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        基于NCAV和電路等效替換的PWM整流器容錯控制系統(tǒng)

        2017-11-24 09:04:08馮延暉邱穎寧
        電力工程技術(shù) 2017年6期
        關(guān)鍵詞:故障診斷區(qū)域故障

        秦 偉, 馮延暉, 黃 凱,邱穎寧

        (南京理工大學(xué), 江蘇 南京 210094)

        基于NCAV和電路等效替換的PWM整流器容錯控制系統(tǒng)

        秦 偉, 馮延暉, 黃 凱,邱穎寧

        (南京理工大學(xué), 江蘇 南京 210094)

        三相脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)整流器因其具有可控的功率因數(shù)、網(wǎng)側(cè)三相電流趨于正弦、直流側(cè)電壓穩(wěn)定等優(yōu)點,在電機(jī)控制、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)、柔性直流輸電和微電網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為了提高三相PWM整流器可靠性,文中提出了一種PWM整流器容錯控制系統(tǒng),該系統(tǒng)結(jié)合了歸一化電流平均值(normalised current average value,NCAV)故障檢測法和基于電路等效替換的容錯方法。該控制系統(tǒng)在功率開關(guān)管單管開路故障情況下能夠?qū)崿F(xiàn)故障檢測和診斷,并進(jìn)行快速的容錯控制,從而減少單管開路故障對系統(tǒng)造成的影響,改善故障下三相電流波形,減小輸出電壓紋波,提升系統(tǒng)的整體性能和可靠性。通過仿真驗證了該控制系統(tǒng)的有效性。

        整流器;開路故障;故障診斷;容錯控制

        0 引言

        三相電壓型脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)整流器(voltage source rectifier, VSR)具有輸入電流正弦性好、單位功率因數(shù)運行、能量雙向流動、諧波含量低等特性,在電機(jī)控制、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、柔性直流輸電領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。這也使得三相VSR成為了電能變換領(lǐng)域和電力電子技術(shù)中具有重要意義的研究對象[1,2],其可靠性問題是當(dāng)前研究的重點。為了有效地提高三相VSR的可靠性,針對功率開關(guān)管故障的變流器故障診斷技術(shù)和容錯控制技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點[3-6]。文獻(xiàn)[7]提出了一種歸一電流法,該方法能夠有效地檢測出整流器中開關(guān)管的故障,但對于系統(tǒng)發(fā)生故障后如何有效降低故障對系統(tǒng)的影響并沒有做深入研究。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]提出了一種基于空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation, SVPWM)信號補(bǔ)償來完成容錯控制的方法,實現(xiàn)了很好的控制效果,但該方法并沒有結(jié)合故障診斷算法,沒有完成對三相PWM整流器系統(tǒng)的動態(tài)故障診斷并實現(xiàn)容錯控制。

        文中將歸一化電流平均值(normalised current average value,NCAV)故障檢測算法和基于電路等效替換的容錯算法相結(jié)合,提出一種PWM整流器容錯控制系統(tǒng),通過NCAV故障檢測算法檢測并定位功率開關(guān)器件開路故障,將正常狀態(tài)下SVPWM算法切換到容錯SVPWM算法,能夠降低故障對系統(tǒng)的影響,有效提高三相PWM整流器可靠性。

        1 NCAV故障診斷方法

        NCAV在逆變器開路故障診斷領(lǐng)域首先得到應(yīng)用[10],該方法將三相電流平均值歸一化,通過對比診斷變量在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的變化,實現(xiàn)對功率開關(guān)管診斷以及故障開關(guān)管的定位。文獻(xiàn)[11,12]中通過重新設(shè)計NCAV診斷變量得到改進(jìn),通過計算改進(jìn)后的附加變量,增強(qiáng)了方法對誤診斷的魯棒性,同時提供了多故障診斷的能力。該算法的框圖如圖1所示。

        圖1 NCAV方法計算框圖Fig.1 Block diagram of the NCAV method

        從三相電流in得到主要的診斷變量rn:

        (1)

        (2)

