基于直接功率控制法的并联型有源电力滤波器故障容错方法

李国华,汪玉凤,高小朋,张 立,张林伟

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛 125105)

基于直接功率控制法的并联型有源电力滤波器故障容错方法

李国华,汪玉凤,高小朋,张 立,张林伟

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛 125105)

提出一种基于直接功率控制法的并联型有源电力滤波器(active power filter,APF)故障容错方法。通过预测APF输出电压的参考值,并利用空间矢量脉宽调制法(space vector pulse width modulation,SVPWM)控制实际输出的电压跟踪参考值,以保证APF的瞬时功率跟踪参考功率,从而实现直接功率控制。当APF主电路中的开关器件发生故障时,利用故障状态下的4个有效电压矢量合成获得参考值。矢量合成中采用一种七段式细分方式,给出了不同扇区内电压矢量的作用时序和作用时间。该方法能够保证APF在故障状态下继续稳定工作,从而显著提高其工作可靠性。仿真和实验结果证明了该方法的有效性。

有源电力滤波器;故障容错;直接功率控制;空间矢量脉宽调制法

有源电力滤波器(简称APF)是治理谐波污染、改善电能质量的一种比较理想的滤波装置[1-3],已经在400 V配网等低压领域得到了成功应用。但由于APF属于实时跟踪补偿设备,要求开关器件具有较高的工作频率,使得功率损耗和故障几率大大增加。一旦器件发生故障,将无法进行准确补偿,会对电网造成很大冲击。因此,如何提高APF的故障容错能力就很自然的摆在面前。

目前,关于APF容错方法的研究主要集中在两个方面:一是故障诊断技术[4-8],即快速准确的判断故障位置及类型;二是故障状态下电流的跟踪控制技术[8-12],即利用故障状态下的三相四开关逆变器实现对谐波电流的实时跟踪补偿。此外,大连理工大学的张晓华教授等提出用欠驱动理论阐述电能质量调节器的容错控制问题,并于2013年获批国家自然科学基金,但至今鲜有公开发表相关文献。

现有的APF容错方法基本都是采用SVPWM法,即先计算电压矢量的参考值,再利用故障状态下的4个有效电压矢量合成获得参考值,最终实现对谐波电流的跟踪补偿。文献[8]首先提出一种三相逆变器开路故障诊断方法,之后对逆变器各种故障状态进行了分析,并通过矢量合成获得参考电压;文献[9]对三相三线制有源滤波器故障容错控制的稳定性进行了论述;文献[10]通过改进坐标变换的方法,简化了三相四开关逆变器SVPWM算法的复杂性;文献[11-12]首先研究了在电网电压不平衡和短时故障时有源电力滤波器指令电流确定方法,并在此基础上提出了一种三相四开关并联型APF的SVPWM调制算法;但上述文献均未给出APF参考电压矢量的具体计算方法以及SVPWM过调制方法。虽然在交流传动领域三相四开关逆变器的控制方法有很多相对成熟的研究成果[4,13],但由于参考电压矢量的产生机理不同,所以这些方法并不能直接应用于APF中。

本文提出一种基于直接功率控制法的并联型有源电力滤波器故障容错方法。该法以直接功率控制理论为基础,通过预测控制计算出APF输出电压的参考值,并利用故障状态下的有效电压矢量合成参考值,给出了不同扇区内电压矢量的作用时序和作用时间,以及SVPWM过调制方法。使得APF的输出功率能够实时跟踪参考功率,此时电网输出功率只包括基波正序电流的有功和无功功率,从而实现谐波补偿。该法能够保证APF在故障状态下继续稳定工作,为消除故障赢得时间。

1 APF直接功率控制原理

图1是有源电力滤波器拓扑结构,图中usa,usb, usc和isa,isb,isc分别为电网输出的三相电压和电流值;ica,icb,icc和iLa,iLb,iLc分别为APF输出电流和负载电流;Ps,Qs,PL,QL,PC和QC分别为电网、负载、APF的瞬时有功功率和无功功率;PLf,QLf,PLh,QLh分别为负载的基波正序电流和谐波电流分别在基波正序电压作用下产生的有功和无功功率,参考方向均以指向负载为正方向;P∗C,Q∗C为APF输出功率参考值;L和C分别为APF输出端滤波电感和逆变器直流侧电容;V1～V6为APF逆变器中的开关器件;Udc为逆变器直流侧电压。

