容錯型并聯有源電力濾波器控制方法

李 穎，劉 濤，王日新

（1.遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院，葫蘆島 125105；2.遼寧工程技術大學基礎教學部，葫蘆島 125105）

容錯型并聯有源電力濾波器控制方法

李 穎1，劉 濤2，王日新1

（1.遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院，葫蘆島 125105；2.遼寧工程技術大學基礎教學部，葫蘆島 125105）

為提高并聯型有源電力濾波器的工作可靠性，提出了一種故障容錯方法。當并聯型有源電力濾波器中的某個電力電子器件發生故障時，利用剩余的非故障電力電子器件組成三相四開關逆變器，替代原三相六開關逆變器，可以保證其在故障狀態下能繼續工作，為消除故障贏得時間。同時還并給出故障狀態下的三相四開關逆變器電壓矢量合成方法。仿真和實驗結果證明了該容錯方法的有效性。

并聯型有源電力濾波器；故障容錯；空間矢量脈寬調制；三相四開關

Abstract:A fault-tolerant method is proposed to improve the operation reliability of shunt active power filter（SAPF）.When one power electronic device in the SAPF system is damaged，a three-phase four-switch inverter consisting of the rest normal devices will be used to replace the original three-phase six-switch inverter.In this way，the SAPF system can be guaranteed to continue work even in a fault state，which earns time for the personnel to eliminate the fault.More?over，the formation method for the voltage vectors of three-phase four-switch inverter under fault is also given.The effec?tiveness of the proposed method is demonstrated by simulation and experimental results.

Key words:shunt active power filter（SAPF）；fault-tolerance；space vector pulse width modulation（SVPWM）；threephase four-switch

并聯型有源電力濾波器SAPF（shunt active power filter）可控性強，響應速度快，是一種提高電力系統供電質量的理想濾波裝置。然而，SAPF對實時性要求非常高，因此逆變器中電力電子器件的開關頻率也比較高，電力電子器件出現開路或短路故障的幾率也會相應增大。

有源電力濾波器APF（active power filter）的容錯控制方法有利于提高裝置的工作可靠性，是目前該領域的研究熱點之一。文獻[1]針對開路故障提出了一種故障檢測和容錯控制方法；文獻[2]利用主電路元器件冗余的方法，實現了SAPF的容錯控制；文獻[3-4]分別將PI神經元控制策略以及并聯矢量比例積分電流控制器應用到三相四開關SAPF控制中，為SAPF系統實現容錯控制奠定了基礎；文獻[5]利用直接功率控制法，實現了SAPF的容錯控制，但算法比較復雜；文獻[6]提出了一種基于電壓矢量等效替代的SAPF滯環空間矢量脈寬調制SVPWM（space vector pulse width modulation）容錯控制方法，但以上參考文獻都沒有給出APF參考電壓矢量的具體計算方法以及SVPWM的過調制方法。

本文提出了一種SAPF容錯控制方法，可以實現容錯控制，并給出了故障狀態下具體的電壓矢量合成方法，該方法可以保證SAPF系統在某個電力電子器件出現故障的狀態下仍然能夠繼續穩定工作，可以為消除故障贏得時間。當故障發生時，通過主電路中剩余的非故障電力電子器件組成三相四開關逆變器，可以較好地補償負載電流中的諧波分量[7]。

1 參考電壓矢量計算

三相橋式不可控整流電路如圖1所示，整流電路直流側為阻感負載，利用SAPF對整流電路交流側三相負載電流中的諧波分量進行補償。

工作原理如圖2所示，首先利用諧波檢測算法計算負載電流中的諧波分量，作為待補償對象，得出系統參考電流值，然后利用電流/電壓轉換，將參考電流轉換為參考電壓矢量。通過故障診斷算法[1]判斷故障是否發生，當故障未發生時，采用傳統的SVPWM策略，本文不再贅述；當故障發生時，利用容錯算法實現對SAPF系統的容錯控制；最后，輸出電力電子器件的開關信號，驅動其合理通斷，最終實現容錯控制。

