汪玉鳳，孟慶達，劉 濤，李國華

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有源濾波器故障診斷與容錯控制改進策略的研究

汪玉鳳1，孟慶達1，劉 濤2，李國華1

(1.遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島125105；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司阜新供電公司，遼寧 阜新123000)

為了能夠改善并聯(lián)型三相四開關有源電力濾波器的容錯能力,提高濾波器的可靠性，針對SAPF(Shunt Active Power Filter, SAPF)的故障診斷策略，提出了一種能夠快速反應故障類型和故障位置的混雜系統(tǒng)模型法。通過對系統(tǒng)輸出電流殘差演變規(guī)律的判斷，識別故障源。再運用對應容錯切換策略切除故障橋臂，使SAPF在容錯狀態(tài)下繼續(xù)工作。同時，通過對SAPF補償算法的研究，得出了更適合SAPF容錯切換的電源電流跟蹤補償策略。并在此基礎上添加了前饋控制來消除容錯狀態(tài)下直流側(cè)分裂電容中點電位不平衡的影響，使補償效果更好。實驗和仿真驗證了該方法的有效性。

有源電力濾波器；電流殘差；混雜系統(tǒng)；電源電流跟蹤補償；前饋控制

0 引言

并聯(lián)型有源電力濾波器(Shunt Active Power Filter, SAPF)是一種新型諧波抑制、無功補償電力電子裝置[1]。SAPF的核心組成部分是逆變器，但是由于開關的頻率較高，且功率器件長時間工作在高溫、高頻狀態(tài)，是易損壞的器件，一旦發(fā)生故障，SAPF整個系統(tǒng)都不能正常工作，嚴重時甚至可能導致災難性的后果[2-3]。近幾年隨著逆變器的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多具有良好效果的SAPF容錯控制策略，但是其中也有不足之處[4-6]：文獻[4]所提出的容錯策略雖然能夠?qū)崿F(xiàn)容錯控制的運行，但是無法分辨是短路還是開路故障，且故障檢測時間較長，實際效果不明顯；文獻[5]中所提出的新型故障診斷方法很實用，但是其容錯控制策略中沒有考慮到直流中點電位不平衡的影響，使得SAPF的補償效果大大降低；文獻[6]中容錯控制策略能夠達到良好的補償效果，精度也比較高，但控制方法繁瑣，矢量運算復雜，實現(xiàn)起來較困難。

本文提出了一種基于三相四開關的容錯型并聯(lián)有源濾波器[8]。其故障診斷方法是運用混雜系統(tǒng)模型方法，通過對系統(tǒng)電流狀態(tài)殘差特征值的檢測，能夠準確而快速地判斷出SAPF的故障類型與故障位置，為SAPF的維護節(jié)省了時間；容錯控制策略采用電壓前饋控制的電源電流跟蹤方法，克服了分裂電容引起直流中點電位偏移對系統(tǒng)的影響，改善了系統(tǒng)的控制精度，避免了容錯切換對系統(tǒng)的沖擊，在保證良好的補償效果的同時，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 容錯型SAPF的拓撲及原理

容錯型并聯(lián)有源電力濾波器，其實質(zhì)主要就是將橋臂冗余用串聯(lián)的分裂電容代替[9-10]。如圖1所示，當SAPF的逆變器工作在正常狀態(tài)時，TR1、TR2、TR3三個雙向三端可控硅開關處在關斷狀態(tài)，快速熔斷器F1、F2、F3處在閉合狀態(tài)，逆變器呈三相六開關狀態(tài)穩(wěn)定運行。一旦檢測到有一橋臂出現(xiàn)開路或者短路(這里假設C相橋臂出現(xiàn)故障)，F(xiàn)3快速熔斷將故障橋臂隔離，使雙向可控硅開關TR3導通，把故障橋臂C隔離，并且將故障相的輸出直接接到直流側(cè)分裂電容中點處，用容錯的方式使SAPF在三相四開關狀態(tài)下維持運行。

