一种基于数字孪生的海洋能发电变流器状态监测方法

本发明涉及新能源发电可靠性领域，具体涉及一种基于数字孪生的海洋能发电变流器状态监测方法。

背景技术：

1、海洋能由于其清洁能源可再生、开发前景广阔与经济性好的优点得到大力开发。新能源发电不稳定，电能需要通过变流器转变后才能并网使用，发电变流器是新能源发电并网的重要组成部分。但海上的复杂环境以及海洋能的不稳定性，导致发电变流器运行可靠性低，发电效率难以保证，对于发电变流器的状态监测，保证发电可靠性尤为重要。功率变流器故障在很大程度上是归因于其应用的功率半导体器件和电容的失效，二者合计导致了约54％的电源系统故障。因此有必要对二者进行故障预测，以进一步提高功率变流器的可靠性。

2、现有的电容故障检测方法通常基于电容容值c和等效串联电阻esr来对电容故障进行检测。目前对于电容参数的提取方法可分为离线提取和在线提取两大类。离线式电容故障检测技术通常需要将电容从系统中拆卸下来，在实际应用中不是很方便，所以近几年来，针对电容的在线检测技术的研究逐渐增多，主要可分为以下六类：1.时域模型参数辨识法2.频域模型参数辨识法3.中频段esr计算法4.电压波形分析法5.信号注入测量法6.功率损耗法。

3、现有的功率半导体器件故障检测方法通常基于导通电阻rdson和热阻rjc来对功率半导体器件故障进行预测。

4、测量导通电阻最常规的方法为同时测量导通压降与导通电流，再据此计算出导通电阻。该方法与igbt饱和导通压降测量方法类似，难点在于需要在高幅值关断电压的条件下精确地获得低幅值导通压降，这就要求高分辨率的测量设备。为了降低对测量硬件的要求，现在通常使用电压钳位电路将关断电压钳位至较低幅值。但对于关断电压钳位的实现，对电路的对称性要求非常高，且电路复杂。检测导通电阻发生变化的第二种方法是使用扩展频谱时域反射计(spread spectrum time domain reflectometry,sstdr)，该技术常用于电缆阻抗不连续点的检测。该方法的缺陷是辅助电路复杂，且抗干扰能力较差。检测导通电阻发生变化的第三种方法是提取开关管开关振铃的峰值，该方法的缺陷是短路会使得管子的温度急剧升高，这就需要将短路时间控制在很短的范围内，对控制以及测量设备要求很高。

5、在热阻提取方面，目前主要有三种方法：解析计算法、有限元仿真法和实验测量法。

6、上述方法在一定程度上可以提取得到反映电容和功率半导体器件的特征量，但这些故障预测方法需要额外的测量电路或传感器。因海况的复杂性及波动性，上述方法并不适合海洋能发电变流器使用。另一方面，由美国国防部最早提出的数字孪生体被逐渐应用于航空航天飞行器的健康维护与保障，数字孪生是物理对象的数字模型，该模型通过接收来自物理对象的数据而实时演化，从而与物理对象在全生命周期保持一致。基于数字孪生可进行分析、预测、诊断、训练等(即仿真)，并将仿真结果反馈给物理对象，从而帮助对物理对象进行优化和决策。

7、虽然数字孪生体在航天飞行器的机械结构层面得到了较为深入应用，然而如何将其运用与海洋能发电，对海洋能发电变流器的故障进行预测，实现非侵入性的特征量提取，还有待进一步深入研究。

技术实现思路

1、针对现有技术存在检测电路复杂、对测量设备要求很高、需要额外的测量电路或传感器的不足，本发明提出了一种基于数字孪生的海洋能发电变流器状态监测方法，为海洋能发电变流器构建数字孪生体，并从实际物理系统提取输入与输出电压、电流、输出纹波电压、纹波电流数据对数字孪生体不断更新，并通过数字孪生体运行输出电感、电容以及导通电阻，与阈值进行比较，最终判断变流器的健康状态。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、一种基于数字孪生的海洋能发电变流器状态监测方法，包括如下步骤：

4、步骤一：依据小信号模型建立海洋能发电变流器的状态空间方程，从而在数字空间得到等效物理模型。对采样电路和闭环控制器进行数学建模，通过传感器传输信号实现虚拟设备和物理设备的交互。

5、步骤二：在实际系统中利用原有传感器测量输出电流以及输出与输入电压。在输出侧安装一个峰值线圈，利用峰值线圈测量磁场纹波，利用数字滤波器、数字积分器和软件程序对峰值线圈的输出信号进行计算和处理，得到电流纹波波形。对于电压纹波的测量，则利用示波器进行测量得到。