圖1 SAPF容錯控制系統拓撲結構Fig.1 Topology of SAPF fault-tolerant control system

圖2 SAPF故障容錯原理框Fig.2 Block diagram of SAPF fault-tolerant principle

在電流/電壓轉換環節中引入了預測控制算法，以提高系統實時性。SAPF逆變器輸出電壓矢量u?與三相電網電壓矢量u?S的關系式為

將式（1）離散化，并省略等效電阻R項，可得

式中：u*(k+1)為第k+1拍的參考電壓值；uS(k)為第k拍的電網電壓；為第k+1拍的參考電流值；iC(k)為第k拍的補償電流采樣值；TS為系統采樣周期；e(k)為當前APF輸出電流的實際采樣值與上一拍的預測值之間的誤差；emax為相鄰兩個基波周期同一采樣時刻的電流變化誤差閾值；N為采樣周期個數。

首先利用式（3）判斷系統狀態，即穩態或暫態。當式（3）不成立時系統處于穩態，第k+1拍的電流參考值，代入式（2）可得到第k+1拍的參考電壓，其中為系統在上一個基波周期的儲存值。當式（3）成立時系統處于暫態，參考電流根據第k、k-1和k-2拍的參考值和求得，即

穩態或暫態情況下的u*(k+1)為SAPF下一刻的參考電壓。

2 逆變器故障狀態與分析

如圖2所示，利用故障診斷算法[1]判斷故障是否發生。當故障未發生時，SAPF的主電路為三相六開關逆變器；當故障發生時，迅速切斷故障電力電子器件所在相的輸出端，并轉接至逆變器直流側2個電容的連接處，即圖1中虛線所示連接方式。需要說明的是，如果三相逆變器中的兩相或兩相以上均有器件發生故障，此時逆變器無法正常工作，討論容錯控制沒有意義。

當SAPF主電路中逆變器的A相、B相或C相單獨發生故障時，切換后主電路變換為三相四開關逆變器，逆變器的有效電壓矢量如圖3及表1～表3所示，其中故障相的開關狀態用x表示。

圖3 故障狀態下的有效電壓矢量關系Fig.3 Relationships of effective voltage vectors in fault state

表1 A相故障時的逆變器有效電壓矢量Tab.1 Effective voltage vectors of inverter in phase-A fault state

表2 B相故障時的逆變器有效電壓矢量Tab.2 Effective voltage vectors of inverter in phase-B fault state

表3 C相故障時的逆變器有效電壓矢量Tab.3 Effective voltage vectors of inverter in phase-C fault state

3 電壓矢量合成策略

以逆變器C相發生故障為例，可以綜合利用電壓矢量U0、U2和U3合成獲得參考電壓矢量u*。其中U2和U3為合成參考電壓矢量的主矢量，U0的作用是與U3一起合成零矢量，進而填補1個采樣周期中主矢量以外的作用時間。矢量U0、U2和U3的作用時間T0、T2和T3的計算式分別為

式中：TS為系統采樣周期；Tzero為零矢量的作用時間，即電壓矢量U0與U3各占Tzero的1/2；Ti（i=0，1，2，3）為矢量Ui的總作用時間；T′i為合成參考電壓矢量u*所需的矢量Ui的作用時間，中不包含合成零矢量所需Ui的作用時間。

有效電壓矢量在1個采樣周期內的作用順序見圖4，電壓矢量作用順序和作用時間情況詳見表4。

圖4 電壓矢量作用順序Fig.4 Acting sequence of voltage vectors

表4 電壓矢量作用順序和作用時間Tab.4 Acting sequence and acting time of voltage vectors

4 仿真與實驗研究

為了驗證該方法的正確性，本文利用Matlab軟件進行了仿真研究，以SAPF三相逆變器C相在t=0.5 s時突然發生故障為例，忽略故障診斷和主電路開關切換時間，SAPF主電路切換為三相四開關逆變器，通過應用本文的容錯方法可以使SAPF繼續工作。雖然與故障前相比，電網電流波形的畸變程度有所提高，但仍然比較接近正弦波，仿真波形如圖5所示。

圖5 負載電流、電網電流和補償電流仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of load current，grid current and compensation current

SAPF系統在負載突變時的仿真波形如圖6所示。由圖6可見，當主電路中的不可控整流電路直流側負載突然加重時，本文方法能夠快速跟蹤參考電流的變化，證明了暫態情況下該方法的正確性。

圖6 SAPF系統在負載突變時的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of SAPF system with step-changing load

