直流微电网容错型DC-APF设计与特性分析

高晓芝，乔宇 ，曹欣，李争，孙会琴，孙鹤旭

（1.河北科技大学电气工程学院，河北 石家庄 050018；2.河北建投新能源有限公司，河北 石家庄 050051）

当直流微电网中直流母线电压存在纹波分量时，将会影响系统用电设备的安全运行[1]。直流有源滤波器（DC active power filter，DC-APF）可实现直流微网母线电压纹波的有效抑制。但在实际应用中，有源电力滤波器（active power filter，APF）开关器件长期处于高频工作状态，易发生短路、开路等故障[2]，故障的产生将导致APF无法实现预期功能。因此，APF的容错研究成为该领域的研究热点。

文献[3-4]研究了APF的容错方案并分析了容错型APF的结构和运行模式。文献[5-7]中提出了几种开路故障诊断方法，为APF的故障诊断研究提供了指导。文献[8]采用前馈控制来解决APF容错状态下直流侧两电容中点电位不平衡的问题，提高了APF补偿效果。文献[2]将故障开关器件所在桥臂连接到APF直流侧电容中点来实现容错型APF的冗余操作，分析了容错型APF的工作原理，在PI控制的基础上引入重复控制来优化APF的补偿性能。文献[9]研究了基于T型逆变器结构的容错型APF，分析APF的故障类型，并利用T型三电平逆变器的冗余特性，给出了针对水平和垂直桥臂开关器件故障的容错控制策略。文献[10]针对传统PR控制器存在的缺点，提出基于准VPI控制器的补偿电流跟踪策略，但该控制策略无法对控制器参数进行实时调整，也未考虑容错模式下电路参数发生改变时对控制器参数的影响。以上文献均对APF的容错方法展开研究，但其研究对象为交流型APF。文献[11]对几种常规的DC-APF电路结构进行了分类讨论。

综合考虑现有的交流型APF容错拓扑结构与控制方法并结合常见的直流型APF拓扑结构，本文提出了基于H桥变换器改进的容错型DCAPF拓扑结构及控制方法。仿真结果表明本文所提容错型DC-APF在器件故障发生前后均对直流母线电压纹波具有良好补偿效果。

1 容错型DC-APF拓扑结构及原理

1.1 容错型DC-APF的拓扑结构

本文所提出的容错型DC-APF拓扑结构如图1所示，容错型DC-APF由H桥开关变换器、可触发开关、双向晶闸管开关和直流侧电容组成。L1为滤波电感；T1为隔离变压器；K1，K2和K3为可触发开关，当系统正常运行，K2和K3为闭合状态，K1为容错型DC-APF的启动开关；Q1和Q2为双向晶闸管开关，当系统正常运行时，Q1和Q2为关断状态。

图1 容错型DC-APF的拓扑结构Fig.1 Topology of fault-tolerant DC-APF

本文所提出的容错型DC-APF模型与传统DC-APF模型相比，尽管器件增加，但其增加的电路元件均价格不高，其额外增加的一次性投入成本相对较低。而且从系统运行角度考虑，容错型DC-APF可在开关器件故障时，通过拓扑重构继续工作保证系统的电能质量，避免了常规DCAPF停运造成的用电设备无法正常工作问题，总体经济效益较好。

1.2 容错型DC-APF的工作原理

APF常见故障类型多为开路故障和短路故障，而短路故障在开关器件侧加快速熔断器元件时又会转换为开路故障，因此本文只针对APF的开路故障进行研究。

当容错型DC-APF的开关器件发生开路故障时，可通过故障诊断方法确定故障开关器件的所在位置，再根据故障开关器件的位置驱动对应的可触发开关和双向晶闸管开关。由于本文主要研究容错型DC-APF的拓扑结构和控制方法，针对H桥变换器的开关器件故障诊断，文献[12-13]已经做了大量研究，提出了几种简单实用的故障诊断方法，因此本文在此不做过多陈述。容错型DCAPF故障切换判断模式如图2所示，如当开关器件S1发生故障时，通过驱动控制切断开关K2，即断开开关器件S1和S2所在的故障桥臂，接通双向晶闸管开关Q1，使该故障相端点连接到直流侧电容C1和C2的中点，得到如图3a所示的容错型DC-APF的重构拓扑结构一。当开关器件S3发生故障时，通过驱动控制切断开关K3，即断开开关器件S3和S4所在的故障桥臂，接通双向晶闸管开关Q2，使该故障相端点连接到电容C1和C2的中点，得到容错型DC-APF的重构拓扑结构二，如图3b所示。

