李 穎，劉 濤，王日新

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島 125105；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)部，葫蘆島 125105）

容錯(cuò)型并聯(lián)有源電力濾波器控制方法

李 穎1，劉 濤2，王日新1

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島 125105；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)部，葫蘆島 125105）

為提高并聯(lián)型有源電力濾波器的工作可靠性，提出了一種故障容錯(cuò)方法。當(dāng)并聯(lián)型有源電力濾波器中的某個(gè)電力電子器件發(fā)生故障時(shí)，利用剩余的非故障電力電子器件組成三相四開關(guān)逆變器，替代原三相六開關(guān)逆變器，可以保證其在故障狀態(tài)下能繼續(xù)工作，為消除故障贏得時(shí)間。同時(shí)還并給出故障狀態(tài)下的三相四開關(guān)逆變器電壓矢量合成方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該容錯(cuò)方法的有效性。

并聯(lián)型有源電力濾波器；故障容錯(cuò)；空間矢量脈寬調(diào)制；三相四開關(guān)

Abstract:A fault-tolerant method is proposed to improve the operation reliability of shunt active power filter（SAPF）.When one power electronic device in the SAPF system is damaged，a three-phase four-switch inverter consisting of the rest normal devices will be used to replace the original three-phase six-switch inverter.In this way，the SAPF system can be guaranteed to continue work even in a fault state，which earns time for the personnel to eliminate the fault.More?over，the formation method for the voltage vectors of three-phase four-switch inverter under fault is also given.The effec?tiveness of the proposed method is demonstrated by simulation and experimental results.

Key words:shunt active power filter（SAPF）；fault-tolerance；space vector pulse width modulation（SVPWM）；threephase four-switch

并聯(lián)型有源電力濾波器SAPF（shunt active power filter）可控性強(qiáng)，響應(yīng)速度快，是一種提高電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的理想濾波裝置。然而，SAPF對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高，因此逆變器中電力電子器件的開關(guān)頻率也比較高，電力電子器件出現(xiàn)開路或短路故障的幾率也會(huì)相應(yīng)增大。

有源電力濾波器APF（active power filter）的容錯(cuò)控制方法有利于提高裝置的工作可靠性，是目前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[1]針對(duì)開路故障提出了一種故障檢測(cè)和容錯(cuò)控制方法；文獻(xiàn)[2]利用主電路元器件冗余的方法，實(shí)現(xiàn)了SAPF的容錯(cuò)控制；文獻(xiàn)[3-4]分別將PI神經(jīng)元控制策略以及并聯(lián)矢量比例積分電流控制器應(yīng)用到三相四開關(guān)SAPF控制中，為SAPF系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制奠定了基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[5]利用直接功率控制法，實(shí)現(xiàn)了SAPF的容錯(cuò)控制，但算法比較復(fù)雜；文獻(xiàn)[6]提出了一種基于電壓矢量等效替代的SAPF滯環(huán)空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM（space vector pulse width modulation）容錯(cuò)控制方法，但以上參考文獻(xiàn)都沒有給出APF參考電壓矢量的具體計(jì)算方法以及SVPWM的過(guò)調(diào)制方法。

本文提出了一種SAPF容錯(cuò)控制方法，可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，并給出了故障狀態(tài)下具體的電壓矢量合成方法，該方法可以保證SAPF系統(tǒng)在某個(gè)電力電子器件出現(xiàn)故障的狀態(tài)下仍然能夠繼續(xù)穩(wěn)定工作，可以為消除故障贏得時(shí)間。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，通過(guò)主電路中剩余的非故障電力電子器件組成三相四開關(guān)逆變器，可以較好地補(bǔ)償負(fù)載電流中的諧波分量[7]。

1 參考電壓矢量計(jì)算

三相橋式不可控整流電路如圖1所示，整流電路直流側(cè)為阻感負(fù)載，利用SAPF對(duì)整流電路交流側(cè)三相負(fù)載電流中的諧波分量進(jìn)行補(bǔ)償。

工作原理如圖2所示，首先利用諧波檢測(cè)算法計(jì)算負(fù)載電流中的諧波分量，作為待補(bǔ)償對(duì)象，得出系統(tǒng)參考電流值，然后利用電流/電壓轉(zhuǎn)換，將參考電流轉(zhuǎn)換為參考電壓矢量。通過(guò)故障診斷算法[1]判斷故障是否發(fā)生，當(dāng)故障未發(fā)生時(shí)，采用傳統(tǒng)的SVPWM策略，本文不再贅述；當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，利用容錯(cuò)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)SAPF系統(tǒng)的容錯(cuò)控制；最后，輸出電力電子器件的開關(guān)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)其合理通斷，最終實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。