圖1 容錯型三相四開關SAPF拓撲結(jié)構

2 容錯型SAPF故障診斷法

SAPF的逆變器中絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的最常見故障是短路和開路故障?？紤]到短路的故障診斷時間很短(多以微秒為單位)，難以實時檢測，因此本設計中SAPF的逆變器的每一相橋臂都植入快熔F，如果短路故障發(fā)生，快熔F迅速熔斷把短路故障轉(zhuǎn)化為開路故障，這樣就可由熔斷器的開斷來確定短路故障還是開路故障了，方便系統(tǒng)維修。

2.1 基于HSD模型的故障診斷原理

SAPF中既包括開關信號等離散變量，也包括電流、電壓等連續(xù)變量，是典型的混雜系統(tǒng)(Hybrid System Dynamic, HSD)，通?？梢愿鶕?jù)狀態(tài)參數(shù)變化趨勢特征作為故障判斷的依據(jù)，其診斷原理如圖2所示。

圖2 HSD模型下的故障識別原理

建立SAPF連續(xù)工作情況下，包含相應狀態(tài)規(guī)律和開關信息的HSD模型：

式中：和是故障事件狀態(tài)矩陣與控制矩陣；是輸出矩陣；為輸出電流向量；為輸出電壓向量；為離散開關控制信息與電路工作狀態(tài)的邏輯描述。其次建立狀態(tài)觀測器：

(2)

綜上兩式，由于SAPF的三相輸出電壓狀態(tài)穩(wěn)定不變，可得電流的殘差方程為

若能解得電流殘差得到電流殘差演變規(guī)律，就可判斷SAPF潛在的故障類型和故障部位。

2.2 SAPF的HSD模型

以下建立三相六開關SAPF的HSD模型，由圖1和圖2可得正常模式下三相六開關SAPF的連續(xù)模型為

式中：1為變壓器變比；oN為電源中點與直流側(cè)負載電位差。

由于HSD模型中，影響SAPF輸出變化因素除了開關組合外，還有電路工作狀態(tài)直接相關。在此引入來描述各橋臂的工作狀態(tài)，以C相為例：

設圖1中所標注的電流方向為正，定義狀態(tài)量1~6，當值為1時表示所代表的IGBT導通，為0表示關斷。則C相狀況可以表示為

當c=1時

當c=0時

(7)

由此，C相輸出電壓可用電路狀態(tài)和開關組合表示為

綜合A相和B相的輸出電壓關系，可得三相輸出電壓為

(9)

將上式代入式(4)中可得

2.3 基于電流狀態(tài)殘差開路診斷方法

以C相故障為例，若故障后S5，將其定義為一個故障事件；則無論控制信號如何變化，1≡0，則此時故障向量為

則結(jié)合上式可得S5開關故障后電流殘差方程：

(12)

同理可得S6與S5、S6共同開路的故障向量，由此可得相應輸出電流殘差方程。

綜合上述電流殘差方程，定義ν為開路特征：

根據(jù)殘差方程，可以解得C相開路故障情況下SAPF的殘差方程一般為

(14)

