基于直接功率控制法的并聯(lián)型有源電力濾波器故障容錯(cuò)方法

李國(guó)華,汪玉鳳,高小朋,張 立,張林偉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,遼寧葫蘆島 125105)

基于直接功率控制法的并聯(lián)型有源電力濾波器故障容錯(cuò)方法

李國(guó)華,汪玉鳳,高小朋,張 立,張林偉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,遼寧葫蘆島 125105)

提出一種基于直接功率控制法的并聯(lián)型有源電力濾波器(active power filter,APF)故障容錯(cuò)方法。通過預(yù)測(cè)APF輸出電壓的參考值,并利用空間矢量脈寬調(diào)制法(space vector pulse width modulation,SVPWM)控制實(shí)際輸出的電壓跟蹤參考值,以保證APF的瞬時(shí)功率跟蹤參考功率,從而實(shí)現(xiàn)直接功率控制。當(dāng)APF主電路中的開關(guān)器件發(fā)生故障時(shí),利用故障狀態(tài)下的4個(gè)有效電壓矢量合成獲得參考值。矢量合成中采用一種七段式細(xì)分方式,給出了不同扇區(qū)內(nèi)電壓矢量的作用時(shí)序和作用時(shí)間。該方法能夠保證APF在故障狀態(tài)下繼續(xù)穩(wěn)定工作,從而顯著提高其工作可靠性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性。

有源電力濾波器;故障容錯(cuò);直接功率控制;空間矢量脈寬調(diào)制法

有源電力濾波器(簡(jiǎn)稱APF)是治理諧波污染、改善電能質(zhì)量的一種比較理想的濾波裝置[1-3],已經(jīng)在400 V配網(wǎng)等低壓領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。但由于APF屬于實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償設(shè)備,要求開關(guān)器件具有較高的工作頻率,使得功率損耗和故障幾率大大增加。一旦器件發(fā)生故障,將無法進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償,會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊。因此,如何提高APF的故障容錯(cuò)能力就很自然的擺在面前。

目前,關(guān)于APF容錯(cuò)方法的研究主要集中在兩個(gè)方面:一是故障診斷技術(shù)[4-8],即快速準(zhǔn)確的判斷故障位置及類型;二是故障狀態(tài)下電流的跟蹤控制技術(shù)[8-12],即利用故障狀態(tài)下的三相四開關(guān)逆變器實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流的實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償。此外,大連理工大學(xué)的張曉華教授等提出用欠驅(qū)動(dòng)理論闡述電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的容錯(cuò)控制問題,并于2013年獲批國(guó)家自然科學(xué)基金,但至今鮮有公開發(fā)表相關(guān)文獻(xiàn)。

現(xiàn)有的APF容錯(cuò)方法基本都是采用SVPWM法,即先計(jì)算電壓矢量的參考值,再利用故障狀態(tài)下的4個(gè)有效電壓矢量合成獲得參考值,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流的跟蹤補(bǔ)償。文獻(xiàn)[8]首先提出一種三相逆變器開路故障診斷方法,之后對(duì)逆變器各種故障狀態(tài)進(jìn)行了分析,并通過矢量合成獲得參考電壓;文獻(xiàn)[9]對(duì)三相三線制有源濾波器故障容錯(cuò)控制的穩(wěn)定性進(jìn)行了論述;文獻(xiàn)[10]通過改進(jìn)坐標(biāo)變換的方法,簡(jiǎn)化了三相四開關(guān)逆變器SVPWM算法的復(fù)雜性;文獻(xiàn)[11-12]首先研究了在電網(wǎng)電壓不平衡和短時(shí)故障時(shí)有源電力濾波器指令電流確定方法,并在此基礎(chǔ)上提出了一種三相四開關(guān)并聯(lián)型APF的SVPWM調(diào)制算法;但上述文獻(xiàn)均未給出APF參考電壓矢量的具體計(jì)算方法以及SVPWM過調(diào)制方法。雖然在交流傳動(dòng)領(lǐng)域三相四開關(guān)逆變器的控制方法有很多相對(duì)成熟的研究成果[4,13],但由于參考電壓矢量的產(chǎn)生機(jī)理不同,所以這些方法并不能直接應(yīng)用于APF中。

