电力电子变换器的小世界网络特性及其故障分析
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摘要
电力电子变换器广泛应用于工业、军事、航空航天等重要领域,是电源系统和各种动力、控制系统不可或缺的一部分。研究电力电子变换器的故障诊断技术,对于提高系统的可靠性,保证装备的可用性具有重大、现实的经济和军事意义。
小世界网络理论应用于电力电子变换器故障诊断分析,是一种初步的探索,正处于发展阶段,它也是近十年发展起来的能够准确描述复杂系统行为的重要理论,通过在以往的规则网络当中加入随机网络特性,真实地反映了实际网络的运行规律。由于电力电子变换器的复杂性和规模不断增加,而且在电能的二次变换和利用中起着越来越重要的作用,因此,有必要利用当前在复杂网络方面的理论成果,从一个新的角度研究电力电子变换器的结构和稳定性等相关问题。本文从电力电子变换器结构特性的角度,对电力电子变换器的小世界网络特性以及利用小世界网络理论对电力电子变换器的结构性故障、连锁故障进行了研究分析,并得出了一些非常有用的结论。
本文主要成果如下：
(1)建立了各种类型电力电子变换器的小世界网络模型,通过计算网络模型的特征参数,分析了各种变换器的小世界网络特性的特点,得出：1电力电子变换器这类节点数较少的网络,当节点数达到一定规模时,有可能存在小世界网络特性；2虽然电力电子系统的主电路不具备小世界特性,但将外围控制电路一并考虑时,电力电子系统因节点数增加变成具有小世界特性的网络。
(2)研究了基于小世界网络模型的电力电子变换器的结构性故障特点。当电力电子变换器出现结构性故障时,提出了故障情况下的小世界网络模型的建模方法,通过与变换器正常工作情况下的特征参数比较,得出了变换器在断路和短路故障情况下的网络特征参数的特点。
(3)研究了小世界网络模型下的电力电子变换器连锁故障特点。通过随机攻击模式、基于节点度数的连锁攻击模式、基于节点介数的连锁攻击模式三种连锁故障分析方法,分析了变换器在这三种连锁攻击模式下的故障特点。
Power electronic converters are widely used in industrial, military, aerospace and other important areas. They are indispensable parts in power system and various power and control system. Studing their fault diagnosis technology has an important realistic economic and military significance for improving the reliability of systems and ensuring the availability of equipment.
Small-world network theory is a preliminary explore in fault diagnosis analysis. It is also developed in the past decade that can accurately describe the behavior of complex systems and truly reflect the law of the actual network by joining the random network characteristic in former regular network. As the complexity and scale increasing, it plays an important role in energy secondary transformation and utilization. Therefore, it is necessary to use the current theory results research the structure and stability issues from a new perspective. From structural features view of power electronic converters, using the small-world network theory, research and analysis the small-world network characteristic of power electronic converters, structural failures and cascading failures, and obtained some very usefull conclusions.
The main fruits are included:
(1) Established the small-world network models of power electronic converters, analyzed its small-world network characteristic by calculating the characteristic parameters, obtained some very important conclusions:when the number of nodes reaches a certain size, this kind of power electronic converters network may exist small-world network characteristic; Although the main circuit of switching power supply doesn't have small-world characteristic, when the external control circuits are considered, it will be have.
(2) Studied the structural failure feature of power electronic converters. When the converter appears structural failure, put over the small-world network modeling method. Through compared with the normal work situation, analyzed the characteristic parameter characteristic of converters in shut and short faults.
(3) Studied the cascading failure characteristics of converters. Analyzed the cascading failure characteristics from random attack model and based on the node degree chain attack model and based on the number of nodes chain attack model.