图1 有源电力滤波器拓扑结构Fig.1 Topology of active power filter

图1所示的APF电路,有如下功率关系

假设电网电压只含有基波正序分量,当APF输出功率满足式(3)时,电网输出功率只包括基波正序电流在基波正序电压作用下的有功和无功功率,即满足式(4)。此时,电网电流只含有负载侧的基波正序电流,达到谐波补偿的目的。

1.1 输出功率参考值计算

APF输出功率参考值的计算方法如图2所示,图中usabc,iLabc,usαβ和iLαβ分别为电网输出的电压和负载电流在三相坐标系和两相静止α-β坐标系下的对应值。低通滤波器输出为负载功率中的直流分量,即PLf和QLf;把剩余交流分量(即PLh和QLh)作为APF输出瞬时功率的参考值。为了维持APF直流侧电容电压稳定,还需要减去直流侧电容电压经PI控制后所得的有功功率增量[14]。

图2 APF输出功率参考值计算流程Fig.2 Block diagram of reference power for APF

1.2 参考电压矢量计算

如图1所示,在两相静止α-β坐标系下APF输出电压的参考值与电网电压的关系式为

其中,iCα,iCβ,u∗α,u∗β,usα和usβ分别为补偿电流、参考电压和电网电压在两相静止α-β坐标系下的值,式中忽略了其等效电阻R。将式(5)离散化可得

根据图3所示的APF输出功率关系式,假设在一个采样周期Ts内电网电压不变,可得前后两个采样周期输出功率之差

图3 APF故障容错方法原理Fig.3 Block diagram of fault-tolerance method for APF

要使APF输出功率能够在一个采样周期内实现对参考功率的准确跟踪,则要求PC(k+1)等于参考值P∗C(k+1),QC(k+1)等于Q∗C(k+1)。代入式(7)和(6)推导可得参考电压矢量[15-19]。

式中,P∗C(k+1)和Q∗C(k+1)可以采用预测控制方式获得

如图3所示,在获得电压矢量参考值以后,当逆变器未发生故障时,利用三相逆变器的8个电压矢量合成参考值,得出三相逆变器开关信号Sabc,实现谐波补偿;当故障发生时,则采用故障容错方法获得参考电压矢量,同样实现谐波补偿。图中iCabc和iCαβ分别为APF补偿电流在三相坐标系和两相静止α-β坐标系下的对应值。

2 故障状态分析

在图1所示的APF拓扑结构中,当逆变器的开关器件V1～V6未发生故障时,系统等效为三相六开关APF;当某个开关器件发生开路或短路故障时,首先通过故障诊断方法[4-8]确定故障位置,迅速切断该故障相;并将该相输出点转接至逆变器直流侧中点O处,此时原逆变器等效为三相四开关逆变器;然后,利用故障状态下的有效电压矢量合成参考电压矢量。

当逆变器发生短路故障,则与该相串联的快速熔断器会保护性熔断,此时故障等效为开路故障,所以本文只研究开路故障。图1是c相故障状态下的三相逆变器原理,此时其等效的三相四开关逆变器只有4个有效电压矢量,详见表1和图4,其中X表示故障相的开关状态。

