有源滤波器故障诊断与容错控制改进策略的研究

汪玉凤，孟庆达，刘 涛，李国华



有源滤波器故障诊断与容错控制改进策略的研究

汪玉凤1，孟庆达1，刘 涛2，李国华1

(1.辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛125105；2.国网辽宁省电力有限公司阜新供电公司，辽宁 阜新123000)

为了能够改善并联型三相四开关有源电力滤波器的容错能力,提高滤波器的可靠性，针对SAPF(Shunt Active Power Filter, SAPF)的故障诊断策略，提出了一种能够快速反应故障类型和故障位置的混杂系统模型法。通过对系统输出电流残差演变规律的判断，识别故障源。再运用对应容错切换策略切除故障桥臂，使SAPF在容错状态下继续工作。同时，通过对SAPF补偿算法的研究，得出了更适合SAPF容错切换的电源电流跟踪补偿策略。并在此基础上添加了前馈控制来消除容错状态下直流侧分裂电容中点电位不平衡的影响，使补偿效果更好。实验和仿真验证了该方法的有效性。

有源电力滤波器；电流残差；混杂系统；电源电流跟踪补偿；前馈控制

0 引言

并联型有源电力滤波器(Shunt Active Power Filter, SAPF)是一种新型谐波抑制、无功补偿电力电子装置[1]。SAPF的核心组成部分是逆变器，但是由于开关的频率较高，且功率器件长时间工作在高温、高频状态，是易损坏的器件，一旦发生故障，SAPF整个系统都不能正常工作，严重时甚至可能导致灾难性的后果[2-3]。近几年随着逆变器的不断发展，出现了许多具有良好效果的SAPF容错控制策略，但是其中也有不足之处[4-6]：文献[4]所提出的容错策略虽然能够实现容错控制的运行，但是无法分辨是短路还是开路故障，且故障检测时间较长，实际效果不明显；文献[5]中所提出的新型故障诊断方法很实用，但是其容错控制策略中没有考虑到直流中点电位不平衡的影响，使得SAPF的补偿效果大大降低；文献[6]中容错控制策略能够达到良好的补偿效果，精度也比较高，但控制方法繁琐，矢量运算复杂，实现起来较困难。

本文提出了一种基于三相四开关的容错型并联有源滤波器[8]。其故障诊断方法是运用混杂系统模型方法，通过对系统电流状态残差特征值的检测，能够准确而快速地判断出SAPF的故障类型与故障位置，为SAPF的维护节省了时间；容错控制策略采用电压前馈控制的电源电流跟踪方法，克服了分裂电容引起直流中点电位偏移对系统的影响，改善了系统的控制精度，避免了容错切换对系统的冲击，在保证良好的补偿效果的同时，提高了系统的可靠性。

1 容错型SAPF的拓扑及原理

容错型并联有源电力滤波器，其实质主要就是将桥臂冗余用串联的分裂电容代替[9-10]。如图1所示，当SAPF的逆变器工作在正常状态时，TR1、TR2、TR3三个双向三端可控硅开关处在关断状态，快速熔断器F1、F2、F3处在闭合状态，逆变器呈三相六开关状态稳定运行。一旦检测到有一桥臂出现开路或者短路(这里假设C相桥臂出现故障)，F3快速熔断将故障桥臂隔离，使双向可控硅开关TR3导通，把故障桥臂C隔离，并且将故障相的输出直接接到直流侧分裂电容中点处，用容错的方式使SAPF在三相四开关状态下维持运行。

图1 容错型三相四开关SAPF拓扑结构

2 容错型SAPF故障诊断法

SAPF的逆变器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的最常见故障是短路和开路故障。考虑到短路的故障诊断时间很短(多以微秒为单位)，难以实时检测，因此本设计中SAPF的逆变器的每一相桥臂都植入快熔F，如果短路故障发生，快熔F迅速熔断把短路故障转化为开路故障，这样就可由熔断器的开断来确定短路故障还是开路故障了，方便系统维修。

2.1 基于HSD模型的故障诊断原理

SAPF中既包括开关信号等离散变量，也包括电流、电压等连续变量，是典型的混杂系统(Hybrid System Dynamic, HSD)，通常可以根据状态参数变化趋势特征作为故障判断的依据，其诊断原理如图2所示。

图2 HSD模型下的故障识别原理

建立SAPF连续工作情况下，包含相应状态规律和开关信息的HSD模型：

式中：和是故障事件状态矩阵与控制矩阵；是输出矩阵；为输出电流向量；为输出电压向量；为离散开关控制信息与电路工作状态的逻辑描述。其次建立状态观测器：

(2)