图2 容错型DC-APF故障切换判断模式Fig.2 Fault-tolerant DC-APF failover judgment mode

图3 电路重构后的容错型DC-APF拓扑结构Fig.3 Fault-tolerant DC-APF topology after circuit reconstruction

1.3 容错型DC-APF适用的开关器件故障类型

对容错型DC-APF所适用的开关器件故障状态进行分析，结果如表1所示，拓扑结构一适用于开关管S1，S2单独故障和开关管S1，S2共同故障时；拓扑结构二适用于开关管S3，S4单独故障和开关管S3，S4共同故障时；对于单开关器件故障，容错型 DC-APF 适用于开关管 S1，S2，S3和 S4单独故障；对于双开关器件故障，容错型DC-APF仅适用于同一桥臂上的两个开关器件故障。

表1 容错型DC-APF适用的开关器件故障状态Tab.1 Fault states of fault-tolerant DC-APF switching devices

容错型DC-APF拓扑结构一的工作模态如图4所示。

图4 容错型DC-APF拓扑结构一的工作模态Fig.4 The working mode of fault-tolerant DC-APF topology one

工作模态1：如图4a所示，当容错型DC-APF产生的补偿电流ip在正方向，且数值上小于纹波电流时，开关管S4导通，断开S3，二极管VD3和VD4反向截止，此时电感L1上的电流将会在正向上增加，则有：

工作模态2：如图4b所示，当容错型DC-APF产生的补偿电流ip在正方向，且在数值上大于纹波电流时，将开关管S4和S3关断，二极管VD4反向截止，VD3正向导通，电感电流经VD3续流，此时电感将储存的能量释放，电感电流将会在正方向上减小，则有：

工作模态3：如图4c所示，当容错型DC-APF产生的补偿电流ip在负方向，且在数值上小于纹波电流时，使开关管S3导通，S4关断，二极管VD3和VD4反向截止，此时电感储存能量，电感电流将会在反向上增加，则有：

工作模态4：如图4d所示，当容错型DC-APF产生的补偿电流ip在负方向，且在数值上大于纹波电流时，将开关管S4和S3关断，此时二极管VD4正向导通，电感电流经VD4续流，VD3反向截止，电感电流将会在反向上减小，则有：

通过上述分析，当补偿电流ip＞0时，容错型DC-APF处于Boost状态，电感电流在正半周期内进行增大和减小；当补偿电流ip＜0时，容错型DCAPF处于Buck状态，电感电流在负半周期内进行增大和减小；根据检测到的纹波电流，控制容错型DC-APF产生纹波补偿电流，对纹波电流分量进行抵消，从而起到抑制电压纹波的作用。由于拓扑结构二和拓扑结构一的工作模态类似，因此本文在此不做过多陈述。

2 DC-APF容错控制方法

2.1 容错型DC-APF的整体控制策略

DC-APF控制系统的完整结构图如图5所示，包括纹波电流分量的提取、直流侧补偿电容电压控制和变论域自适应模糊PI控制。

图5 控制系统完整结构图Fig.5 Complete structure diagram of the control system

1）纹波分量的提取主要由低通滤波器实现。

2）采用基于PI控制的电容均压控制策略来消除容错状态下直流侧两电容中点电位不平衡的问题。

3）由于容错型DC-APF在故障发生后进行了拓扑重构，为确保DC-APF对纹波的补偿性能，DC-APF的控制参数需要根据新形成的拓扑结构进行相应的调整。在传统模糊控制中，参考专家经验所设定模糊基本论域范围一经设定无法改变，不能及时跟随DC-APF电路特征改变而调整。因此，本文采用了变论域自适应模糊PI控制，通过伸缩因子对模糊控制的论域范围进行调整，将调整结果与输入量一起传递至变论域模糊控制器，输出比例参数和积分参数的调整系数，进一步调节PI控制器，实现对系统的有效控制。

图6所示为论域伸缩原理。设纹波电流偏差值e和偏差值变化率ec的初始论域为[-E，E]，其中α表示的是伸缩因子，其功能是对输入控制器的论域范围进行调节，调节规则为根据纹波电流偏差值e和纹波电流偏差变化率ec数值大小的变化，对论域的范围进行相应地收缩和扩展，来提高系统的控制速度和计算精度。

图6 论域伸缩原理Fig.6 Theory of domain scaling

2.2 模糊PI控制器

设定模糊PI控制输入量为e和ec，输出量为ΔKp和ΔKi，根据参考文献[14]中模糊基本论域范围方法以及相关专家经验，设定偏差e的变化区间在给定值的6%以内，偏差变化率ec变化区间在偏差范围的10%以内，取PI控制初始参数的20%作为模糊控制器输出参数的基本论域范围。本文仿真系统中直流母线电流为10 A，偏差e和偏差变化率ec的基本论域范围可根据上述规则进行计算，其结果如表2所示。

