直流微電網(wǎng)容錯型DC-APF設(shè)計與特性分析

高曉芝，喬宇 ，曹欣，李爭，孫會琴，孫鶴旭

（1.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；2.河北建投新能源有限公司，河北 石家莊 050051）

當(dāng)直流微電網(wǎng)中直流母線電壓存在紋波分量時，將會影響系統(tǒng)用電設(shè)備的安全運行[1]。直流有源濾波器（DC active power filter，DC-APF）可實現(xiàn)直流微網(wǎng)母線電壓紋波的有效抑制。但在實際應(yīng)用中，有源電力濾波器（active power filter，APF）開關(guān)器件長期處于高頻工作狀態(tài)，易發(fā)生短路、開路等故障[2]，故障的產(chǎn)生將導(dǎo)致APF無法實現(xiàn)預(yù)期功能。因此，APF的容錯研究成為該領(lǐng)域的研究熱點。

文獻(xiàn)[3-4]研究了APF的容錯方案并分析了容錯型APF的結(jié)構(gòu)和運行模式。文獻(xiàn)[5-7]中提出了幾種開路故障診斷方法，為APF的故障診斷研究提供了指導(dǎo)。文獻(xiàn)[8]采用前饋控制來解決APF容錯狀態(tài)下直流側(cè)兩電容中點電位不平衡的問題，提高了APF補償效果。文獻(xiàn)[2]將故障開關(guān)器件所在橋臂連接到APF直流側(cè)電容中點來實現(xiàn)容錯型APF的冗余操作，分析了容錯型APF的工作原理，在PI控制的基礎(chǔ)上引入重復(fù)控制來優(yōu)化APF的補償性能。文獻(xiàn)[9]研究了基于T型逆變器結(jié)構(gòu)的容錯型APF，分析APF的故障類型，并利用T型三電平逆變器的冗余特性，給出了針對水平和垂直橋臂開關(guān)器件故障的容錯控制策略。文獻(xiàn)[10]針對傳統(tǒng)PR控制器存在的缺點，提出基于準(zhǔn)VPI控制器的補償電流跟蹤策略，但該控制策略無法對控制器參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整，也未考慮容錯模式下電路參數(shù)發(fā)生改變時對控制器參數(shù)的影響。以上文獻(xiàn)均對APF的容錯方法展開研究，但其研究對象為交流型APF。文獻(xiàn)[11]對幾種常規(guī)的DC-APF電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類討論。

綜合考慮現(xiàn)有的交流型APF容錯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方法并結(jié)合常見的直流型APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文提出了基于H橋變換器改進(jìn)的容錯型DCAPF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法。仿真結(jié)果表明本文所提容錯型DC-APF在器件故障發(fā)生前后均對直流母線電壓紋波具有良好補償效果。

1 容錯型DC-APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

1.1 容錯型DC-APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所提出的容錯型DC-APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，容錯型DC-APF由H橋開關(guān)變換器、可觸發(fā)開關(guān)、雙向晶閘管開關(guān)和直流側(cè)電容組成。L1為濾波電感；T1為隔離變壓器；K1，K2和K3為可觸發(fā)開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)正常運行，K2和K3為閉合狀態(tài)，K1為容錯型DC-APF的啟動開關(guān)；Q1和Q2為雙向晶閘管開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，Q1和Q2為關(guān)斷狀態(tài)。

圖1 容錯型DC-APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of fault-tolerant DC-APF

本文所提出的容錯型DC-APF模型與傳統(tǒng)DC-APF模型相比，盡管器件增加，但其增加的電路元件均價格不高，其額外增加的一次性投入成本相對較低。而且從系統(tǒng)運行角度考慮，容錯型DC-APF可在開關(guān)器件故障時，通過拓?fù)渲貥?gòu)繼續(xù)工作保證系統(tǒng)的電能質(zhì)量，避免了常規(guī)DCAPF停運造成的用電設(shè)備無法正常工作問題，總體經(jīng)濟效益較好。

1.2 容錯型DC-APF的工作原理

APF常見故障類型多為開路故障和短路故障，而短路故障在開關(guān)器件側(cè)加快速熔斷器元件時又會轉(zhuǎn)換為開路故障，因此本文只針對APF的開路故障進(jìn)行研究。