        式中:下標(biāo)n表示相位符號(包括a,b 和 c);in為三相電流平均值;|in| 為三相電流平均值的絕對值;K0為閾值門檻值,經(jīng)驗上選擇額定三相電流值的5% 來作為K0。

        當(dāng)功率開關(guān)管發(fā)生故障時,故障相位的輸出電流所對應(yīng)的變量ωn變化明顯,使得診斷變量rn同時產(chǎn)生相應(yīng)的變化,進(jìn)而完成對開關(guān)管的診斷以及故障開關(guān)管的定位。

        當(dāng)整流器同一個橋臂上的功率開關(guān)管同時出現(xiàn)故障時,對應(yīng)故障相的|in|接近于0。此時,變量rn無法實現(xiàn)對功率開關(guān)管的診斷。為了能夠識別這一類故障,定義附加的輔助變量為:

        (3)

        式中:l,m,n∈{a,b,c},l≠m≠n。

        Sn中的電流值比較低的那一相就是故障開關(guān)管所處的相。由式(1)和式(3)可以得到變量rn和Sn,通過將其與閾值Kr和Ks進(jìn)行比較,能夠診斷并定位故障功率開關(guān)管。

        2 電路等效替換容錯算法

        開關(guān)管是整流器中最易發(fā)生故障的部件[13,14]。常見的功率開關(guān)管包括功率開關(guān)管的短路故障和開路故障2部分。功率開關(guān)管發(fā)生短路故障時,可以通過控制電流反饋環(huán)對電流的限制作用降低其對系統(tǒng)的影響。故障時快速熔斷器的保護(hù),可以實現(xiàn)故障的隔離。另外,也可以在變流器的單個橋臂上串聯(lián)2個快速熔斷器,將此類故障轉(zhuǎn)化為開路故障。功率開關(guān)管發(fā)生開路故障時,系統(tǒng)往往會繼續(xù)運行,如果長時間在該狀態(tài)下運行會對系統(tǒng)造成二次傷害。

        對于三相PWM整流器來說,在整流橋中有6個開關(guān)管,出現(xiàn)的開路故障模式有63種,然而在工業(yè)環(huán)境中,單個開關(guān)管開路故障發(fā)生頻次最高,其他情況發(fā)生概率極低,故文中主要討論單管開路故障。

        2.1 故障分析

        整流電路的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,在正常運行過程中三相交流電的相電壓在一個周期內(nèi)脈動3次,線電壓在一個周期內(nèi)脈動6次。將線電壓脈沖區(qū)間分為6個區(qū)域,如圖3所示。在不同的區(qū)域內(nèi)對應(yīng)著三相電壓不同的相位關(guān)系,且將6個電壓區(qū)間通過克拉克(Clarke)變換從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系??梢园l(fā)現(xiàn)這6個區(qū)域脈動次序與電壓型整流器做SVPWM扇區(qū)計算時的旋轉(zhuǎn)方向是保持一致的。

        圖2 整流電路拓?fù)銯ig.2 Rectifier circuit topology

        圖3 三相交流電的相電壓和線電壓Fig.3 Phase voltage and line voltage of three phase AC

        例如,圖2中第一區(qū)域a相電壓的相角為:

        (4)

        可知進(jìn)行Clarke變換時,相角為θ,有:

        (5)

        計算可得-60°<θ< 0°,圖4標(biāo)明了Uα,Uβ在αβo坐標(biāo)系下的基本電壓空間矢量圖的對應(yīng)位置。第一區(qū)域?qū)?yīng)圖4中的第Ⅵ扇區(qū)(扇區(qū)計算值為2)。同理,也可以推出來其他區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系。

        圖4 基本空間矢量Fig.4 Basic space vector

        對圖2中的第一區(qū)域進(jìn)一步分析,在第一區(qū)域內(nèi),Uab的值最大,在三相負(fù)載平衡的情況下,在a,b兩相中流經(jīng)的線電流值大于在c相中相電流的值。那不妨考慮一種極端情況,即c相負(fù)載開路,此時,可將電路等效為圖5所示電路。

