2020年9月，受美國(guó)海軍研究署資助，美國(guó)南卡羅萊納大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)艦艇電力電子變換器的實(shí)時(shí)健康管理，并在半實(shí)物仿真條件下進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。這種方法可對(duì)艦艇中復(fù)雜的電力電子變換器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與在線故障診斷，降低電力系統(tǒng)維護(hù)成本、延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。
一、發(fā)展背景
數(shù)字孿生（Digital Twin）概念采用數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建實(shí)體的多維、多時(shí)空、高保真、高精度的動(dòng)態(tài)演化模型來(lái)模擬實(shí)體在真實(shí)工作環(huán)境中的行為，具有數(shù)字化、實(shí)時(shí)交互等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與健康管理。該概念最早由美國(guó)密歇根大學(xué)于2003年提出，目前主要應(yīng)用于航空航天、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。
圖1數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用
艦艇電力電子變換器主要包括變流器、變頻器等，工作時(shí)間普遍較長(zhǎng)、運(yùn)行工況復(fù)雜。傳統(tǒng)的運(yùn)維方式是當(dāng)電力電子變換器出現(xiàn)故障時(shí)，才對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行維修與更換。此方式是一種事故后的反應(yīng)性措施，無(wú)法避免事故所導(dǎo)致的重大損失。
圖2西門子公司艦用變頻器
隨著可靠性理論的發(fā)展，維護(hù)人員開(kāi)始對(duì)電力電子設(shè)備采取定期巡檢和定期更換的預(yù)防性維護(hù)措施，將功能完備的電力電子器件定期更換，這種維護(hù)方式效率低，成本高、存在浪費(fèi)現(xiàn)象。隨著人工智能、半導(dǎo)體、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、傳感器等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，電力電子變換器的故障預(yù)測(cè)與健康管理概念應(yīng)運(yùn)而生。電力電子變換器的健康管理是一項(xiàng)人工智能、電氣、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科交叉技術(shù)，利用先進(jìn)傳感器獲取電力電子變換器的狀態(tài)參數(shù)（電流、電壓、器件結(jié)溫、電機(jī)轉(zhuǎn)速等），通過(guò)信號(hào)處理、模型分析或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)電力電子器件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線評(píng)估，在必要時(shí)可根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，防止器件失效，延長(zhǎng)器件的使用壽命。
二、原理內(nèi)涵
南卡羅萊納大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力電子變換器系統(tǒng)的健康管理。這種方法構(gòu)建了數(shù)字孿生概率模型，通過(guò)監(jiān)視器比較電力電子變換器狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量值和模型給出的期望值，最后由控制器作出異常狀態(tài)預(yù)警。
數(shù)字孿生概率模型考慮了電力電子變換器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中隨機(jī)因素（電磁干擾、器件熱效應(yīng)、制造缺陷、負(fù)載波動(dòng)、傳感器噪聲等）帶來(lái)的不確定性影響，可通過(guò)模型訓(xùn)練和定期更新給出電力電子變換器狀態(tài)參數(shù)的期望值。該模型采用廣義多項(xiàng)式混沌展開(kāi)方法構(gòu)建。
監(jiān)視器用于評(píng)估電力電子變換器的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)異常行為，主要由閾值計(jì)算器和數(shù)字孿生比較器兩部分構(gòu)成。閾值計(jì)算器讀取概率模型的期望值，并輸出狀態(tài)參數(shù)的閾值。數(shù)字孿生比較器通過(guò)比較狀態(tài)參數(shù)測(cè)量值和閾值，判定電力電子變換器的狀態(tài)。
圖3不同層級(jí)控制與模型
三、發(fā)展現(xiàn)狀
研究人員將模型算法集成至可編程邏輯陣列（FPGA）硬件，建立了半實(shí)物仿真平臺(tái)，對(duì)常見(jiàn)的三相逆變電路進(jìn)行了驗(yàn)證，考慮了測(cè)量值符合或偏離期望值、功率不平衡、電流擾動(dòng)等工況。三相逆變電路的電壓環(huán)采用PI控制器，電流環(huán)采用模型預(yù)測(cè)控制器，其中電流控制器的采樣周期為300微秒，電壓控制器、監(jiān)視器和概率模型的采樣周期均為1.2毫秒。
四、應(yīng)用前景
基于數(shù)字孿生技術(shù)的艦艇電力電子器件健康管理方法可對(duì)電力電子設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，在系統(tǒng)發(fā)生故障之前做出有效預(yù)測(cè)，并對(duì)不安全行為做出快速反應(yīng)，從而有效提高電力電子變換器的設(shè)備完備率與維護(hù)效率，降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，延長(zhǎng)器件的使用壽命。研究人員表示，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中仍應(yīng)考慮高精度信息采集、數(shù)字模型簡(jiǎn)化、老化與失效機(jī)理等問(wèn)題。