為了進一步驗證該方法的正確性，搭建了SAPF系統實驗樣機，結構如圖7所示。以三相橋式不可控整流電路帶阻感負載為例，以其交流側三相電流中的諧波分量作為待補償對象，用三相四開關逆變器模擬SAPF逆變器C相發生故障的狀態，以驗證本文方法的有效性。SAPF實驗樣機中的電網線電壓為380 V，頻率為50 Hz；整流電路直流側的阻感負載為10 Ω，電感為5 mH；逆變器中的電力電子器件為絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor），電壓額定值為1 700 V，電流額定值為100 A；SAPF的濾波電抗器為2 mH；逆變器直流側總電壓設置為950 V；逆變器直流側電容為2 200 μF×2，實驗波形如圖8所示。

圖7 SAPF系統實驗樣機Fig.7 Prototype of SAPF system

由圖8可知，本文方法能夠保證SAPF在某相發生故障情況下繼續穩定運行，較好地補償負載電流中的諧波分量。

圖8 SAPF樣機實驗波形Fig.8 Experimental waveforms of SAPF prototype

5 結 論

本文提出了一種SAPF故障容錯控制方法，得出以下結論：

（1）采用預測控制方法獲得系統穩態或暫態下的參考電壓矢量；

（2）分析了SAPF系統的3種故障狀態，以及故障下的SAPF有效電壓矢量；

（3）給出了故障下的電壓矢量合成方法。

通過仿真和實驗結果驗證了本文所提SAPF故障容錯方法的有效性，提高了系統的工作可靠性。

[1]董偉杰，白曉民，朱寧輝，等（Dong Weijie，Bai Xiaomin，Zhu Ninghui，et al）.電力有源濾波器故障診斷與容錯控制研究（Research on fault diagnosis and fault tolerant control of active power filters）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2013，33（18）：65-72.

[2]譚興國，王輝，張黎，等（Tan Xingguo，Wang Hui，Zhang Li，et al）.容錯型三相四開關有源電力濾波器及其控制策略（Fault-tolerant active power filter based on threephase four-switch topology and its control strategy）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2014，38（18）：99-104，135.

[3]董偉杰，白曉民，宋曉輝，等（Dong Weijie，Bai Xiaomin，Song Xiaohui，et al）.基于PI神經元網絡的三相四開關電力有源濾波器研究（Research on 3-phase 4-switch ac?tive power filters based on PINN）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2014，34（24）：4068-4075.

[4]Quoc-Nam Trinh，Hong-Hee Lee.An advanced current control strategy for three-phase shunt active power filters [J].IEEE Trans on Industrial Electronics，2013，60（12）：5400-5410.

[5]李國華，汪玉鳳，高小朋，等（Li Guohua，Wang Yufeng，Gao Xiaopeng，et al）.基于直接功率控制法的并聯型有源電力濾波器故障容錯方法（A fault-tolerance method of shunt active power filter based on direct power control）[J].煤炭學報（Journal of China Coal Society），2014，39（12）：2544-2549.

[6]李國華，汪玉鳳，高小朋，等（Li Guohua，Wang Yufeng，Gao Xiaopeng，et al）.基于滯環SVPWM的有源電力濾波器故障容錯方法（A fault-tolerance method for hyster?ics SVPWM based active power filter）[J].電網技術（Pow?er System Technology），2014，38（5）：1317-1321．

[7]劉桂英，粟時平，謝海麗，等（Liu Guiying，Su Shiping，Xie Haili，et al）.廣義有源電力濾波器指令電流檢測的廣義諧波理論法（Generalized harmonic theory method for detection of referential current of generalized active power filter）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（11）：34-39．

Control Method for Fault-tolerant Shunt Active Power Filter

LI Ying1，LIU Tao2，WANG Rixin1
（1.Faculty of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China；2.Department of Basic Teaching，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China）

TM71

A

1003-8930（2017）09-0076-04

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.09.013

2016-01-20；

2017-05-11

國家自然科學基金資助項目（51307076）

李 穎（1981—），女，博士，講師，研究方向為電力系統及其自動化。Email：53901051@qq.com

劉 濤（1981—），男，博士，講師，研究方向為電力系統及其自動化。Email：303171362@qq.com

王日新（1991—），男，碩士研究生，研究方向為節能型電力傳動技術與應用。Email：935435718@qq.com