        圖5 第一區(qū)域內(nèi)整流電路等效電路Fig.5 The equivalent circuit of rectifier circuit in the first area

        為了防止同一個橋臂上下開關(guān)管同時導(dǎo)通造成短路,燒壞元器件,同一橋臂上下開關(guān)管設(shè)置了互鎖,即當(dāng)上橋臂開通時,下橋臂必須斷開。當(dāng)上橋臂導(dǎo)通時,記其狀態(tài)量為1,關(guān)斷時為0。在圖2中有8種開關(guān)管狀態(tài),即000,001,010,100,110,101,110,111。當(dāng)c相負(fù)載開路后,在第一區(qū)域內(nèi)的等效電路圖5中,開關(guān)管有4種工作狀態(tài),即00,01,10,11。等效電路在第一區(qū)域內(nèi)不同開關(guān)模態(tài)下的工作情況如圖6所示。

        圖6 在第一區(qū)域內(nèi)不同開關(guān)模態(tài)下的工作原理Fig.6 Schematic diagram of different switching modes in the first area

        從圖6中可以得出,在第一區(qū)域內(nèi),Q3和Q4主要功能是完成對電感的充電,當(dāng)Q4或者Q3發(fā)生故障時,可以通過使能另一個等效開關(guān)管完成對電感的充電。當(dāng)Q3或Q4開關(guān)管故障時,無法達(dá)到01狀態(tài)完成放電,此時,電感的放電過程可以通過導(dǎo)通10電路來完成。在硬件電路中,開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷有死區(qū)時間,在死區(qū)時間內(nèi),同一個橋臂的開關(guān)管同時關(guān)斷,其等效電路為10狀態(tài)所示電路,同樣也可以補(bǔ)償電感放電的時間。

        Q1和Q6的主要功能是完成對電容放電,當(dāng)Q1或Q6發(fā)生故障時,電流仍可以通過續(xù)流二極管完成放電。這樣的基于電路圖的等效替換不但能夠達(dá)到短時整流器容錯的目的,而且能夠充分應(yīng)用健康開關(guān)管,但是對其他開關(guān)管的使用頻率和損耗也會成倍的增加。

        2.2 容錯控制

        圖3(b)中每個區(qū)域?qū)?yīng)的等效開關(guān)以及作用元器件如表1所示。

        表1 線電壓區(qū)域及等效開關(guān)和作用元件對應(yīng)表Table 1 Line voltage region, equivalent switch,and corresponding components table

        不失一般性,假設(shè)開關(guān)管Q1發(fā)生開路故障,由表1可知,Q1在第四區(qū)域和第五區(qū)域起作用,而它在這2個區(qū)域等效開關(guān)管分別為Q6和Q2,這2個線電壓區(qū)域?qū)?yīng)SVPMW矢量圖中的第Ⅲ扇區(qū)和第Ⅳ扇區(qū)。在第四區(qū)域內(nèi),由表1可知,在電路中作用的矢量為V0(000),V2(010),V3(011),V7(111),對應(yīng)不同開關(guān)模態(tài)下的等效電路圖,可知,整流電路在第四區(qū)域正常工作時,會在V0,V3和V7作用下完成充電過程,在V2作用下完成放電過程。當(dāng)開關(guān)管Q1故障時,會影響V7作用下對直流母線電容的充電過程,不影響放電過程。在第五區(qū)域內(nèi),由表1可知,在電路中作用的矢量為V0(000),V1(001),V3(011),V7(111),對應(yīng)不同開關(guān)模態(tài)下的等效電路圖,可知,整流電路在第五區(qū)域正常工作時,會在V0,V3和V7作用下完成充電過程,在V1作用下完成放電過程。當(dāng)開關(guān)管Q1故障時,會影響V7作用下對直流母線電容的充電過程,不影響放電過程??梢钥闯觯?dāng)Q1開關(guān)管故障產(chǎn)生后主要影響矢量V7(111),所以只需要對矢量進(jìn)行補(bǔ)償即可。