當(dāng)容錯型DC-APF的開關(guān)器件發(fā)生開路故障時，可通過故障診斷方法確定故障開關(guān)器件的所在位置，再根據(jù)故障開關(guān)器件的位置驅(qū)動對應(yīng)的可觸發(fā)開關(guān)和雙向晶閘管開關(guān)。由于本文主要研究容錯型DC-APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，針對H橋變換器的開關(guān)器件故障診斷，文獻(xiàn)[12-13]已經(jīng)做了大量研究，提出了幾種簡單實用的故障診斷方法，因此本文在此不做過多陳述。容錯型DCAPF故障切換判斷模式如圖2所示，如當(dāng)開關(guān)器件S1發(fā)生故障時，通過驅(qū)動控制切斷開關(guān)K2，即斷開開關(guān)器件S1和S2所在的故障橋臂，接通雙向晶閘管開關(guān)Q1，使該故障相端點連接到直流側(cè)電容C1和C2的中點，得到如圖3a所示的容錯型DC-APF的重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一。當(dāng)開關(guān)器件S3發(fā)生故障時，通過驅(qū)動控制切斷開關(guān)K3，即斷開開關(guān)器件S3和S4所在的故障橋臂，接通雙向晶閘管開關(guān)Q2，使該故障相端點連接到電容C1和C2的中點，得到容錯型DC-APF的重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)二，如圖3b所示。

圖2 容錯型DC-APF故障切換判斷模式Fig.2 Fault-tolerant DC-APF failover judgment mode

圖3 電路重構(gòu)后的容錯型DC-APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Fault-tolerant DC-APF topology after circuit reconstruction

1.3 容錯型DC-APF適用的開關(guān)器件故障類型

對容錯型DC-APF所適用的開關(guān)器件故障狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一適用于開關(guān)管S1，S2單獨故障和開關(guān)管S1，S2共同故障時；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)二適用于開關(guān)管S3，S4單獨故障和開關(guān)管S3，S4共同故障時；對于單開關(guān)器件故障，容錯型 DC-APF 適用于開關(guān)管 S1，S2，S3和 S4單獨故障；對于雙開關(guān)器件故障，容錯型DC-APF僅適用于同一橋臂上的兩個開關(guān)器件故障。

表1 容錯型DC-APF適用的開關(guān)器件故障狀態(tài)Tab.1 Fault states of fault-tolerant DC-APF switching devices

容錯型DC-APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一的工作模態(tài)如圖4所示。

圖4 容錯型DC-APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一的工作模態(tài)Fig.4 The working mode of fault-tolerant DC-APF topology one

工作模態(tài)1：如圖4a所示，當(dāng)容錯型DC-APF產(chǎn)生的補償電流ip在正方向，且數(shù)值上小于紋波電流時，開關(guān)管S4導(dǎo)通，斷開S3，二極管VD3和VD4反向截止，此時電感L1上的電流將會在正向上增加，則有：

工作模態(tài)2：如圖4b所示，當(dāng)容錯型DC-APF產(chǎn)生的補償電流ip在正方向，且在數(shù)值上大于紋波電流時，將開關(guān)管S4和S3關(guān)斷，二極管VD4反向截止，VD3正向?qū)?，電感電流?jīng)VD3續(xù)流，此時電感將儲存的能量釋放，電感電流將會在正方向上減小，則有：

工作模態(tài)3：如圖4c所示，當(dāng)容錯型DC-APF產(chǎn)生的補償電流ip在負(fù)方向，且在數(shù)值上小于紋波電流時，使開關(guān)管S3導(dǎo)通，S4關(guān)斷，二極管VD3和VD4反向截止，此時電感儲存能量，電感電流將會在反向上增加，則有：

工作模態(tài)4：如圖4d所示，當(dāng)容錯型DC-APF產(chǎn)生的補償電流ip在負(fù)方向，且在數(shù)值上大于紋波電流時，將開關(guān)管S4和S3關(guān)斷，此時二極管VD4正向?qū)ǎ姼须娏鹘?jīng)VD4續(xù)流，VD3反向截止，電感電流將會在反向上減小，則有：

通過上述分析，當(dāng)補償電流ip＞0時，容錯型DC-APF處于Boost狀態(tài)，電感電流在正半周期內(nèi)進(jìn)行增大和減??；當(dāng)補償電流ip＜0時，容錯型DCAPF處于Buck狀態(tài)，電感電流在負(fù)半周期內(nèi)進(jìn)行增大和減小；根據(jù)檢測到的紋波電流，控制容錯型DC-APF產(chǎn)生紋波補償電流，對紋波電流分量進(jìn)行抵消，從而起到抑制電壓紋波的作用。由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)二和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一的工作模態(tài)類似，因此本文在此不做過多陳述。

2 DC-APF容錯控制方法

2.1 容錯型DC-APF的整體控制策略

DC-APF控制系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，包括紋波電流分量的提取、直流側(cè)補償電容電壓控制和變論域自適應(yīng)模糊PI控制。