本文提出一種基于直接功率控制法的并聯(lián)型有源電力濾波器故障容錯(cuò)方法。該法以直接功率控制理論為基礎(chǔ),通過預(yù)測(cè)控制計(jì)算出APF輸出電壓的參考值,并利用故障狀態(tài)下的有效電壓矢量合成參考值,給出了不同扇區(qū)內(nèi)電壓矢量的作用時(shí)序和作用時(shí)間,以及SVPWM過調(diào)制方法。使得APF的輸出功率能夠?qū)崟r(shí)跟蹤參考功率,此時(shí)電網(wǎng)輸出功率只包括基波正序電流的有功和無功功率,從而實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償。該法能夠保證APF在故障狀態(tài)下繼續(xù)穩(wěn)定工作,為消除故障贏得時(shí)間。

1 APF直接功率控制原理

圖1是有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),圖中usa,usb, usc和isa,isb,isc分別為電網(wǎng)輸出的三相電壓和電流值;ica,icb,icc和iLa,iLb,iLc分別為APF輸出電流和負(fù)載電流;Ps,Qs,PL,QL,PC和QC分別為電網(wǎng)、負(fù)載、APF的瞬時(shí)有功功率和無功功率;PLf,QLf,PLh,QLh分別為負(fù)載的基波正序電流和諧波電流分別在基波正序電壓作用下產(chǎn)生的有功和無功功率,參考方向均以指向負(fù)載為正方向;P?C,Q?C為APF輸出功率參考值;L和C分別為APF輸出端濾波電感和逆變器直流側(cè)電容;V1～V6為APF逆變器中的開關(guān)器件;Udc為逆變器直流側(cè)電壓。

圖1 有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of active power filter

圖1所示的APF電路,有如下功率關(guān)系

假設(shè)電網(wǎng)電壓只含有基波正序分量,當(dāng)APF輸出功率滿足式(3)時(shí),電網(wǎng)輸出功率只包括基波正序電流在基波正序電壓作用下的有功和無功功率,即滿足式(4)。此時(shí),電網(wǎng)電流只含有負(fù)載側(cè)的基波正序電流,達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

1.1 輸出功率參考值計(jì)算

APF輸出功率參考值的計(jì)算方法如圖2所示,圖中usabc,iLabc,usαβ和iLαβ分別為電網(wǎng)輸出的電壓和負(fù)載電流在三相坐標(biāo)系和兩相靜止α-β坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)值。低通濾波器輸出為負(fù)載功率中的直流分量,即PLf和QLf;把剩余交流分量(即PLh和QLh)作為APF輸出瞬時(shí)功率的參考值。為了維持APF直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定,還需要減去直流側(cè)電容電壓經(jīng)PI控制后所得的有功功率增量[14]。

圖2 APF輸出功率參考值計(jì)算流程Fig.2 Block diagram of reference power for APF

1.2 參考電壓矢量計(jì)算

如圖1所示,在兩相靜止α-β坐標(biāo)系下APF輸出電壓的參考值與電網(wǎng)電壓的關(guān)系式為

其中,iCα,iCβ,u?α,u?β,usα和usβ分別為補(bǔ)償電流、參考電壓和電網(wǎng)電壓在兩相靜止α-β坐標(biāo)系下的值,式中忽略了其等效電阻R。將式(5)離散化可得

根據(jù)圖3所示的APF輸出功率關(guān)系式,假設(shè)在一個(gè)采樣周期Ts內(nèi)電網(wǎng)電壓不變,可得前后兩個(gè)采樣周期輸出功率之差

圖3 APF故障容錯(cuò)方法原理Fig.3 Block diagram of fault-tolerance method for APF

要使APF輸出功率能夠在一個(gè)采樣周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)參考功率的準(zhǔn)確跟蹤,則要求PC(k+1)等于參考值P?C(k+1),QC(k+1)等于Q?C(k+1)。代入式(7)和(6)推導(dǎo)可得參考電壓矢量[15-19]。

式中,P?C(k+1)和Q?C(k+1)可以采用預(yù)測(cè)控制方式獲得

如圖3所示,在獲得電壓矢量參考值以后,當(dāng)逆變器未發(fā)生故障時(shí),利用三相逆變器的8個(gè)電壓矢量合成參考值,得出三相逆變器開關(guān)信號(hào)Sabc,實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償;當(dāng)故障發(fā)生時(shí),則采用故障容錯(cuò)方法獲得參考電壓矢量,同樣實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償。圖中iCabc和iCαβ分別為APF補(bǔ)償電流在三相坐標(biāo)系和兩相靜止α-β坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)值。