表2 模糊控制参数Tab.2 Fuzzy control parameters

采用对称、均匀分布的三角形函数作为其隶属度函数。模糊推理之后，将输出值进行去模糊化，使其变换成准确值，最后输出ΔKp，ΔKi，PI控制器的比例系数Kp和积分系数是Ki的计算公式如下：

式中：ΔKp，ΔKi为模糊控制器的输出值；Kp*，Ki*分别为PI控制器的比例系数和积分系数的初始值。

2.3 变论域自适应模糊PI控制论域调整策略

变论域的关键在于论域可以根据系统输入和输出变量的变化而进行相应调整。设输入、输出变量的基本论域分别为

式中：X（x）为输入变量的基本论域；Y（x）为输出变量的基本论域；α（x），β（x）分别为输入变量和输出变量的伸缩因子；[-E，E]和[-K，K]分别为输入变量和输出变量的初始论域；x为输入变量；E表示输入变量e和ec；K表示输出变量ΔKp和ΔKi。

本文采用基于误差分级的方法来选取伸缩因子，将纹波电流修正后的参考值与补偿电流实际值的偏差划分为五个区域，如表3所示。其中emax为偏差的最大值，取emax=ein，ein为参考输入量。根据划分的偏差区域，设置相应的伸缩因子。根据PI参数的整定原则来选取伸缩因子，比例参数的伸缩因子选取规则是与偏差的单调性一致；积分参数的伸缩因子选取规则是与偏差的单调性相反。其中，αe/αec为纹波电流偏差与偏差变化率所对应的伸缩因子，βkp为比例参数所对应的伸缩因子，βki为积分参数所对应的伸缩因子。

表3 偏差分区选取伸缩因子值Tab.3 Selection of scaling factors for deviation zones

3 仿真验证及结果分析

本文主要针对所设计的容错型DC-APF对纹波的补偿效果进行研究，在Matlab/Simulink软件中搭建了含容错型DC-APF的简化直流微电网仿真系统模型，来验证所提出的容错型DC-APF对纹波的补偿效果以及容错能力。设置交流电网电压三相不对称，使直流母线中产生纹波分量，该纹波分量主要是二倍频纹波分量[15]。双向DCAC变换器参数设置为：开关频率10 kHz，直流侧稳压电容2 000 μF；直流负荷为纯阻性，其值为20 Ω。容错性DC-APF参数：直流侧两电容总电压设置为250 V，滤波电感参数为2 mH，电容值为1 100 μF；系统的直流母线电压为200 V；模拟分布式电源功率为2 000 W。

系统从0 s开始运行，在0.3 s时启动DCAPF，使其对直流母线电压纹波进行补偿；在0.5 s时，开关管S1发生开路故障，在0.6 s时DC-APF容错控制系统切换到拓扑结构一继续运行，得到的直流母线电压波形如图7所示。可以看出，故障前DC-APF对直流母线电压纹波有良好的抑制效果；当0.5 s时，S1发生开路故障，DC-APF在重构前无法根据检测的纹波电流产生相应的补偿电流，如图7c所示；DC-APF在0.6 s时进行拓扑重构，重构后的拓扑结构对应图3中的拓扑结构一，此时可重新对直流母线电压纹波进行跟踪补偿，保证了所设计的DC-APF的容错能力。

图7 开关管S1故障下的直流母线电压、电流与补偿电流Fig.7 DC bus voltage，DC load current and compensation current under switch S1fault

为了检验容错型DC-APF对纹波的补偿效果，本文对直流母线电压波形分别进行纹波系数计算和快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）分析。首先对图8中的数据进行分析，在初始阶段母线电压纹波幅值约为8.94 V，此时DCAPF尚未启动，对应的纹波系数为4.49%；在0.3 s DC-APF开始工作，电压纹波幅值下降到1.11 V左右，对应的纹波系数为0.55%；在DC-APF发生故障后，电压纹波幅值升高到5.31 V左右，纹波系数为2.66%；在拓扑重构后，电压纹波的幅值约为1.12 V，纹波系数为0.56%。本文中直流母线电压纹波系数δU计算公式为

