有源電力濾波器故障診斷系統(tǒng)的設計*

馬立新，嚴 亮，吳興鋒

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

0 引言

隨著電力電子裝置及分布式電源的廣泛應用，電力系統(tǒng)的電能質量問題日趨嚴重，嚴重威脅電網的安全運行和電力設備的正常使用［1］。有源電力濾波器(APF)是一種新型的諧波治理和無功補償裝置，因其動態(tài)響應速度快、補償特性好等優(yōu)點，得到了國內外學者的廣泛關注［2］。

APF 運行狀況不僅決定諧波治理的效果，還關系到電力系統(tǒng)的安全運行，APF 逆變器中的IGBT 因長時間工作在高頻、高溫狀態(tài)，是易損壞的器件［3］。APF中使用的IGBT 較多，為了確定IGBT 準確故障位置，需要對APF 進行故障診斷。

為了提高系統(tǒng)的可靠性，增長APF 的安全穩(wěn)定運行時間，本研究設計APF 的故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)對IGBT 及其驅動模塊進行實時故障分析，并在發(fā)生故障時進行故障報警，為APF 故障后的維修贏得時間。筆者利用該系統(tǒng)對APF 進行有效診斷，從而進一步保障APF 的穩(wěn)定工作。

1 有源電力濾波器的工作原理

本研究主要以并聯(lián)型有源電力濾波器為研究對象，它的系統(tǒng)結構與工作原理如圖1 所示。

圖1 APF 結構原理圖

非線性負載的接入會向電網注入諧波電流，系統(tǒng)通過電流互感器CT 檢測出三相負載電流，經過諧波電流分析與計算環(huán)節(jié)，再根據諧波分量生成PWM 控制脈沖，從而將諧波電流抵消使網側電流逼近于正弦波，達到電能質量的規(guī)定水平。

2 系統(tǒng)硬件設計

故障診斷系統(tǒng)需要對IGBT 的驅動模塊以及各個IGBT 的故障進行診斷，快速確定驅動模塊和IGBT 的故障位置，為APF 的維護提供參考依據。

APF 中采用CONCEPT 公司的2SD315AI 作為IGBT 的驅動模塊，該模塊具有智能驅動、自檢和狀態(tài)反饋等功能，并將功率部分與控制部分完全隔離。該驅動模塊可產生兩路IGBT 驅動信號，同時可以對IGBT的短路、過流、欠壓進行監(jiān)測，當相應通道發(fā)生故障時，對應故障輸出端SO 信號為低電平，并封鎖驅動信號。

驅動模塊故障信號調理電路如圖2 所示。將故障信號SO 轉換為芯片所要求的電平范圍，并通過LED燈指示各個驅動模塊的故障情況。APF 中使用3個驅動模塊來驅動3個IGBT 橋臂，因此，本研究設計3個故障診斷電路，實現(xiàn)各個驅動模塊的故障診斷。

圖2 驅動模塊故障信號調理電路

APF 中IGBT 通常表現(xiàn)為短路和開路故障，由于IGBT 每相橋臂中有快速熔斷器保護，發(fā)生短路故障后熔斷器會快速熔斷變?yōu)殚_路故障。本研究針對開路故障進行故障診斷設計。

本研究根據圖1 所示的APF 結構原理圖，用開關函數(shù)來表示APF 的運行狀態(tài)。設sa、sb、sc分別為a、b、c 三相橋臂的開關信號。sa、sb、sc為1 表示上橋臂開通下橋臂關斷;sa、sb、sc為0 表示上橋臂關斷下橋臂開通。APF 正常運行時，以A 相為例，IGBT 集電極－發(fā)射極電壓uT與開關信號關系為［4］:

式中:Udc—直流側電壓。

當IGBT 發(fā)生開路故障時，IGBT 集電極－發(fā)射極電壓將不能用式(1)來表示，因此，可以通過實際電壓與正常運行理論電壓值的誤差來確定IGBT 開路故障位置［5］。

