí)物系統(tǒng)中整流電路輸出電壓序列；uo3，P、uo3m，P分別為DT、實(shí)物系統(tǒng)中逆變電路P相輸出電壓序列。

進(jìn)入故障決策子程序后，判斷在該段時間內(nèi)絕對值超過閾值的殘差個數(shù)kLow，若kLow大于設(shè)定值，則認(rèn)為發(fā)生開路故障，保持標(biāo)志位F為1；反之，認(rèn)為無故障，將標(biāo)志位F復(fù)位為0。通過這種方法來避免殘差突然增大等偶然現(xiàn)象（如采集噪聲等的影響）導(dǎo)致的故障決策失誤，提高可靠性。

整流、逆變電路發(fā)生開路故障時，其輸出電壓畸變最大。計算輸出電壓殘差平方和（residual sum of square，RSS）如式（11）所示，RSS 最大的即為故障子電路。

式中：R1、R3分別為整流、逆變電路輸出電壓的RSS；NLow為低頻采樣序列樣本數(shù)。εLow1，j為殘差序列εLow1的 第j個 樣 本；εLow3，Pj為P相 輸 出 電 壓 殘 差 序列εLow3，P的第j個樣本

所構(gòu)建的DT 可運(yùn)行晶體管開路故障工況，且在整流、逆變電路中，不同開關(guān)故障帶來的畸變電壓波形有較大差異。因此，可修改DT 中的控制信號，以檢測到故障時刻為起點(diǎn)，枚舉出故障子電路6 個開關(guān)器件晶體管故障時的輸出電壓波形，并與實(shí)測輸出對比，計算故障子電路輸出電壓的RSS，RSS最小的即為故障功率開關(guān)。

2）高頻診斷

高 頻 采 樣uH1至uH4，并 計 算 殘 差εHn及 殘 差均值εˉHn：

式中：n為DAB 橋臂序號，n=1～4；NH為高頻采樣樣本數(shù)；uHn為DT 中DAB 第n個橋臂中點(diǎn)電壓序列；uHnm為實(shí)測橋臂中點(diǎn)電壓序列；εHnj為橋臂中點(diǎn)電壓殘差序列εHn的第j個樣本。

為避免子電路1、3 故障時DAB 故障誤判，當(dāng)變壓器同側(cè)橋臂的電壓殘差均值存在很大差異時，先判斷標(biāo)志位F是否為1。若F=0，認(rèn)為故障位于DAB，且|εˉHn|最大橋臂即為故障橋臂；若F=1，則認(rèn)為故障可能發(fā)生在整流或逆變電路，等待低頻判別中故障決策子程序執(zhí)行結(jié)果。若故障決策子程序執(zhí)行后F仍為1，則認(rèn)為故障位于整流或逆變電路，不再進(jìn)入高頻診斷；若F為0，則認(rèn)為是由于采集噪聲等偶然因素造成殘差增大，判定此時低頻電路無故障發(fā)生，可繼續(xù)定位DAB 中故障橋臂和故障功率開關(guān)。

反并聯(lián)二極管故障通過檢測uRH1至uRH3、uIH1至uIH3、iLt判別。

1）若uRH1至uRH3、uIH1至uIH3任一量測值超過所設(shè)沖擊電壓閾值，則認(rèn)為對應(yīng)橋臂發(fā)生二極管開路故障，依據(jù)橋臂中點(diǎn)電壓正負(fù)定位故障開關(guān)。

4 算例仿真分析

考慮到本實(shí)驗(yàn)需模擬故障工況，實(shí)際操作難度大，存在安全隱患，本文選取PSCAD 搭建SST 電路來模擬實(shí)物系統(tǒng)。SST 狀態(tài)監(jiān)測及單管開路故障診斷算法測試均在MATLAB 中完成。電路關(guān)鍵參數(shù)如附錄B表B1所示。狀態(tài)監(jiān)測采樣率為400 kHz，故障診斷低頻信號采樣率為10 kHz、高頻信號采樣率為400 kHz。

4.1 狀態(tài)監(jiān)測

按照圖1 流程，結(jié)合QGA 辨識的器件參數(shù)如附錄B 表B2 所示。各個子電路參數(shù)辨識過程中適應(yīng)度值上升過程如附錄B 圖B1 所示。DT 與PSCAD搭建電路的關(guān)鍵電氣量對比如圖4 所示。可見所提出的方法能精準(zhǔn)地辨識出多個待檢測器件的容值、感值，實(shí)現(xiàn)對電路關(guān)鍵器件的狀態(tài)監(jiān)測。而且，DT與PSCAD 仿真出的關(guān)鍵電氣量波形基本重疊，故可通過觀測DT 便捷獲取SST 運(yùn)行情況。

圖4 DT 與PSCAD 仿真關(guān)鍵波形對比Fig.4 Comparison of key waveforms between DT and PSCAD simulation

4.2 故障診斷

反并聯(lián)二極管故障診斷結(jié)果如附錄B 表B3 所示；整流、逆變電路各晶體管故障診斷結(jié)果如附錄B表B4 所示。整流電路SR5、逆變電路SI2分別故障時，相關(guān)波形如圖5 所示。

圖5 開路故障位于整流、逆變電路時相關(guān)波形Fig.5 Relevant waveforms under open circuit faults in rectifier and inverter circuits

可見SR5故障時，DT 中子電路1 輸出電壓uo1與PSCAD 仿真結(jié)果相近，而DAB 中變壓器同側(cè)橋臂中 點(diǎn) 電 壓相 差 很 ??；SI2故 障 時，DT 中SI2開 路 對應(yīng)的輸出電壓uo3與PSCAD 仿真結(jié)果幾乎相同，DAB 中由 于 后 級 電 路 故 障，出 現(xiàn) 較 大 波動，但此時標(biāo)志位F為1，故而不會誤判故障位于子電路2 中。

DAB 電路中S1、Q2分別故障時，橋臂中點(diǎn)電壓εˉH1至εˉH4變 化 如 附 錄B 圖B2 所 示。故 障 位 于DAB時，標(biāo)志位F始終為0。同時，僅有故障功率開關(guān)所在橋臂中點(diǎn)電壓的殘差均值發(fā)生很大偏移，且上橋S1故障時，＞0；下橋Q2故障時，＜0。故通過比 較εˉH1至εˉH4準(zhǔn) 確 定 位 故 障 所 在 位 置。

5 結(jié)語

基于提高SST 運(yùn)行安全穩(wěn)定性的考量，本文利用EMTP 構(gòu)建可運(yùn)行故障工況的SST DT，結(jié)合實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行DT 參數(shù)同步，在此基礎(chǔ)上研究對SST 關(guān)鍵器件的狀態(tài)監(jiān)測和功率開關(guān)開路故障診斷。算例表明，文中提出的基于數(shù)字孿生的設(shè)備健康管理框架，能保證DT 與實(shí)物系統(tǒng)的高度一致，同時實(shí)現(xiàn)對SST 多個器件的狀態(tài)監(jiān)測并準(zhǔn)確定位故障功率開關(guān)。

在此基礎(chǔ)上未來將進(jìn)行更為詳細(xì)的器件模型（如考慮電容、電感的等效串聯(lián)電阻等）和多開關(guān)故障診斷方法等的深入研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。