圖5 控制系統(tǒng)完整結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Complete structure diagram of the control system

1）紋波分量的提取主要由低通濾波器實現(xiàn)。

2）采用基于PI控制的電容均壓控制策略來消除容錯狀態(tài)下直流側(cè)兩電容中點電位不平衡的問題。

3）由于容錯型DC-APF在故障發(fā)生后進(jìn)行了拓?fù)渲貥?gòu)，為確保DC-APF對紋波的補償性能，DC-APF的控制參數(shù)需要根據(jù)新形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在傳統(tǒng)模糊控制中，參考專家經(jīng)驗所設(shè)定模糊基本論域范圍一經(jīng)設(shè)定無法改變，不能及時跟隨DC-APF電路特征改變而調(diào)整。因此，本文采用了變論域自適應(yīng)模糊PI控制，通過伸縮因子對模糊控制的論域范圍進(jìn)行調(diào)整，將調(diào)整結(jié)果與輸入量一起傳遞至變論域模糊控制器，輸出比例參數(shù)和積分參數(shù)的調(diào)整系數(shù)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)PI控制器，實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制。

圖6所示為論域伸縮原理。設(shè)紋波電流偏差值e和偏差值變化率ec的初始論域為[-E，E]，其中α表示的是伸縮因子，其功能是對輸入控制器的論域范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)規(guī)則為根據(jù)紋波電流偏差值e和紋波電流偏差變化率ec數(shù)值大小的變化，對論域的范圍進(jìn)行相應(yīng)地收縮和擴展，來提高系統(tǒng)的控制速度和計算精度。

圖6 論域伸縮原理Fig.6 Theory of domain scaling

2.2 模糊PI控制器

設(shè)定模糊PI控制輸入量為e和ec，輸出量為ΔKp和ΔKi，根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]中模糊基本論域范圍方法以及相關(guān)專家經(jīng)驗，設(shè)定偏差e的變化區(qū)間在給定值的6%以內(nèi)，偏差變化率ec變化區(qū)間在偏差范圍的10%以內(nèi)，取PI控制初始參數(shù)的20%作為模糊控制器輸出參數(shù)的基本論域范圍。本文仿真系統(tǒng)中直流母線電流為10 A，偏差e和偏差變化率ec的基本論域范圍可根據(jù)上述規(guī)則進(jìn)行計算，其結(jié)果如表2所示。

表2 模糊控制參數(shù)Tab.2 Fuzzy control parameters

采用對稱、均勻分布的三角形函數(shù)作為其隸屬度函數(shù)。模糊推理之后，將輸出值進(jìn)行去模糊化，使其變換成準(zhǔn)確值，最后輸出ΔKp，ΔKi，PI控制器的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)是Ki的計算公式如下：

式中：ΔKp，ΔKi為模糊控制器的輸出值；Kp*，Ki*分別為PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)的初始值。

2.3 變論域自適應(yīng)模糊PI控制論域調(diào)整策略

變論域的關(guān)鍵在于論域可以根據(jù)系統(tǒng)輸入和輸出變量的變化而進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。設(shè)輸入、輸出變量的基本論域分別為

式中：X（x）為輸入變量的基本論域；Y（x）為輸出變量的基本論域；α（x），β（x）分別為輸入變量和輸出變量的伸縮因子；[-E，E]和[-K，K]分別為輸入變量和輸出變量的初始論域；x為輸入變量；E表示輸入變量e和ec；K表示輸出變量ΔKp和ΔKi。

本文采用基于誤差分級的方法來選取伸縮因子，將紋波電流修正后的參考值與補償電流實際值的偏差劃分為五個區(qū)域，如表3所示。其中emax為偏差的最大值，取emax=ein，ein為參考輸入量。根據(jù)劃分的偏差區(qū)域，設(shè)置相應(yīng)的伸縮因子。根據(jù)PI參數(shù)的整定原則來選取伸縮因子，比例參數(shù)的伸縮因子選取規(guī)則是與偏差的單調(diào)性一致；積分參數(shù)的伸縮因子選取規(guī)則是與偏差的單調(diào)性相反。其中，αe/αec為紋波電流偏差與偏差變化率所對應(yīng)的伸縮因子，βkp為比例參數(shù)所對應(yīng)的伸縮因子，βki為積分參數(shù)所對應(yīng)的伸縮因子。