圖1 SAPF容錯(cuò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of SAPF fault-tolerant control system

圖2 SAPF故障容錯(cuò)原理框Fig.2 Block diagram of SAPF fault-tolerant principle

在電流/電壓轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中引入了預(yù)測(cè)控制算法，以提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。SAPF逆變器輸出電壓矢量u?與三相電網(wǎng)電壓矢量u?S的關(guān)系式為

將式（1）離散化，并省略等效電阻R項(xiàng)，可得

式中：u*(k+1)為第k+1拍的參考電壓值；uS(k)為第k拍的電網(wǎng)電壓；為第k+1拍的參考電流值；iC(k)為第k拍的補(bǔ)償電流采樣值；TS為系統(tǒng)采樣周期；e(k)為當(dāng)前APF輸出電流的實(shí)際采樣值與上一拍的預(yù)測(cè)值之間的誤差；emax為相鄰兩個(gè)基波周期同一采樣時(shí)刻的電流變化誤差閾值；N為采樣周期個(gè)數(shù)。

首先利用式（3）判斷系統(tǒng)狀態(tài)，即穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)。當(dāng)式（3）不成立時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，第k+1拍的電流參考值，代入式（2）可得到第k+1拍的參考電壓，其中為系統(tǒng)在上一個(gè)基波周期的儲(chǔ)存值。當(dāng)式（3）成立時(shí)系統(tǒng)處于暫態(tài)，參考電流根據(jù)第k、k-1和k-2拍的參考值和求得，即

穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)情況下的u*(k+1)為SAPF下一刻的參考電壓。

2 逆變器故障狀態(tài)與分析

如圖2所示，利用故障診斷算法[1]判斷故障是否發(fā)生。當(dāng)故障未發(fā)生時(shí)，SAPF的主電路為三相六開關(guān)逆變器；當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，迅速切斷故障電力電子器件所在相的輸出端，并轉(zhuǎn)接至逆變器直流側(cè)2個(gè)電容的連接處，即圖1中虛線所示連接方式。需要說(shuō)明的是，如果三相逆變器中的兩相或兩相以上均有器件發(fā)生故障，此時(shí)逆變器無(wú)法正常工作，討論容錯(cuò)控制沒有意義。

當(dāng)SAPF主電路中逆變器的A相、B相或C相單獨(dú)發(fā)生故障時(shí)，切換后主電路變換為三相四開關(guān)逆變器，逆變器的有效電壓矢量如圖3及表1～表3所示，其中故障相的開關(guān)狀態(tài)用x表示。

圖3 故障狀態(tài)下的有效電壓矢量關(guān)系Fig.3 Relationships of effective voltage vectors in fault state

表1 A相故障時(shí)的逆變器有效電壓矢量Tab.1 Effective voltage vectors of inverter in phase-A fault state

表2 B相故障時(shí)的逆變器有效電壓矢量Tab.2 Effective voltage vectors of inverter in phase-B fault state

表3 C相故障時(shí)的逆變器有效電壓矢量Tab.3 Effective voltage vectors of inverter in phase-C fault state

3 電壓矢量合成策略

以逆變器C相發(fā)生故障為例，可以綜合利用電壓矢量U0、U2和U3合成獲得參考電壓矢量u*。其中U2和U3為合成參考電壓矢量的主矢量，U0的作用是與U3一起合成零矢量，進(jìn)而填補(bǔ)1個(gè)采樣周期中主矢量以外的作用時(shí)間。矢量U0、U2和U3的作用時(shí)間T0、T2和T3的計(jì)算式分別為

式中：TS為系統(tǒng)采樣周期；Tzero為零矢量的作用時(shí)間，即電壓矢量U0與U3各占Tzero的1/2；Ti（i=0，1，2，3）為矢量Ui的總作用時(shí)間；T′i為合成參考電壓矢量u*所需的矢量Ui的作用時(shí)間，中不包含合成零矢量所需Ui的作用時(shí)間。

有效電壓矢量在1個(gè)采樣周期內(nèi)的作用順序見圖4，電壓矢量作用順序和作用時(shí)間情況詳見表4。

圖4 電壓矢量作用順序Fig.4 Acting sequence of voltage vectors

表4 電壓矢量作用順序和作用時(shí)間Tab.4 Acting sequence and acting time of voltage vectors

4 仿真與實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該方法的正確性，本文利用Matlab軟件進(jìn)行了仿真研究，以SAPF三相逆變器C相在t=0.5 s時(shí)突然發(fā)生故障為例，忽略故障診斷和主電路開關(guān)切換時(shí)間，SAPF主電路切換為三相四開關(guān)逆變器，通過(guò)應(yīng)用本文的容錯(cuò)方法可以使SAPF繼續(xù)工作。雖然與故障前相比，電網(wǎng)電流波形的畸變程度有所提高，但仍然比較接近正弦波，仿真波形如圖5所示。