综上两式，由于SAPF的三相输出电压状态稳定不变，可得电流的残差方程为

若能解得电流残差得到电流残差演变规律，就可判断SAPF潜在的故障类型和故障部位。

2.2 SAPF的HSD模型

以下建立三相六开关SAPF的HSD模型，由图1和图2可得正常模式下三相六开关SAPF的连续模型为

式中：1为变压器变比；oN为电源中点与直流侧负载电位差。

由于HSD模型中，影响SAPF输出变化因素除了开关组合外，还有电路工作状态直接相关。在此引入来描述各桥臂的工作状态，以C相为例：

设图1中所标注的电流方向为正，定义状态量1~6，当值为1时表示所代表的IGBT导通，为0表示关断。则C相状况可以表示为

当c=1时

当c=0时

(7)

由此，C相输出电压可用电路状态和开关组合表示为

综合A相和B相的输出电压关系，可得三相输出电压为

(9)

将上式代入式(4)中可得

2.3 基于电流状态残差开路诊断方法

以C相故障为例，若故障后S5，将其定义为一个故障事件；则无论控制信号如何变化，1≡0，则此时故障向量为

则结合上式可得S5开关故障后电流残差方程：

(12)

同理可得S6与S5、S6共同开路的故障向量，由此可得相应输出电流残差方程。

综合上述电流残差方程，定义ν为开路特征：

根据残差方程，可以解得C相开路故障情况下SAPF的残差方程一般为

(14)

所以可以看出，SAPF在C相桥臂不同开路故障时，三相电流残差主要取决于故障特征ν，而不同的故障模式有不同的故障特征值，如表1所示。

表1 不同故障下的故障特征值

将表1代入式(14)，可得电流状态残差变换特征：

1) 若S5所在的支路开路，则C相电流状态残差均值大于0，且在101组合时满足

2) 若S6开路，则C相电流残差均小于0，且在010组合时满足。

3) 若S5和S6同时开路，则电流三相状态残差交变，但均值为零；且在101和010组合时同时满足前两种状态。

4) 其余状态下，电流三项状态残差均为零。

这样在SAPF开路故障中，就不需对每周期的全部512种可能的故障向量识别，只需对电流残差进行以上判断，即可确定故障类型，进而提高了故障检测的快速性。

3 容错型SAPF控制策略

3.1 电源电流跟踪补偿方法

传统的SAPF补偿方法把非线性负载电流补偿为基波有功电流的手段是通过谐波检测算法将谐波和无功成份分离，再控制SAPF输出相反的电流补偿，从而能够获得所需要的补偿效果。但是这种补偿方法的性能取决于谐波检测算法的功能实现，在理想模式中，检测算法能够实时准确而快速地检测出无功部分，但实际情况总存在频率响应和过渡阶段的误差，而且这种算法的实现也十分复杂，对硬件的精度也有过高的要求，所以这种跟踪补偿策略很难在现实情况下实现。

本设计采用的SAPF电源侧电量直接跟踪法，控制电源输出电流与电源电压波形一致，如图3所示。首先在电压外环产生电源电流参考幅值(用于维持直流侧母线稳定)，并通过三相软件PLL锁相环跟踪电网电压，获取电源电压同步波形，两者相乘作为SAPF电流参考sref，再将电源电流作为反馈，经闭环调节，对SAPF变换器实施PWM开关调制，使电源电流s跟踪设定的参考值sref，从而与电源电压波形一致，进而达到消除谐波的目的。

图3 电源电流SAPF跟踪补偿原理

这种跟踪补偿方法对硬件要求较少，实现更为方便简单，同时电源电流跟踪方法在容错过程中只是改变了电源电流指令，能够较为可靠地完成容错切换，避免了容错切换对系统硬件的冲击。

3.2 直流中点电位不平衡的抑制

在许多的SAPF容错控制策略中，都假设当四开关SAPF逆变器的上下分裂电容的参数是一致的。但在实际情况中，由于六开关SAPF变到四开关SAPF时，电容参数难以达到完全相同，所以会有直流中点电位偏移的现象产生；即使能够使电容参数完全匹配，但这也是保证分裂电容的电压平均值相同，而电压瞬时值还是会不能完全匹配，所以也会引起直流中点电位的瞬时偏移，从而使容错模式难以达到所需的补偿效果。

下面分析其影响来源：设分裂电容1和2流过的电流为c1和c2，由图1可以得出

简化上式可得

(16)

从上式可以发现，直流中点电位的偏移不但能够使输出电流不平衡，还可以影响三相输出交流电压的平衡。对此，本文提出电源电流直接跟踪补偿添加策略SAPF电压前馈控制，具体补偿直流中点偏移的实现方法如图4所示。