所以可以看出，SAPF在C相橋臂不同開路故障時，三相電流殘差主要取決于故障特征ν，而不同的故障模式有不同的故障特征值，如表1所示。

表1 不同故障下的故障特征值

將表1代入式(14)，可得電流狀態(tài)殘差變換特征：

1)?若S5所在的支路開路，則C相電流狀態(tài)殘差均值大于0，且在101組合時滿足

2)?若S6開路，則C相電流殘差均小于0，且在010組合時滿足。

3)?若S5和S6同時開路，則電流三相狀態(tài)殘差交變，但均值為零；且在101和010組合時同時滿足前兩種狀態(tài)。

4)?其余狀態(tài)下，電流三項狀態(tài)殘差均為零。

這樣在SAPF開路故障中，就不需對每周期的全部512種可能的故障向量識別，只需對電流殘差進行以上判斷，即可確定故障類型，進而提高了故障檢測的快速性。

3 容錯型SAPF控制策略

3.1 電源電流跟蹤補償方法

傳統(tǒng)的SAPF補償方法把非線性負載電流補償為基波有功電流的手段是通過諧波檢測算法將諧波和無功成份分離，再控制SAPF輸出相反的電流補償，從而能夠獲得所需要的補償效果。但是這種補償方法的性能取決于諧波檢測算法的功能實現(xiàn)，在理想模式中，檢測算法能夠?qū)崟r準確而快速地檢測出無功部分，但實際情況總存在頻率響應和過渡階段的誤差，而且這種算法的實現(xiàn)也十分復雜，對硬件的精度也有過高的要求，所以這種跟蹤補償策略很難在現(xiàn)實情況下實現(xiàn)。

本設計采用的SAPF電源側(cè)電量直接跟蹤法，控制電源輸出電流與電源電壓波形一致，如圖3所示。首先在電壓外環(huán)產(chǎn)生電源電流參考幅值(用于維持直流側(cè)母線穩(wěn)定)，并通過三相軟件PLL鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)電壓，獲取電源電壓同步波形，兩者相乘作為SAPF電流參考sref，再將電源電流作為反饋，經(jīng)閉環(huán)調(diào)節(jié)，對SAPF變換器實施PWM開關調(diào)制，使電源電流s跟蹤設定的參考值sref，從而與電源電壓波形一致，進而達到消除諧波的目的。

圖3 電源電流SAPF跟蹤補償原理

這種跟蹤補償方法對硬件要求較少，實現(xiàn)更為方便簡單，同時電源電流跟蹤方法在容錯過程中只是改變了電源電流指令，能夠較為可靠地完成容錯切換，避免了容錯切換對系統(tǒng)硬件的沖擊。

3.2 直流中點電位不平衡的抑制

在許多的SAPF容錯控制策略中，都假設當四開關SAPF逆變器的上下分裂電容的參數(shù)是一致的。但在實際情況中，由于六開關SAPF變到四開關SAPF時，電容參數(shù)難以達到完全相同，所以會有直流中點電位偏移的現(xiàn)象產(chǎn)生；即使能夠使電容參數(shù)完全匹配，但這也是保證分裂電容的電壓平均值相同，而電壓瞬時值還是會不能完全匹配，所以也會引起直流中點電位的瞬時偏移，從而使容錯模式難以達到所需的補償效果。

下面分析其影響來源：設分裂電容1和2流過的電流為c1和c2，由圖1可以得出

簡化上式可得

(16)

從上式可以發(fā)現(xiàn)，直流中點電位的偏移不但能夠使輸出電流不平衡，還可以影響三相輸出交流電壓的平衡。對此，本文提出電源電流直接跟蹤補償添加策略SAPF電壓前饋控制，具體補償直流中點偏移的實現(xiàn)方法如圖4所示。

圖4 直流中點偏移抑制方法

Fig. 4 DC midpoint offset suppression

以C相故障為例，其中saref與sbref分別代表電源電流的參考值，是電壓外環(huán)輸出幅值與電源兩相電壓鎖相波乘積，sa、sb為電源電流反饋值，電流控制策略采用置換電流跟蹤方式。具體的補償策略由上文電容電壓偏差=0.5(c1-c2)，在電流參考值中加入1/3作為前饋就可以補償電容電壓瞬時值差異，從而抑制直流中點電位偏移，這里的值約為1/6。這種方法不但可以將三相四開關SAPF的負載諧波電流側(cè)所需的四個電流傳感器降為兩個，而且還能夠簡化計算，降低器件要求，實現(xiàn)方法簡單。

4 仿真與實驗

為了驗證本文所提出的容錯型SAPF的可行性，本文利用Matlab軟件進行仿真驗證。假設以C相在0.1?s故障發(fā)生，三相六開關SAPF逆變器通過故障診斷和容錯切換，短時間切換為三相四開關SAPF逆變器，同時加入電壓前饋補償來抑制三相四開關SAPF中分裂電容的直流中點偏移，可以達到的仿真波形如圖5所示。

