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)

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，在電機控制、風力發(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，在電機控制、風力發(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[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[8]和文獻[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[11,12]中通過重新設(shè)計NCAV診斷變量得到改進，通過計算改進后的附加變量，增強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，進而完成對開關(guān)管的診斷以及故障開關(guān)管的定位。

當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，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系變換到兩相靜止坐標系?？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 整流電路拓撲Fig.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)

可知進行Clarke變換時，相角為θ，有：

(5)

計算可得-60°<θ< 0°，圖4標明了Uα,Uβ在αβo坐標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)域進一步分析，在第一區(qū)域內(nèi)，Uab的值最大，在三相負載平衡的情況下，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，即當上橋臂開通時，下橋臂必須斷開。當上橋臂導(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c相負載開路后，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Q3或Q4開關(guān)管故障時，無法達到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?，當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行補償即可。

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Q1發(fā)生開路故障，進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)的故障矢量進行補償，可以達到容錯的目的。在上橋臂的開關(guān)管故障中對矢量V7(111)進行補償，在下橋臂的開關(guān)管故障中對矢量V0(000)進行補償。

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[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)拓撲結(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電還是柔性直流輸電的惡劣環(huán)境下都能夠遠距離對整流器系統(tǒng)進行容錯控制，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，需要進一步的研究。

[1] 張 興，張崇巍． PWM整流器及其控制[M]． 北京：機械工業(yè)出版社． 2012.

ZHANG Xing，ZHANG Chongwei． PWM rectifier and its control [M]． Beijing：Mechanical Industry Press，2012.

[2] 張 莉，劉天羽，李如明，等． 電壓型PWM整流器控制研究[J]． 電源世界，2015(11)：21-26.

ZHANG Li，LIU Tianyu，LI Ruming，et al． Research on control of voltage source PWM rectifier [J]． Power world，2015(11)：21-26.

[3] QIU Yingning，JIANG Hongxin，F(xiàn)ENG Yanhui，et al． A new fault diagnosis algorithm for PMSG wind turbine power converters under variable wind speed condition[J]． Energies，2016， 9(7)：548.

[4] KIM D E，LEE D C．Fault diagnosis of three-phase PWM inverters using wavelet and SVM[J]． Journal of Power Electronics，2009，9(3)：329-334.

[5] QIU Yingning，F(xiàn)ENG Yanhui，SUN Juan，et al． Applying thermophysics for wind turbine drivetrain fault diagnosis using SCADA data[J]． Iet Renewable Power Generation，2016， 10(5)：661-668.

[6] KAMEL T，BILETSKIY Y，CHANG L ． Fault diagnoses for industrial grid-connected converters in the power distribution systems[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2015， 62(10)：6496-6507.

[7] ESTIMA J O，F(xiàn)REIRE N M A，CARDOSO A J M． Recent advances in fault diagnosis by Park’s vector approach[C]∥Electrical Machines Design Control and Diagnosis． IEEE，2013：279-288.

[8] IM W S，KIM J M，LEE D C，et al． Diagnosis and fault-tolerant control of three-phase AC-DC PWM converter systems[J]． IEEE Transactions on Industry Applications，2013，49(4)：1539-1547.

[9] 王新帥． 一種基于空間矢量的整流器容錯控制方法[D]． 天津：天津理工大學(xué)， 2015.

WANG Xinshuai．A fault-tolerant control method of rectifier based on spacevVector[D]． Tianjin: Tianjin University of Technology，2015.

[10] ABRAMIK S，SLESZYNSKI W，NIEZNANSKI J，et al． A diagnostic method for on-line fault detection and localization in VSI-fed AC drives[C]//European Conference on Power Electronics and Applications．2003：2-4.

[11] SLESZYNSKI W，NIEZNANSKI J，CICHOWSKI A． Open-transistor fault diagnostics in voltage-source inverters by analyzing the load currents[J]． IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(11)：4681-4688.

[12] FREIRE N M A，ESTIMA J O，CARDOSO A J M． Open-circuit fault diagnosis in PMSG drives for wind turbine applications[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(9)：3957-3967.

[13] 江紅鑫． 直驅(qū)型風力發(fā)電機組變流器系統(tǒng)可靠性研究[D]．江蘇：南京理工大學(xué)，2016.

JIANG Hongxin．Research on reliability of full power converter for permanent magnet direct-driven wind turbine[D]． Jiangsu：Nanjing University of Science and Technology，2016.

[14] IM W S，KIM J S，KIM J M，et al． Diagnosis methods for IGBT open switch fault applied to 3-phase AC/DC PWM converter[J]． Journal of Power Electronics，2012，12(1)：120-127.

[15] 郜 鵬． 混合多饋入直流輸電系統(tǒng)中VSC-HVDC的控制策略研究[D]． 遼寧:東北大學(xué) 2014.

GAO Peng． The control strategy of VSC-HVDC in hybrid multi-infeed HVDC system[D]． Liaoning：Northeastern University，2016.

[16] 劉志江，夏成軍，杜兆斌． 多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流電壓模糊控制策略[J]． 電力工程技術(shù)，2017，36(2)：21-26.

LIU Zhijiang，XIA Chengjun，DU Zhaobin. Research of DC voltage fuzzy control strategy for VSC-MTDC systems[J]． Electric Power Engineering Technology，2017，36(2)：21-26.

[17] 徐 政，張哲任，劉高任． 柔性直流輸電網(wǎng)的電壓控制原理研究[J]． 電力工程技術(shù)， 2017， 36(1)：54-59.

XU Zheng，ZHANG Zhere，LIU Gaoren． Research on voltage control principle of flexible DC transmission power grid[J]． Electric Power Engineering Technology，2017，36(1)：54-59．

秦 偉

秦 偉(1994—)，男，河南永城人，碩士研究生，主要研究方向為風力發(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，主要研究方向為風力發(fā)電系統(tǒng)的測量與診斷技術(shù)，風電場經(jīng)濟學(xué)(E-mail：yanhui.feng@njust.edu.cn)；

黃 凱(1993—)，男，山東濟南人，碩士研究生，主要研究方向為風力發(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，風力發(fā)電機故障診斷與可靠性，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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(30915011324)