表1 三相四开关逆变器的电压矢量Table 1 Voltage vectors of the 3-phase 4-switch inverter

3 故障容错方法

图4 故障状态下的参考电压矢量合成Fig.4 Reference voltage vector synthesis diagram in fault state

在图4所示的α-β坐标系下,首先确定参考电压矢量u∗的空间位置,并利用两个相邻的电压矢量合成参考值。矢量合成中所需的零矢量可用方向相反的两个电压矢量等效替代。并尽量选用模值较小的两个电压矢量,即U0和U3,以降低开关频率[11,20-21]。以图4(c)为例,当参考电压矢量位于扇区Ⅱ时,利用矢量U2和U3合成参考值,并加入U0,与U3一起作用获得零矢量。各矢量在一个采样周期中的作用时间计算如下:其中,T0,T2,T3分别为矢量U0,U2,U3在一个采样周期Ts内的作用总时间;TLing为零矢量作用时间(U0和U3合成零矢量);′为合成参考电压矢量u∗所需U3的作用时间,并非U3作用的总时间。为了避免单个矢量作用时间过长而引起的跟踪误差,矢量合成时采用七段式细分方式,各矢量交替作用。每个采样周期以U0开始和结束,每个开关器件在一个采样周期内只动作2次,一个采样周期内开关器件的时序如图5所示。其他扇区内矢量作用顺序和作用时间详见表2,表中表示合成参考电压矢量所需的Ui的作用时间。

图5 开关函数时序Fig.5 Time sequence of switching signals

表2 参考电压合成时序Table 2 Time sequence of reference voltage vector synthesis

当出现过调制时,仍以图4(c)第Ⅱ扇区为例,由式(12)计算出的T2和′之和大于采样周期Ts,说明此时电流跟踪误差无法在一个采样周期Ts内消除。SVPWM过调制策略如下:

其中,t2和t3分别是过调制情况下U2和U3在一个采样周期内的总作用时间。此时,u∗仅由U2和U3两个矢量合成获得。本文提出的容错方法总体思路如图3所示。

4 仿真与实验

为了验证所提方法的正确性,本文利用Matlab软件进行了仿真研究。以c相在t=0.5 s时出现开路故障为例,忽略故障诊断及主电路开关切换时间,三相逆变器瞬间等效为三相四开关逆变器,上述故障容错方法的仿真波形如图6所示。

由图6可见,该法能够保证APF在故障状态下继续工作,网侧谐波电流得到了较好的抑制。但与故障前相比补偿精度有所下降,网侧电流谐波占有率由故障前的4.76%左右升高至7.73%左右。

为进一步验证该方法,搭建了三相APF实验样机,样机参数如下:电网电压380 V,50 Hz;经三相整流桥接阻感负载10 Ω,5 mH;IGBT参数为1 700 V, 100 A;选用落木源IGBT集成驱动模块;APF输出端滤波电抗器为1 mH;直流侧电压为1 200 V;样机采用双DSP结构,利用双口RAM IDT70V24实现数据共享;系统采样频率12.8 K,在一个采样周期内电网电压基本不变。在此基础上,建立了基于三相四开关逆变器的APF实验样机,模拟c相开路故障下的运行情况,将故障前后的APF补偿效果进行对比。非故障状态和故障状态下的实验波形如图7所示。

由图7可见,故障状态下,经补偿后的网侧电流比较接近正弦,通过与负载电流对比可知,负载电流中的谐波成分得到了较好的抑制;但由于故障状态下电压矢量数量减少,切换角度增加,以及参数估计误差和系统延时等原因,造成谐波补偿并不彻底,与非故障状态下的实验波形相比,补偿精度有所降低。但是作为APF的故障容错方法,只是在故障发生时才会短期使用,不失为一种好方法。

图6 故障容错方法的仿真波形Fig.6 Simulated waveforms for fault-tolerance method

5 结 语

提出一种并联型有源电力滤波器的故障容错方法,首先通过直接功率控制理论计算出APF输出电压矢量的参考值,然后利用故障状态下的有效电压矢量合成参考值,给出了不同扇区内电压空间矢量的作用时序和作用时间,以及过调制控制方法。保证有源滤波器的输出功率跟踪参考功率,最终达到谐波补偿的目的。不可否认,该法的补偿精度不是很高,但能够保证APF在故障状态下继续稳定工作,为消除故障赢得了时间。

研究得到了国家自然科学基金项目(中压CSAPF双滞环容错控制技术的研究)的资助,谨此致谢!

图7 故障容错方法实验波形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 责任编辑:许书阁

国家自然科学基金资助项目(51307076)

李国华(1981—),男,辽宁朝阳人,讲师,博士研究生。E-mail:dkliguohua@163.com。通讯作者:汪玉凤(1962—),女,河北唐山人,教授,博士生导师。E-mail:wyf792@163.com

李国华,汪玉凤,高小朋,等.基于直接功率控制法的并联型有源电力滤波器故障容错方法[J].煤炭学报,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