2 故障狀態(tài)分析

在圖1所示的APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,當(dāng)逆變器的開關(guān)器件V1～V6未發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)等效為三相六開關(guān)APF;當(dāng)某個(gè)開關(guān)器件發(fā)生開路或短路故障時(shí),首先通過故障診斷方法[4-8]確定故障位置,迅速切斷該故障相;并將該相輸出點(diǎn)轉(zhuǎn)接至逆變器直流側(cè)中點(diǎn)O處,此時(shí)原逆變器等效為三相四開關(guān)逆變器;然后,利用故障狀態(tài)下的有效電壓矢量合成參考電壓矢量。

當(dāng)逆變器發(fā)生短路故障,則與該相串聯(lián)的快速熔斷器會(huì)保護(hù)性熔斷,此時(shí)故障等效為開路故障,所以本文只研究開路故障。圖1是c相故障狀態(tài)下的三相逆變器原理,此時(shí)其等效的三相四開關(guān)逆變器只有4個(gè)有效電壓矢量,詳見表1和圖4,其中X表示故障相的開關(guān)狀態(tài)。

表1 三相四開關(guān)逆變器的電壓矢量Table 1 Voltage vectors of the 3-phase 4-switch inverter

3 故障容錯(cuò)方法

圖4 故障狀態(tài)下的參考電壓矢量合成Fig.4 Reference voltage vector synthesis diagram in fault state

在圖4所示的α-β坐標(biāo)系下,首先確定參考電壓矢量u?的空間位置,并利用兩個(gè)相鄰的電壓矢量合成參考值。矢量合成中所需的零矢量可用方向相反的兩個(gè)電壓矢量等效替代。并盡量選用模值較小的兩個(gè)電壓矢量,即U0和U3,以降低開關(guān)頻率[11,20-21]。以圖4(c)為例,當(dāng)參考電壓矢量位于扇區(qū)Ⅱ時(shí),利用矢量U2和U3合成參考值,并加入U(xiǎn)0,與U3一起作用獲得零矢量。各矢量在一個(gè)采樣周期中的作用時(shí)間計(jì)算如下:其中,T0,T2,T3分別為矢量U0,U2,U3在一個(gè)采樣周期Ts內(nèi)的作用總時(shí)間;TLing為零矢量作用時(shí)間(U0和U3合成零矢量);′為合成參考電壓矢量u?所需U3的作用時(shí)間,并非U3作用的總時(shí)間。為了避免單個(gè)矢量作用時(shí)間過長(zhǎng)而引起的跟蹤誤差,矢量合成時(shí)采用七段式細(xì)分方式,各矢量交替作用。每個(gè)采樣周期以U0開始和結(jié)束,每個(gè)開關(guān)器件在一個(gè)采樣周期內(nèi)只動(dòng)作2次,一個(gè)采樣周期內(nèi)開關(guān)器件的時(shí)序如圖5所示。其他扇區(qū)內(nèi)矢量作用順序和作用時(shí)間詳見表2,表中表示合成參考電壓矢量所需的Ui的作用時(shí)間。

圖5 開關(guān)函數(shù)時(shí)序Fig.5 Time sequence of switching signals

表2 參考電壓合成時(shí)序Table 2 Time sequence of reference voltage vector synthesis

當(dāng)出現(xiàn)過調(diào)制時(shí),仍以圖4(c)第Ⅱ扇區(qū)為例,由式(12)計(jì)算出的T2和′之和大于采樣周期Ts,說明此時(shí)電流跟蹤誤差無法在一個(gè)采樣周期Ts內(nèi)消除。SVPWM過調(diào)制策略如下:

其中,t2和t3分別是過調(diào)制情況下U2和U3在一個(gè)采樣周期內(nèi)的總作用時(shí)間。此時(shí),u?僅由U2和U3兩個(gè)矢量合成獲得。本文提出的容錯(cuò)方法總體思路如圖3所示。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提方法的正確性,本文利用Matlab軟件進(jìn)行了仿真研究。以c相在t=0.5 s時(shí)出現(xiàn)開路故障為例,忽略故障診斷及主電路開關(guān)切換時(shí)間,三相逆變器瞬間等效為三相四開關(guān)逆變器,上述故障容錯(cuò)方法的仿真波形如圖6所示。