表3 偏差分區(qū)選取伸縮因子值Tab.3 Selection of scaling factors for deviation zones

3 仿真驗證及結(jié)果分析

本文主要針對所設(shè)計的容錯型DC-APF對紋波的補償效果進(jìn)行研究，在Matlab/Simulink軟件中搭建了含容錯型DC-APF的簡化直流微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)模型，來驗證所提出的容錯型DC-APF對紋波的補償效果以及容錯能力。設(shè)置交流電網(wǎng)電壓三相不對稱，使直流母線中產(chǎn)生紋波分量，該紋波分量主要是二倍頻紋波分量[15]。雙向DCAC變換器參數(shù)設(shè)置為：開關(guān)頻率10 kHz，直流側(cè)穩(wěn)壓電容2 000 μF；直流負(fù)荷為純阻性，其值為20 Ω。容錯性DC-APF參數(shù)：直流側(cè)兩電容總電壓設(shè)置為250 V，濾波電感參數(shù)為2 mH，電容值為1 100 μF；系統(tǒng)的直流母線電壓為200 V；模擬分布式電源功率為2 000 W。

系統(tǒng)從0 s開始運行，在0.3 s時啟動DCAPF，使其對直流母線電壓紋波進(jìn)行補償；在0.5 s時，開關(guān)管S1發(fā)生開路故障，在0.6 s時DC-APF容錯控制系統(tǒng)切換到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一繼續(xù)運行，得到的直流母線電壓波形如圖7所示?？梢钥闯?，故障前DC-APF對直流母線電壓紋波有良好的抑制效果；當(dāng)0.5 s時，S1發(fā)生開路故障，DC-APF在重構(gòu)前無法根據(jù)檢測的紋波電流產(chǎn)生相應(yīng)的補償電流，如圖7c所示；DC-APF在0.6 s時進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)，重構(gòu)后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對應(yīng)圖3中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一，此時可重新對直流母線電壓紋波進(jìn)行跟蹤補償，保證了所設(shè)計的DC-APF的容錯能力。

圖7 開關(guān)管S1故障下的直流母線電壓、電流與補償電流Fig.7 DC bus voltage，DC load current and compensation current under switch S1fault

為了檢驗容錯型DC-APF對紋波的補償效果，本文對直流母線電壓波形分別進(jìn)行紋波系數(shù)計算和快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）分析。首先對圖8中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在初始階段母線電壓紋波幅值約為8.94 V，此時DCAPF尚未啟動，對應(yīng)的紋波系數(shù)為4.49%；在0.3 s DC-APF開始工作，電壓紋波幅值下降到1.11 V左右，對應(yīng)的紋波系數(shù)為0.55%；在DC-APF發(fā)生故障后，電壓紋波幅值升高到5.31 V左右，紋波系數(shù)為2.66%；在拓?fù)渲貥?gòu)后，電壓紋波的幅值約為1.12 V，紋波系數(shù)為0.56%。本文中直流母線電壓紋波系數(shù)δU計算公式為

圖8 開關(guān)管S1故障下的直流母線電壓Fig.8 DC bus voltage under switch S1failure

式中：Uup為直流母線電壓波峰值；Ulow為直流母線電壓波谷值；Uaverage為直流母線電壓平均值。

然后對容錯型DC-APF啟動前、故障前、故障后和重構(gòu)后的直流母線電壓波形進(jìn)行FFT分析，其結(jié)果如圖9所示。DC-APF啟動前，直流母線電壓紋波的總諧波畸變率（total harmonic distortion，THD）值為5.56%，DC-APF故障發(fā)生前對直流母線電壓紋波進(jìn)行補償后的THD值為0.54%，DCAPF故障發(fā)生后，直流母線電壓紋波的THD值為2.64%，DC-APF在容錯模式下進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)后，對直流母線電壓紋波進(jìn)行補償?shù)玫降腡HD為0.58%。與DC-APF故障發(fā)生前相比，雖然母線電壓紋波含量略微上升，但仍可說明容錯型DC-APF在故障發(fā)生前后均能有效地降低紋波含量。

圖9 DC-APF啟動前、故障發(fā)生前、故障發(fā)生后和拓?fù)渲貥?gòu)后的直流母線電壓紋波分量的THD與頻譜Fig.9 Before the DC-APF is started，before the fault occurs，after the fault occurs and after the topology reconstruction THD and spectrum of DC bus voltage ripple

為了進(jìn)一步驗證容錯型DC-APF對其它開關(guān)故障的容錯能力，分別進(jìn)行了開關(guān)管S1和S2同時故障、開關(guān)管S3故障時的仿真研究，如圖10和圖11所示。

