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摘要：作为电能质量调节系统，有源电力滤波器(ActivePowerFilter，APF)以电力电子变流器为核心，采用脉宽调制(PulseWidthModulation，PWM)技术和双闭环控制策略治理谐波电流和补偿无功功率，有效地改善了电网的电能质量。本文针对电力有源滤波器中IGBT容易损坏的特点，提出一种低成本的基于硬件电路的开路故障诊断与容错控制方案。
关键词：电力有源滤波器；故障诊断；容错控制；研究
1、前言
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。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、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。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
3、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。
3.1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(HybridSystemDynamic,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。
式中：n1为变压器变比；uoN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。
4、容错型SAPF控制策略
4.1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。首先在电压外环产生电源电流参考幅值△Ip(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isref，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is跟踪设定的参考值isref，从而与电源电压波形一致，进而达到消除谐波的目的。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。
4.2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。
以C相故障为例，其中isaref与isbref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，isa、isb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△U=0.5(Uc1-Uc2)，在电流参考值中加入1/3△U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k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。
5、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0.1s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。
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380V，频率50Hz；阻感负载中电阻为10Ω，电感为5mH，功率为1kW，直流侧电容为2200μF；直流侧电压为1200V，IGBT的额定电压为1700V，额定电流为100A。
图3为SAPF直流侧电容C1和C2的电压UC1和UC2的实验波形，达到稳态后两电容的电压值大致相等，都约为1100V左右，且△U的幅值很小仅为2V左右，可以忽略不计，可以认为直流中点电位平衡控制较好。
如图3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。
6、结语
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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论文作者:崔晓华
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/4
标签：电流论文; 电压论文; 电源论文; 故障论文; 谐波论文; 电容论文; 中点论文; 《电力设备》2017年第14期论文;