        圖8 三相PWM整流器的容錯控制系統(tǒng)框圖Fig.8 Block diagram of the proposed fault-tolerant control of a three-phase PWM converter

        通過控制SVPWM的算法以抵消由于Q1發(fā)生開路故障引起的三相電流不平衡。在線電壓的第四區(qū)域里,通過控制開關(guān)管Q6完成對電感的兩次充電過程的,這里以線電壓的第四區(qū)域為例,在其對應(yīng)的SVPWM矢量圖的第Ⅲ扇區(qū)里,控制方式可以分解為V2和V32個作用矢量以及2個零矢量V0和V7。正常的七段式作用方式為:

        000—010—011—111—011—010—000

        V0—V2—V3—V7—V3—V2—V0

        當(dāng)Q1發(fā)生開路故障,進(jìn)行容錯控制之后的控制信號可以分解為V2和V3以及零矢量V0,其控制方式為:

        000—010—011—000—011—010—000

        V0—V2—V3—V0—V3—V2—V0

        圖7給出了每個矢量的作用時間,可以清晰地對比容錯算法開始前后脈沖信號的變化。針對不同的開關(guān)管故障,通過對開關(guān)管主要的作用區(qū)域內(nèi)的故障矢量進(jìn)行補(bǔ)償,可以達(dá)到容錯的目的。在上橋臂的開關(guān)管故障中對矢量V7(111)進(jìn)行補(bǔ)償,在下橋臂的開關(guān)管故障中對矢量V0(000)進(jìn)行補(bǔ)償。

        圖7 脈沖信號的變化Fig.7 Pulse signal changes

        3 MATLAB仿真驗證

        為驗證提出的整流器容錯控制系統(tǒng)的正確性和有效性,在Matlab中建立PWM整流器仿真模型,文獻(xiàn)[15-17]闡述了一種整流器的控制策略,能夠使整流器直流電壓保持穩(wěn)定,保持輸出最大有功功率。最大有功功率控制系統(tǒng)圖如圖8所示。其設(shè)置的仿真參數(shù)即電網(wǎng)正序基波線電壓為470∠0°V,濾波電感Ls為1 mH,線路損耗Rs為10 Ω,直流給定電壓1300 V,直流側(cè)接100 Ω純電阻負(fù)載。通過控制IGBT的門極控制信號,來控制功率開關(guān)管發(fā)生開路故障的時間,模擬開關(guān)管Q1發(fā)生信號缺失故障。仿真時間為1.5 s,0.5 s前系統(tǒng)正常運行;0.5 s時,引入Q1管開路故障,1 s時加入Q1管開路故障的容錯算法。對比離線容錯控制和在線容錯控制2種狀態(tài)下電路參數(shù)的變化。

        圖9為PWM整流器2種容錯控制模式下的三相電流波形圖。圖9(a)給出了離線容錯控制模式下系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)三相電流,可見,當(dāng)功率開關(guān)管Q1發(fā)生故障時三相電流發(fā)生明顯畸變,幅值增加,從而影響整個VSR整流器系統(tǒng)性能。圖9(b)為在線容錯控制下網(wǎng)側(cè)三相電流波形,可以得出,NCAV故障檢測算法能夠準(zhǔn)確檢測并定位到故障開關(guān)管,及時切換到容錯算法下,能夠有效避免三相電流發(fā)生長時間畸變,減小開路故障對整個系統(tǒng)的影響。