小世界网络理论应用于电力电子变换器故障诊断分析,是一种初步的探索,正处于发展阶段,它也是近十年发展起来的能够准确描述复杂系统行为的重要理论,通过在以往的规则网络当中加入随机网络特性,真实地反映了实际网络的运行规律。由于电力电子变换器的复杂性和规模不断增加,而且在电能的二次变换和利用中起着越来越重要的作用,因此,有必要利用当前在复杂网络方面的理论成果,从一个新的角度研究电力电子变换器的结构和稳定性等相关问题。本文从电力电子变换器结构特性的角度,对电力电子变换器的小世界网络特性以及利用小世界网络理论对电力电子变换器的结构性故障、连锁故障进行了研究分析,并得出了一些非常有用的结论。
本文主要成果如下：
(1)建立了各种类型电力电子变换器的小世界网络模型,通过计算网络模型的特征参数,分析了各种变换器的小世界网络特性的特点,得出：1电力电子变换器这类节点数较少的网络,当节点数达到一定规模时,有可能存在小世界网络特性；2虽然电力电子系统的主电路不具备小世界特性,但将外围控制电路一并考虑时,电力电子系统因节点数增加变成具有小世界特性的网络。
(2)研究了基于小世界网络模型的电力电子变换器的结构性故障特点。当电力电子变换器出现结构性故障时,提出了故障情况下的小世界网络模型的建模方法,通过与变换器正常工作情况下的特征参数比较,得出了变换器在断路和短路故障情况下的网络特征参数的特点。
(3)研究了小世界网络模型下的电力电子变换器连锁故障特点。通过随机攻击模式、基于节点度数的连锁攻击模式、基于节点介数的连锁攻击模式三种连锁故障分析方法,分析了变换器在这三种连锁攻击模式下的故障特点。
Power electronic converters are widely used in industrial, military, aerospace and other important areas. They are indispensable parts in power system and various power and control system. Studing their fault diagnosis technology has an important realistic economic and military significance for improving the reliability of systems and ensuring the availability of equipment.
Small-world network theory is a preliminary explore in fault diagnosis analysis. It is also developed in the past decade that can accurately describe the behavior of complex systems and truly reflect the law of the actual network by joining the random network characteristic in former regular network. As the complexity and scale increasing, it plays an important role in energy secondary transformation and utilization. Therefore, it is necessary to use the current theory results research the structure and stability issues from a new perspective. From structural features view of power electronic converters, using the small-world network theory, research and analysis the small-world network characteristic of power electronic converters, structural failures and cascading failures, and obtained some very usefull conclusions.
The main fruits are included:
(1) Established the small-world network models of power electronic converters, analyzed its small-world network characteristic by calculating the characteristic parameters, obtained some very important conclusions:when the number of nodes reaches a certain size, this kind of power electronic converters network may exist small-world network characteristic; Although the main circuit of switching power supply doesn't have small-world characteristic, when the external control circuits are considered, it will be have.
(2) Studied the structural failure feature of power electronic converters. When the converter appears structural failure, put over the small-world network modeling method. Through compared with the normal work situation, analyzed the characteristic parameter characteristic of converters in shut and short faults.
(3) Studied the cascading failure characteristics of converters. Analyzed the cascading failure characteristics from random attack model and based on the node degree chain attack model and based on the number of nodes chain attack model.
引文
[1]徐德鸿,Johann Kolar, Uwe Drofenik.电力电子技术发展动态[J].电力电子,2007(6)： 3-7.
[2]朱磊,候振义,张开.电力电子技术的发展及应用[J].电源世界,2008(6)：21-23.
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[6]黄胜利,张国伟,孔力.电力电子技术在微电网中的应用[J].电气应用,2008,27(9)：55-59.
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[8]程肇基,徐德鸿.诊断电力电子电路故障的一种新方法：基函数法[J].中国电机工程学报,1989,9(5)：22-29.
[9]马皓,毛兴云,徐德鸿.基于混杂系统模型的DC／DC电力电子电路参数辨识[J].中国电机工程学报,2005,25(10)：50-54.
[10]王林国.基于混杂系统模型的电力电子电力参数性故障诊断[D].浙江：浙江大学,2006.
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[12]徐德洪,程肇基,崔学军.用傅里叶分析法诊断电力电子电路的故障[J].浙江大学学报,1994,28(4)：666-673.
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[15]戈素贞,钟家桢.电力电子线路的故障诊断——利用CAI实现二级基函数字典法[J].包头钢铁学院学报,1996,15(4)：68-72.
[16]马伟明,胡安,王令蓉.基于电压波形分析的十二相整流装置故障诊断[J].电工技术学报,1997,12(6)：49-54.
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[50]朱涛,常国岑,施笑安.基于复杂网络的指挥信息系统拓扑模型研究[J].系统仿真学报,2008,20(6)：1574-1581.
[51]赵伟,何红生,林中材等.中国铁路客运网网络性质的研究[J].物理学报,2006,55(8)：3906-3910.
[52]Jian Ding, Xiaomin Bai, Wei Zhao. The Improvement of the Small-world Network Model and Its Application Research in Bulk Power System[C].International Conference on Power System Technology,2006.
[53]Marty Browm著,徐德鸿,沈旭,杨成林等译.开关电源设计指南[M].北京：机械工业出版社.
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