6、步骤三：通过测量得到的纹波电压、纹波电流以及输出电压、电流，传输到数字孪生体中，数字孪生体输出参数为电感值、电容值以及开关管的导通电阻，使得数字孪生体进行修正，运行情况不断趋近于实际运行情况。

7、步骤四：确定故障的导通电阻与电容阈值，并将运行中得到的结果与阈值进行比较，若与阈值要求不符则停止运行将结果输出，判断海洋能发电变流器的健康状态。

8、本申请所述监测方法通过利用原有的传感器，不附加额外的测量电路，不对原有的设备运行造成影响。通过利用原有的传感器，将数据不断传输至数字孪生体中，能够在在线的条件下不断进行状态监测，减少停机监测时间，提高用电可靠性。数字孪生体模型不断运行，对电容值以及导通电阻的的老化模型建立预测，使其符合实际的老化情况对实际模型进行预测未来的寿命情况，对未来海洋能发电变流器的健康状况进行预测。

9、数字孪生体需要输入实际系统输出电压、输入电压、纹波电流以及纹波电压不断进行修正，所输出参数即对状态判断的特征值为电感值、电容值以及开关管的导通电阻。

10、进一步地，所述步骤四中当纹波电压大于输出电压的5％、电容值低于额定电容值90％以及sic开关导通电阻大于原本电阻的2倍时，停止运行，判断海洋能发电变流器的健康状态。

11、本发明的有益效果如下：

12、本方法通过物理系统数据对数字孪生体的不断更新从而可以达到非侵入、精确度高、无需额外的测量电路的监测效果。对于实际的物理系统监测，仅在进行试验时将预测数据与实际数据进行比较，在实际运用时，不用对实际的系统进行监测，仅需在日常维护的时候提取数据并对数字孪生体进行更新即可，则大大减少了维护检修所需要的次数。

13、本方法依据小信号模型建立海洋能发电变流器数字孪生体，通过数字孪生体的不断运行模拟实际系统运行情况，根据数字孪生体输出量电感值、电容值以及开关电源导通电阻判断海洋能发电变流器的健康状态。数字孪生体运行期间，不断将实际系统中利用传感器测量的输出输入电压、输出电流、纹波电压以及纹波电流代入数字孪生体中，消除虚拟设备与实际设备的不一致性，并且采用人工算法对数字孪生体不断更新，从而无限接近于实际系统的运行。通过对数字孪生体输出量与阈值的比较，若不符合阈值要求则数字孪生体停止运行，判断海洋能发电变流器的健康状态，预测海洋能发电变流器剩余运行寿命。

技术特征：

1.一种基于数字孪生的海洋能发电变流器状态监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的海洋能发电变流器状态监测方法，其特征在于，步骤二中在输出侧安装一个峰值线圈，利用峰值线圈测量磁场纹波，利用数字滤波器、数字积分器和软件程序对峰值线圈的输出信号进行计算和处理然后得到电流纹波波形；对于电压纹波的测量，则利用原有示波器进行测量得到。

3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的海洋能发电变流器状态监测方法，其特征在于，所述步骤四中当纹波电压大于输出电压的5％、电容值低于额定电容值90％以及sic开关导通电阻大于原本电阻的2倍时，停止运行，判断海洋能发电变流器的健康状况。

4.根据权利要求1所述基于数字孪生的海洋能发电变流器状态监测方法，其特征在于，步骤三中数字孪生体输出参数为电感值、电容值以及开关管的导通电阻。

技术总结
本发明公开了一种基于数字孪生的海洋能发电变流器状态监测方法，本方法依据小信号模型建立海洋能发电变流器数字孪生体，通过数字孪生体的不断运行模拟实际系统运行情况，根据数字孪生体输出量电感值、电容值以及开关电源导通电阻判断海洋能发电变流器的健康状态。数字孪生体运行期间，不断将实际系统中利用传感器测量的输出输入电压、输出电流、纹波电压以及纹波电流代入数字孪生体中，消除虚拟设备与实际设备的不一致性，并且采用人工算法对数字孪生体不断更新，从而无限接近于实际系统的运行。通过对数字孪生体输出量与阈值的比较，若不符合阈值要求则数字孪生体停止运行，判断海洋能发电变流器的健康状态，预测海洋能发电变流器剩余运行寿命。

技术研发人员：魏钰婷,申璐,田王达,刘朝爽,乔天驰
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15