由圖6可見,該法能夠保證APF在故障狀態(tài)下繼續(xù)工作,網(wǎng)側(cè)諧波電流得到了較好的抑制。但與故障前相比補(bǔ)償精度有所下降,網(wǎng)側(cè)電流諧波占有率由故障前的4.76%左右升高至7.73%左右。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法,搭建了三相APF實(shí)驗(yàn)樣機(jī),樣機(jī)參數(shù)如下:電網(wǎng)電壓380 V,50 Hz;經(jīng)三相整流橋接阻感負(fù)載10 Ω,5 mH;IGBT參數(shù)為1 700 V, 100 A;選用落木源IGBT集成驅(qū)動(dòng)模塊;APF輸出端濾波電抗器為1 mH;直流側(cè)電壓為1 200 V;樣機(jī)采用雙DSP結(jié)構(gòu),利用雙口RAM IDT70V24實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;系統(tǒng)采樣頻率12.8 K,在一個(gè)采樣周期內(nèi)電網(wǎng)電壓基本不變。在此基礎(chǔ)上,建立了基于三相四開關(guān)逆變器的APF實(shí)驗(yàn)樣機(jī),模擬c相開路故障下的運(yùn)行情況,將故障前后的APF補(bǔ)償效果進(jìn)行對(duì)比。非故障狀態(tài)和故障狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

由圖7可見,故障狀態(tài)下,經(jīng)補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流比較接近正弦,通過與負(fù)載電流對(duì)比可知,負(fù)載電流中的諧波成分得到了較好的抑制;但由于故障狀態(tài)下電壓矢量數(shù)量減少,切換角度增加,以及參數(shù)估計(jì)誤差和系統(tǒng)延時(shí)等原因,造成諧波補(bǔ)償并不徹底,與非故障狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)波形相比,補(bǔ)償精度有所降低。但是作為APF的故障容錯(cuò)方法,只是在故障發(fā)生時(shí)才會(huì)短期使用,不失為一種好方法。

圖6 故障容錯(cuò)方法的仿真波形Fig.6 Simulated waveforms for fault-tolerance method

5 結(jié) 語

提出一種并聯(lián)型有源電力濾波器的故障容錯(cuò)方法,首先通過直接功率控制理論計(jì)算出APF輸出電壓矢量的參考值,然后利用故障狀態(tài)下的有效電壓矢量合成參考值,給出了不同扇區(qū)內(nèi)電壓空間矢量的作用時(shí)序和作用時(shí)間,以及過調(diào)制控制方法。保證有源濾波器的輸出功率跟蹤參考功率,最終達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康?。不可否認(rèn),該法的補(bǔ)償精度不是很高,但能夠保證APF在故障狀態(tài)下繼續(xù)穩(wěn)定工作,為消除故障贏得了時(shí)間。

研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(中壓CSAPF雙滯環(huán)容錯(cuò)控制技術(shù)的研究)的資助,謹(jǐn)此致謝!

圖7 故障容錯(cuò)方法實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms for fault-tolerance method

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A fault-tolerance method of shunt active power filter based on direct power control

LI Guo-hua,WANG Yu-feng,GAO Xiao-peng,ZHANG Li,ZHANG Lin-wei

(Faculty of Electrical and Control Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China)

A fault-tolerance method of shunt active power filter(APF)based on direct power control was proposed.In order to make instantaneous power track on reference value,it calculated the reference voltage value of APF by predictive control,and the output voltage would track the calculated reference value by space vector pulse width modulation.When the power electronic devices were damaged,the voltage vector synthesizing algorithm based on the available voltage vectors was chosen as an equivalent alternative by a method of voltage space vector modulation with seven-segment scheme.The sequence and time of the four voltage vectors in different regions were given.Thus the harmonic would be compensated by APF in fault state.It would improve the reliability of APF.The simulation and experimental results demonstrate the validity and efficiency of the proposed method.

active power filter;fault;tolerance;direct power control;SVPWM

TD611;TM71

A

0253-9993(2014)12-2544-06

2013-12-02 責(zé)任編輯:許書閣

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

李國(guó)華(1981—),男,遼寧朝陽人,講師,博士研究生。E-mail:dkliguohua@163.com。通訊作者:汪玉鳳(1962—),女,河北唐山人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:wyf792@163.com

李國(guó)華,汪玉鳳,高小朋,等.基于直接功率控制法的并聯(lián)型有源電力濾波器故障容錯(cuò)方法[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(12):2544-2549.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1769

Li Guohua,Wang Yufeng,Gao Xiaopeng,et al.A fault-tolerance method of shunt active power filter based on direct power control[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2544-2549.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1769