图4 直流中点偏移抑制方法

Fig. 4 DC midpoint offset suppression

以C相故障为例，其中saref与sbref分别代表电源电流的参考值，是电压外环输出幅值与电源两相电压锁相波乘积，sa、sb为电源电流反馈值，电流控制策略采用置换电流跟踪方式。具体的补偿策略由上文电容电压偏差=0.5(c1-c2)，在电流参考值中加入1/3作为前馈就可以补偿电容电压瞬时值差异，从而抑制直流中点电位偏移，这里的值约为1/6。这种方法不但可以将三相四开关SAPF的负载谐波电流侧所需的四个电流传感器降为两个，而且还能够简化计算，降低器件要求，实现方法简单。

4 仿真与实验

为了验证本文所提出的容错型SAPF的可行性，本文利用Matlab软件进行仿真验证。假设以C相在0.1 s故障发生，三相六开关SAPF逆变器通过故障诊断和容错切换，短时间切换为三相四开关SAPF逆变器，同时加入电压前馈补偿来抑制三相四开关SAPF中分裂电容的直流中点偏移，可以达到的仿真波形如图5所示。

图5 负载侧电流、网侧电流和补偿电流的仿真波形

为了能够验证该方法的实践性，搭建了容错型SAPF的实验样机，通过对C相故障模拟，来验证方法的可行性。样机电路参数如下：电网线电压380 V，频率50 Hz；阻感负载中电阻为10 Ω，电感为5 mH，功率为1 kW，直流侧电容为2 200 μF；直流侧电压为1 200 V，IGBT的额定电压为1 700 V，额定电流为100 A。

图6为SAPF直流侧电容C1和C2的电压C1和C2的实验波形，达到稳态后两电容的电压值大致相等，都约为1 100 V左右，且的幅值很小仅为2 V左右，可以忽略不计，可以认为直流中点电位平衡控制较好。

图7是故障容错策略的实验波形，其中最后两图中上为正常模式下(六开关)的实验波形，下为容错模式(四开关)下的波形。

图6 分裂电容C1和C2的电压值实验波形

图7 补偿前电流、补偿电流和补偿后电流的实验波形

如图8所示，正常模式和容错模式补偿完电网电流波形测得的FFT柱形图分别为2.69%和7.23%。由以上几个图的对比，可以得出正常模式下SAPF补偿效果更加优良，这是由于容错切换过程会引起谐波的增加，就作为容错控制技术的后备运行状态而言，三相四开关SAPF也是具有一定的参考价值的。

图8 两种状态下的THD值对比

5 结论

本文提出了一种容错型并联有源滤波器，详细阐述了拓扑切换和运行原理。该滤波器故障诊断方法可以快速判断故障位置，方便系统维修故障。结合容错拓扑切换提出的电源电流跟踪补偿策略，不但保证了补偿效果，而且易于容错切换的实现。电压前馈控制抑制了直流中点电位不平衡，使容错状态下系统补偿效果更加稳定。

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(编辑 魏小丽)

Research of improved strategy for active power filter fault diagnosis and fault tolerant control

WANG Yufeng1, MENG Qingda1, LIU Tao2, LI Guohua1

(1. Faculty of Electrical and Contr ol Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, China;2. Fuxin Power Supply Company of Liaoning Power Co., Ltd., Fuxin 123000, China)

In order to improve fault tolerance of three-phase four-switch shunt active power filter and increase the reliability of the filter, and for the troubleshooting of SAPF, this paper presents a fast response fault type and fault location by hybrid system dynamic model and identifying sources of error through its evolution of the residual of system output current. Fault-tolerant switching strategy is utilized to remove the corresponding fault arm, so SAPF under the circumstance of fault-tolerant model continues working. At the same time, this paper obtains the source current tracking compensation strategy, which is more suitable for fault-tolerant switching SAPF, through the study of SAPF compensation algorithm. Furthermore, feedforward control is added to eliminate influence of split capacitors unbalanced midpoint electrical potential of DC side under fault-tolerant state, the effect of compensation is more significant. Experiments and simulations verify the effectiveness of the method. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51307076).

active power filter; current residuals; hybrid system dynamic; source current tracking compensation; feedforward control

10.7667/PSPC151403

国家自然科学基金项目(51307076)

2015-08-11

汪玉凤(1962-)，女，教授，博士生导师，研究方向为电力系统及其自动化以及节能型电力传动技术；孟庆达(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化；E-mail: 471195431@qq.com 刘 涛(1981-)，男，工程师，从事电气自动化方面的研究。