图8 开关管S1故障下的直流母线电压Fig.8 DC bus voltage under switch S1failure

式中：Uup为直流母线电压波峰值；Ulow为直流母线电压波谷值；Uaverage为直流母线电压平均值。

然后对容错型DC-APF启动前、故障前、故障后和重构后的直流母线电压波形进行FFT分析，其结果如图9所示。DC-APF启动前，直流母线电压纹波的总谐波畸变率（total harmonic distortion，THD）值为5.56%，DC-APF故障发生前对直流母线电压纹波进行补偿后的THD值为0.54%，DCAPF故障发生后，直流母线电压纹波的THD值为2.64%，DC-APF在容错模式下进行拓扑重构后，对直流母线电压纹波进行补偿得到的THD为0.58%。与DC-APF故障发生前相比，虽然母线电压纹波含量略微上升，但仍可说明容错型DC-APF在故障发生前后均能有效地降低纹波含量。

图9 DC-APF启动前、故障发生前、故障发生后和拓扑重构后的直流母线电压纹波分量的THD与频谱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

为了进一步验证容错型DC-APF对其它开关故障的容错能力，分别进行了开关管S1和S2同时故障、开关管S3故障时的仿真研究，如图10和图11所示。

图10 开关管S1，S2故障下容错型DC-APF直流母线电压、电流与纹波补偿电流Fig.10 DC bus voltage，DC load current and ripple compensation current of the fault-tolerant DC-APF under switch S1and S2 fault

图11 开关管S3故障下容错型DC-APF直流母线电压、电流与纹波补偿电流Fig.11 DC bus voltage，DC load current and ripple compensation current of the fault-tolerant DC-APF under switch S3fault

从图10中可以看出，当开关管S1和S2故障时，重构前DC-APF只能生成负半轴的补偿电流来补偿纹波的正半轴，无法补偿负半轴的纹波，其补偿效果很差；当DC-APF系统重构后，则可继续对纹波进行有效补偿，重构后对应图3中的拓扑结构一。开关管S1故障、开关管S2故障以及开关管S1和S2同时故障时的母线电压、电流波形类似，拓扑二所对应的开关管S3故障、S4故障以及S3和S4同时故障时的母线电压、电流也比较类似，为节省篇幅，本文只节选了开关管S3故障时的仿真图形进行分析说明。如图11所示，当开关管S3故障时，重构前DC-APF只能生成正半轴的补偿电流来补偿纹波的负半轴，无法补偿正半轴的纹波。当DC-APF容错控制系统在0.6 s进行系统重构后，则可继续实现对纹波的有效补偿，重构后对应图3中的拓扑结构二。通过以上仿真研究结果，进一步验证了本文所设计的容错型DC-APF适用于表1中所提出的6种故障类型。

为了验证本文所提方法对容错型DC-APF的控制效果，在其它参数不变的情况下，分别采用PI、模糊PI控制以及本文所提方法对容错型DCAPF进行仿真研究。在0.5 s时设置S1和S2同时发生开路故障，容错控制系统启动容错模式运行，得到的直流母线电压波形如图12所示。由图12可见，传统PI控制在容错型DC-APF拓扑重构后由于不能自动调整PI参数导致容错型DC-APF对纹波抑制效果大大降低，直流母线电压波动较大；图12b为采用模糊PI控制的容错型DC-APF直流母线电压波形图，由于模糊PI控制能够自动调整PI参数，拓扑重构后输出的补偿电流能够实时跟踪指令电流，与传统PI控制方式相比，其纹波抑制效果已经有了明显提高，超调现象也被消除。而将模糊PI控制以及本文所提方法相比，如图12b、图12c所示，由于模糊PI控制的论域范围不会跟随系统运行状态的改变而自适应地做出调整，本文所提方法直流母线电压波动最小，纹波抑制效果优于模糊PI控制。

图12 传统PI控制、模糊PI控制和变论域自适应模糊PI控制下的直流母线电压Fig.12 DC bus voltage under traditional PI control，fuzzy PI control and variable-domain adaptive fuzzy PI control

4 结论

为提高现有DC-APF的工作可靠性，本文对DC-APF的常规H桥电路进行改进，提出一种基于H桥变换器改进的容错型DC-APF拓扑结构及其控制方法。拓扑结构方面，分析了该容错型DC-APF适用的故障类型，整合了拓扑重构后的容错型DC-APF工作模态并利用非故障器件实现故障后系统重构。控制方法方面，针对容错型DC-APF故障前后因拓扑结构的改变造成控制参数也需要相应调整的问题，提出了变论域自适应模糊PI控制方法。仿真实验验证了容错型DCAPF所适用的开关器件故障类型及其在故障发生前后的工作可靠性；多种控制方法故障补偿效果综合对比也验证了所提出的变论域自适应模糊PI控制具有更好的补偿效果，具备可实时整定控制器参数的特性。