圖10 開關(guān)管S1，S2故障下容錯型DC-APF直流母線電壓、電流與紋波補償電流Fig.10 DC bus voltage，DC load current and ripple compensation current of the fault-tolerant DC-APF under switch S1and S2 fault

圖11 開關(guān)管S3故障下容錯型DC-APF直流母線電壓、電流與紋波補償電流Fig.11 DC bus voltage，DC load current and ripple compensation current of the fault-tolerant DC-APF under switch S3fault

從圖10中可以看出，當(dāng)開關(guān)管S1和S2故障時，重構(gòu)前DC-APF只能生成負(fù)半軸的補償電流來補償紋波的正半軸，無法補償負(fù)半軸的紋波，其補償效果很差；當(dāng)DC-APF系統(tǒng)重構(gòu)后，則可繼續(xù)對紋波進(jìn)行有效補償，重構(gòu)后對應(yīng)圖3中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一。開關(guān)管S1故障、開關(guān)管S2故障以及開關(guān)管S1和S2同時故障時的母線電壓、電流波形類似，拓?fù)涠鶎?yīng)的開關(guān)管S3故障、S4故障以及S3和S4同時故障時的母線電壓、電流也比較類似，為節(jié)省篇幅，本文只節(jié)選了開關(guān)管S3故障時的仿真圖形進(jìn)行分析說明。如圖11所示，當(dāng)開關(guān)管S3故障時，重構(gòu)前DC-APF只能生成正半軸的補償電流來補償紋波的負(fù)半軸，無法補償正半軸的紋波。當(dāng)DC-APF容錯控制系統(tǒng)在0.6 s進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)后，則可繼續(xù)實現(xiàn)對紋波的有效補償，重構(gòu)后對應(yīng)圖3中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)二。通過以上仿真研究結(jié)果，進(jìn)一步驗證了本文所設(shè)計的容錯型DC-APF適用于表1中所提出的6種故障類型。

為了驗證本文所提方法對容錯型DC-APF的控制效果，在其它參數(shù)不變的情況下，分別采用PI、模糊PI控制以及本文所提方法對容錯型DCAPF進(jìn)行仿真研究。在0.5 s時設(shè)置S1和S2同時發(fā)生開路故障，容錯控制系統(tǒng)啟動容錯模式運行，得到的直流母線電壓波形如圖12所示。由圖12可見，傳統(tǒng)PI控制在容錯型DC-APF拓?fù)渲貥?gòu)后由于不能自動調(diào)整PI參數(shù)導(dǎo)致容錯型DC-APF對紋波抑制效果大大降低，直流母線電壓波動較大；圖12b為采用模糊PI控制的容錯型DC-APF直流母線電壓波形圖，由于模糊PI控制能夠自動調(diào)整PI參數(shù)，拓?fù)渲貥?gòu)后輸出的補償電流能夠?qū)崟r跟蹤指令電流，與傳統(tǒng)PI控制方式相比，其紋波抑制效果已經(jīng)有了明顯提高，超調(diào)現(xiàn)象也被消除。而將模糊PI控制以及本文所提方法相比，如圖12b、圖12c所示，由于模糊PI控制的論域范圍不會跟隨系統(tǒng)運行狀態(tài)的改變而自適應(yīng)地做出調(diào)整，本文所提方法直流母線電壓波動最小，紋波抑制效果優(yōu)于模糊PI控制。

圖12 傳統(tǒng)PI控制、模糊PI控制和變論域自適應(yīng)模糊PI控制下的直流母線電壓Fig.12 DC bus voltage under traditional PI control，fuzzy PI control and variable-domain adaptive fuzzy PI control

4 結(jié)論

為提高現(xiàn)有DC-APF的工作可靠性，本文對DC-APF的常規(guī)H橋電路進(jìn)行改進(jìn)，提出一種基于H橋變換器改進(jìn)的容錯型DC-APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，分析了該容錯型DC-APF適用的故障類型，整合了拓?fù)渲貥?gòu)后的容錯型DC-APF工作模態(tài)并利用非故障器件實現(xiàn)故障后系統(tǒng)重構(gòu)。控制方法方面，針對容錯型DC-APF故障前后因拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變造成控制參數(shù)也需要相應(yīng)調(diào)整的問題，提出了變論域自適應(yīng)模糊PI控制方法。仿真實驗驗證了容錯型DCAPF所適用的開關(guān)器件故障類型及其在故障發(fā)生前后的工作可靠性；多種控制方法故障補償效果綜合對比也驗證了所提出的變論域自適應(yīng)模糊PI控制具有更好的補償效果，具備可實時整定控制器參數(shù)的特性。