圖5 負(fù)載電流、電網(wǎng)電流和補(bǔ)償電流仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of load current，grid current and compensation current

SAPF系統(tǒng)在負(fù)載突變時(shí)的仿真波形如圖6所示。由圖6可見，當(dāng)主電路中的不可控整流電路直流側(cè)負(fù)載突然加重時(shí)，本文方法能夠快速跟蹤參考電流的變化，證明了暫態(tài)情況下該方法的正確性。

圖6 SAPF系統(tǒng)在負(fù)載突變時(shí)的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of SAPF system with step-changing load

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的正確性，搭建了SAPF系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。以三相橋式不可控整流電路帶阻感負(fù)載為例，以其交流側(cè)三相電流中的諧波分量作為待補(bǔ)償對(duì)象，用三相四開關(guān)逆變器模擬SAPF逆變器C相發(fā)生故障的狀態(tài)，以驗(yàn)證本文方法的有效性。SAPF實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中的電網(wǎng)線電壓為380 V，頻率為50 Hz；整流電路直流側(cè)的阻感負(fù)載為10 Ω，電感為5 mH；逆變器中的電力電子器件為絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor），電壓額定值為1 700 V，電流額定值為100 A；SAPF的濾波電抗器為2 mH；逆變器直流側(cè)總電壓設(shè)置為950 V；逆變器直流側(cè)電容為2 200 μF×2，實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。

圖7 SAPF系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.7 Prototype of SAPF system

由圖8可知，本文方法能夠保證SAPF在某相發(fā)生故障情況下繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，較好地補(bǔ)償負(fù)載電流中的諧波分量。

圖8 SAPF樣機(jī)實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveforms of SAPF prototype

5 結(jié) 論

本文提出了一種SAPF故障容錯(cuò)控制方法，得出以下結(jié)論：

（1）采用預(yù)測(cè)控制方法獲得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)下的參考電壓矢量；

（2）分析了SAPF系統(tǒng)的3種故障狀態(tài)，以及故障下的SAPF有效電壓矢量；

（3）給出了故障下的電壓矢量合成方法。

通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提SAPF故障容錯(cuò)方法的有效性，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

[1]董偉杰，白曉民，朱寧輝，等（Dong Weijie，Bai Xiaomin，Zhu Ninghui，et al）.電力有源濾波器故障診斷與容錯(cuò)控制研究（Research on fault diagnosis and fault tolerant control of active power filters）[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSEE），2013，33（18）：65-72.

[2]譚興國(guó)，王輝，張黎，等（Tan Xingguo，Wang Hui，Zhang Li，et al）.容錯(cuò)型三相四開關(guān)有源電力濾波器及其控制策略（Fault-tolerant active power filter based on threephase four-switch topology and its control strategy）[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2014，38（18）：99-104，135.

[3]董偉杰，白曉民，宋曉輝，等（Dong Weijie，Bai Xiaomin，Song Xiaohui，et al）.基于PI神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的三相四開關(guān)電力有源濾波器研究（Research on 3-phase 4-switch ac?tive power filters based on PINN）[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSEE），2014，34（24）：4068-4075.

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[6]李國(guó)華，汪玉鳳，高小朋，等（Li Guohua，Wang Yufeng，Gao Xiaopeng，et al）.基于滯環(huán)SVPWM的有源電力濾波器故障容錯(cuò)方法（A fault-tolerance method for hyster?ics SVPWM based active power filter）[J].電網(wǎng)技術(shù)（Pow?er System Technology），2014，38（5）：1317-1321．

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Control Method for Fault-tolerant Shunt Active Power Filter

LI Ying1，LIU Tao2，WANG Rixin1
（1.Faculty of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China；2.Department of Basic Teaching，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China）

TM71

A

1003-8930（2017）09-0076-04

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.09.013

2016-01-20；

2017-05-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51307076）

李 穎（1981—），女，博士，講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。Email：53901051@qq.com

劉 濤（1981—），男，博士，講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。Email：303171362@qq.com

王日新（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣?jié)能型電力傳動(dòng)技術(shù)與應(yīng)用。Email：935435718@qq.com