有源电力滤波器故障诊断系统的设计*

马立新，严 亮，吴兴锋

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

0 引言

随着电力电子装置及分布式电源的广泛应用，电力系统的电能质量问题日趋严重，严重威胁电网的安全运行和电力设备的正常使用［1］。有源电力滤波器(APF)是一种新型的谐波治理和无功补偿装置，因其动态响应速度快、补偿特性好等优点，得到了国内外学者的广泛关注［2］。

APF 运行状况不仅决定谐波治理的效果，还关系到电力系统的安全运行，APF 逆变器中的IGBT 因长时间工作在高频、高温状态，是易损坏的器件［3］。APF中使用的IGBT 较多，为了确定IGBT 准确故障位置，需要对APF 进行故障诊断。

为了提高系统的可靠性，增长APF 的安全稳定运行时间，本研究设计APF 的故障诊断系统。该系统对IGBT 及其驱动模块进行实时故障分析，并在发生故障时进行故障报警，为APF 故障后的维修赢得时间。笔者利用该系统对APF 进行有效诊断，从而进一步保障APF 的稳定工作。

1 有源电力滤波器的工作原理

本研究主要以并联型有源电力滤波器为研究对象，它的系统结构与工作原理如图1 所示。

图1 APF 结构原理图

非线性负载的接入会向电网注入谐波电流，系统通过电流互感器CT 检测出三相负载电流，经过谐波电流分析与计算环节，再根据谐波分量生成PWM 控制脉冲，从而将谐波电流抵消使网侧电流逼近于正弦波，达到电能质量的规定水平。

2 系统硬件设计

故障诊断系统需要对IGBT 的驱动模块以及各个IGBT 的故障进行诊断，快速确定驱动模块和IGBT 的故障位置，为APF 的维护提供参考依据。

APF 中采用CONCEPT 公司的2SD315AI 作为IGBT 的驱动模块，该模块具有智能驱动、自检和状态反馈等功能，并将功率部分与控制部分完全隔离。该驱动模块可产生两路IGBT 驱动信号，同时可以对IGBT的短路、过流、欠压进行监测，当相应通道发生故障时，对应故障输出端SO 信号为低电平，并封锁驱动信号。

驱动模块故障信号调理电路如图2 所示。将故障信号SO 转换为芯片所要求的电平范围，并通过LED灯指示各个驱动模块的故障情况。APF 中使用3个驱动模块来驱动3个IGBT 桥臂，因此，本研究设计3个故障诊断电路，实现各个驱动模块的故障诊断。

图2 驱动模块故障信号调理电路

APF 中IGBT 通常表现为短路和开路故障，由于IGBT 每相桥臂中有快速熔断器保护，发生短路故障后熔断器会快速熔断变为开路故障。本研究针对开路故障进行故障诊断设计。

本研究根据图1 所示的APF 结构原理图，用开关函数来表示APF 的运行状态。设sa、sb、sc分别为a、b、c 三相桥臂的开关信号。sa、sb、sc为1 表示上桥臂开通下桥臂关断;sa、sb、sc为0 表示上桥臂关断下桥臂开通。APF 正常运行时，以A 相为例，IGBT 集电极－发射极电压uT与开关信号关系为［4］:

式中:Udc—直流侧电压。

当IGBT 发生开路故障时，IGBT 集电极－发射极电压将不能用式(1)来表示，因此，可以通过实际电压与正常运行理论电压值的误差来确定IGBT 开路故障位置［5］。

以A 相桥臂为例，流出IGBT 的电流设为正，流入IGBT 的电流设为负［6］，A 相正常运行和上下桥臂故障时IGBT 电压如表1 所示。

表1 正常运行和桥臂故障时IGBT 电压

由表1 可知，在T1故障下，当A 相电流ia为正、开关信号为(10)时，A 相上下桥臂IGBT 电压均与正常值不同［7］。与此类似，T2故障分析也能获得各自故障的定位信息，根据此故障信息搭建的IGBT 开路故障诊断电路如图3 所示。图中R1、R2为分压电阻，用于获取IGBT 电压;U1是TL0741 型运算放大器，用于驱动光耦U2;FT1和FT2为故障诊断电路输出信号，经锁存后就可记录故障信息。由于IGBT 存在关断和开通延时，为了避免延时造成的误诊断，需要对控制信号sa+、sa－加延时逻辑。

通过对图3 的分析，可以得出正常运行与T1开路故障、T2开路故障和T1、T2同时开路故障时的诊断时序图，如图(4～6)所示。诊断原理为:正常运行时T1、T2电压为uT1、uT2，在T1发生开路故障时，当电流ia＞0 时，开关信号Sa+不能使T1导通，从IGBT 流出的电流只能通过T2的反向二极管续流，此时结合图3 可知，此时运算放大器U1不能驱动光耦U2，u0输出为高电平，u0与开关信号进行逻辑“与”运算后为‘1’，即T1的故障诊断信号FT1输出为高电平;同理，在T2发生开路故障且电流ia＜0 时，则FT2输出为高电平。因此无论哪个IGBT 发生开路故障，或者桥臂上下IGBT 同时发生开路，该诊断电路都能有效地识别故障IGBT 位置。

图3 IGBT 开路故障诊断电路

图4 正常运行与T1开路故障时序图

图5 正常运行与T2开路故障时序图

图6 正常运行与T1、T2开路故障时序图

3 系统软件设计

故障诊断系统软件部分采用虚拟仪器软件Lab-VIEW 为开发平台来设计，LabVIEW 是一种图形化的编程语言，产生的程序是框图的形式，可以用于快速有效地开发APF 故障诊断系统的上位机。

故障信号的采集是以TI 公司的TMS320F2812 为核心处理器的控制平台［8］，上位机与下位机采用串口通信，最后在LabVIEW 平台上开发出故障诊断系统的上位机［9-10］，其软件设计流程如图7 所示。该上位机可以实现以下功能:

(1)实时指示驱动模块和IGBT 的运行状态;

(2)记录系统各状态数据，历史数据的调用;

(3)在故障时发出故障报警，并发出信号使下位机封锁PWM 驱动信号。

图7 LabVIEW 软件设计流程

4 系统测试

为了进一步验证开路故障设计方案的可行性，本研究运用故障诊断电路对有源电力滤波器样机系统的运行进行了测试。在实验中，笔者通过移去IGBT 的驱动信号来模拟IGBT 开路故障，最后DSP 通过串口将故障信号发送到LabVIEW 上位机［11-12］。当模拟T2发生故障时，该系统能指示T2故障并报警，同时发送命令给DSP 封锁PWM 的输出。

从诊断结果可以看出，该系统能够对有源电力滤波器进行故障检测并快速地诊断出IGBT 故障位置。

5 结束语

笔者设计研究了有源电力滤波器的故障诊断系统，阐述了故障诊断原理，并设计了APF 驱动模块和IGBT的故障诊断硬件电路。通过分析IGBT 故障诊断电路的时序图，验证了故障诊断系统的有效性。

该系统可实现APF 的故障诊断，可以快速有效地识别IGBT 故障位置，满足故障诊断的要求，为APF 的故障诊断提供了参考依据，具有良好的应用前景。

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