圖5 負載側(cè)電流、網(wǎng)側(cè)電流和補償電流的仿真波形

為了能夠驗證該方法的實踐性，搭建了容錯型SAPF的實驗樣機，通過對C相故障模擬，來驗證方法的可行性。樣機電路參數(shù)如下：電網(wǎng)線電壓380?V，頻率50?Hz；阻感負載中電阻為10?Ω，電感為5?mH，功率為1?kW，直流側(cè)電容為2?200?μF；直流側(cè)電壓為1?200?V，IGBT的額定電壓為1?700?V，額定電流為100?A。

圖6為SAPF直流側(cè)電容C1和C2的電壓C1和C2的實驗波形，達到穩(wěn)態(tài)后兩電容的電壓值大致相等，都約為1?100?V左右，且的幅值很小僅為2?V左右，可以忽略不計，可以認為直流中點電位平衡控制較好。

圖7是故障容錯策略的實驗波形，其中最后兩圖中上為正常模式下(六開關)的實驗波形，下為容錯模式(四開關)下的波形。

圖6 分裂電容C1和C2的電壓值實驗波形

圖7 補償前電流、補償電流和補償后電流的實驗波形

如圖8所示，正常模式和容錯模式補償完電網(wǎng)電流波形測得的FFT柱形圖分別為2.69%和7.23%。由以上幾個圖的對比，可以得出正常模式下SAPF補償效果更加優(yōu)良，這是由于容錯切換過程會引起諧波的增加，就作為容錯控制技術的后備運行狀態(tài)而言，三相四開關SAPF也是具有一定的參考價值的。

圖8 兩種狀態(tài)下的THD值對比

5 結(jié)論

本文提出了一種容錯型并聯(lián)有源濾波器，詳細闡述了拓撲切換和運行原理。該濾波器故障診斷方法可以快速判斷故障位置，方便系統(tǒng)維修故障。結(jié)合容錯拓撲切換提出的電源電流跟蹤補償策略，不但保證了補償效果，而且易于容錯切換的實現(xiàn)。電壓前饋控制抑制了直流中點電位不平衡，使容錯狀態(tài)下系統(tǒng)補償效果更加穩(wěn)定。

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(編輯 魏小麗)

Research of improved strategy for active power filter fault diagnosis and fault tolerant control

WANG Yufeng1, MENG Qingda1, LIU Tao2, LI Guohua1

(1. Faculty of Electrical and Contr ol Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, China;2. Fuxin Power Supply Company of Liaoning Power Co., Ltd., Fuxin 123000, China)

In order to improve fault tolerance of three-phase four-switch shunt active power filter and increase the reliability of the filter, and for the troubleshooting of SAPF, this paper presents a fast response fault type and fault location by hybrid system dynamic model and identifying sources of error through its evolution of the residual of system output current. Fault-tolerant switching strategy is utilized to remove the corresponding fault arm, so SAPF under the circumstance of fault-tolerant model continues working. At the same time, this paper obtains the source current tracking compensation strategy, which is more suitable for fault-tolerant switching SAPF, through the study of SAPF compensation algorithm. Furthermore, feedforward control is added to eliminate influence of split capacitors unbalanced midpoint electrical potential of DC side under fault-tolerant state, the effect of compensation is more significant. Experiments and simulations verify the effectiveness of the method. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51307076).

active power filter; current residuals; hybrid system dynamic; source current tracking compensation; feedforward control

10.7667/PSPC151403

國家自然科學基金項目(51307076)

2015-08-11

汪玉鳳(1962-)，女，教授，博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化以及節(jié)能型電力傳動技術；孟慶達(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化；E-mail: 471195431@qq.com 劉 濤(1981-)，男，工程師，從事電氣自動化方面的研究。