        圖9 PWM整流器三相電流波形Fig.9 The three-phase current of PWM converter

        圖10為2種容錯控制系統(tǒng)下的整流器直流側(cè)電壓??梢娫陔x線容錯控制時,當(dāng)Q1管發(fā)生開故障時,直流電壓紋波明顯加大,容錯之后紋波減小。在線容錯控制能夠在Q1管故障時及時將正常的SVPWM算法切換到容錯控制算法,能夠減小開路故障持續(xù)時間,避免電壓紋波大幅度增加。圖11為NCAV故障診斷變量值的變化,Q1在0.5 s時發(fā)生開路故障,0.001 433 s后,NCAV診斷出Q1管發(fā)生故障并將定位信號輸送給下一級,選擇對應(yīng)故障開關(guān)管的容錯程序從而完成容錯控制。驗證故障診斷算法的準(zhǔn)確性和及時性。圖12為三相VSR系統(tǒng)在正常、Q1開路故障和加入Q1管開路故障容錯控制條件下的電流軌跡圓圖,正常工作狀態(tài)下,三相電流的品質(zhì)接近正圓,電能品質(zhì)良好;Q1管發(fā)生開路故障后,電能品質(zhì)開始下降,在加入容錯控制算法后,電流軌跡圓向正常工作時的電流軌跡圓靠近。結(jié)果表明該容錯控制算法能夠改善由Q1管開路故障引起的電能品質(zhì)下降。

        圖10 PWM整流器直流側(cè)電壓Fig.10 DC side voltage of PWM rectifier

        圖11 NCAV算法故障診斷量Fig.11 NCAV algorithm fault diagnosis variable

        圖12 正常、故障和容錯的電流軌跡圓Fig.12 Normal, faulty and fault tolerant current trajectory circle

        4 結(jié)論

        通過MATLAB仿真驗證了文中提出的容錯控制系統(tǒng)的有效性與及時性,該容錯控制系統(tǒng)可以不改變整流器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)軟件容錯,能夠有效降低開關(guān)管開路故障給整個三相VSR系統(tǒng)帶來的影響。這種方法無論是在海上風(fēng)電還是柔性直流輸電的惡劣環(huán)境下都能夠遠(yuǎn)距離對整流器系統(tǒng)進(jìn)行容錯控制,可以有效降低系統(tǒng)二次事故的發(fā)生,減少經(jīng)濟(jì)損失。然而,故障檢測算法的響應(yīng)時間還是很長,從電流圓軌跡圖可以看出,容錯算法還有很大的改善空間,需要進(jìn)一步的研究。

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        秦 偉

        秦 偉(1994—),男,河南永城人,碩士研究生,主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器故障診斷及容錯控制(E-mail:qinwei986@126.com);

        馮延暉(1977—),男,廣東廣州人,博士,副教授,主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的測量與診斷技術(shù),風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)學(xué)(E-mail:yanhui.feng@njust.edu.cn);

        黃 凱(1993—),男,山東濟(jì)南人,碩士研究生,主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的故障診斷(E-mail:huangkai807@njust.edu.cn);

        邱穎寧(1977—),女,廣東廣州人,博士,副教授,主要研究方向為新能源科學(xué)與工程,風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷與可靠性,光伏系統(tǒng)設(shè)計(E-mail:yingningi.qiu@njust.edu.cn)。

        (編輯錢 悅)

        Fault-tolerantControlSystemofPWMRectifierBasedonNCAVandCircuitEquivalentReplacement

        QIN Wei, FENG Yanhui, HUANG Kai, QIU Yingning

        (Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

        Three-phase pulse width modulation (PWM) rectifier is widely used in motor control, wind power generation, flexible HVDC and micro grid due to the controllable power factor,sinusoidal grid side three-phase current waveform,stable DC side voltage and so on.In order to improve the reliability of three-phase PWM rectifier, a PWM fault-tolerant control system based on NCAV fault detection method is proposed in this paper.The control system can implement fault-tolerant control in a short time in the case of an open circuit fault has occurred on a single power switch, reduce the impact to the system caused by the single open circuit fault.This system can effectively improve the three-phase current waveform, reduce the output voltage ripple and enhance the overall system performance and reliability when an open circuit fault has occurred on a single power switch.The usefulness of this paper is verified through simulation results.

        rectifier; open-circuit fault; fault diagnosis; fault-tolerant control

        TM461

        A

        2096-3203(2017)06-0084-06

        2017-07-10;

        2017-08-08

        國家自然科學(xué)基金資助項目(51505225);江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20131350);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(30915011324)

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