以A 相橋臂為例，流出IGBT 的電流設為正，流入IGBT 的電流設為負［6］，A 相正常運行和上下橋臂故障時IGBT 電壓如表1 所示。

表1 正常運行和橋臂故障時IGBT 電壓

由表1 可知，在T1故障下，當A 相電流ia為正、開關信號為(10)時，A 相上下橋臂IGBT 電壓均與正常值不同［7］。與此類似，T2故障分析也能獲得各自故障的定位信息，根據此故障信息搭建的IGBT 開路故障診斷電路如圖3 所示。圖中R1、R2為分壓電阻，用于獲取IGBT 電壓;U1是TL0741 型運算放大器，用于驅動光耦U2;FT1和FT2為故障診斷電路輸出信號，經鎖存后就可記錄故障信息。由于IGBT 存在關斷和開通延時，為了避免延時造成的誤診斷，需要對控制信號sa+、sa－加延時邏輯。

通過對圖3 的分析，可以得出正常運行與T1開路故障、T2開路故障和T1、T2同時開路故障時的診斷時序圖，如圖(4～6)所示。診斷原理為:正常運行時T1、T2電壓為uT1、uT2，在T1發(fā)生開路故障時，當電流ia＞0 時，開關信號Sa+不能使T1導通，從IGBT 流出的電流只能通過T2的反向二極管續(xù)流，此時結合圖3 可知，此時運算放大器U1不能驅動光耦U2，u0輸出為高電平，u0與開關信號進行邏輯“與”運算后為‘1’，即T1的故障診斷信號FT1輸出為高電平;同理，在T2發(fā)生開路故障且電流ia＜0 時，則FT2輸出為高電平。因此無論哪個IGBT 發(fā)生開路故障，或者橋臂上下IGBT 同時發(fā)生開路，該診斷電路都能有效地識別故障IGBT 位置。

圖3 IGBT 開路故障診斷電路

圖4 正常運行與T1開路故障時序圖

圖5 正常運行與T2開路故障時序圖

圖6 正常運行與T1、T2開路故障時序圖

3 系統(tǒng)軟件設計

故障診斷系統(tǒng)軟件部分采用虛擬儀器軟件Lab-VIEW 為開發(fā)平臺來設計，LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，產生的程序是框圖的形式，可以用于快速有效地開發(fā)APF 故障診斷系統(tǒng)的上位機。

故障信號的采集是以TI 公司的TMS320F2812 為核心處理器的控制平臺［8］，上位機與下位機采用串口通信，最后在LabVIEW 平臺上開發(fā)出故障診斷系統(tǒng)的上位機［9-10］，其軟件設計流程如圖7 所示。該上位機可以實現(xiàn)以下功能:

(1)實時指示驅動模塊和IGBT 的運行狀態(tài);

(2)記錄系統(tǒng)各狀態(tài)數(shù)據，歷史數(shù)據的調用;

(3)在故障時發(fā)出故障報警，并發(fā)出信號使下位機封鎖PWM 驅動信號。

圖7 LabVIEW 軟件設計流程

4 系統(tǒng)測試

為了進一步驗證開路故障設計方案的可行性，本研究運用故障診斷電路對有源電力濾波器樣機系統(tǒng)的運行進行了測試。在實驗中，筆者通過移去IGBT 的驅動信號來模擬IGBT 開路故障，最后DSP 通過串口將故障信號發(fā)送到LabVIEW 上位機［11-12］。當模擬T2發(fā)生故障時，該系統(tǒng)能指示T2故障并報警，同時發(fā)送命令給DSP 封鎖PWM 的輸出。

從診斷結果可以看出，該系統(tǒng)能夠對有源電力濾波器進行故障檢測并快速地診斷出IGBT 故障位置。

5 結束語

筆者設計研究了有源電力濾波器的故障診斷系統(tǒng)，闡述了故障診斷原理，并設計了APF 驅動模塊和IGBT的故障診斷硬件電路。通過分析IGBT 故障診斷電路的時序圖，驗證了故障診斷系統(tǒng)的有效性。

該系統(tǒng)可實現(xiàn)APF 的故障診斷，可以快速有效地識別IGBT 故障位置，滿足故障診斷的要求，為APF 的故障診斷提供了參考依據，具有良好的應用前景。

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