基于NCAV和電路等效替換的PWM整流器容錯控制系統

秦 偉， 馮延暉， 黃 凱，邱穎寧

(南京理工大學, 江蘇 南京 210094)

基于NCAV和電路等效替換的PWM整流器容錯控制系統

秦 偉， 馮延暉， 黃 凱，邱穎寧

(南京理工大學, 江蘇 南京 210094)

三相脈沖寬度調制(pulse width modulation, PWM)整流器因其具有可控的功率因數、網側三相電流趨于正弦、直流側電壓穩定等優點，在電機控制、風力發電并網、柔性直流輸電和微電網等領域得到廣泛應用。為了提高三相PWM整流器可靠性，文中提出了一種PWM整流器容錯控制系統，該系統結合了歸一化電流平均值(normalised current average value,NCAV)故障檢測法和基于電路等效替換的容錯方法。該控制系統在功率開關管單管開路故障情況下能夠實現故障檢測和診斷，并進行快速的容錯控制，從而減少單管開路故障對系統造成的影響，改善故障下三相電流波形，減小輸出電壓紋波，提升系統的整體性能和可靠性。通過仿真驗證了該控制系統的有效性。

整流器；開路故障；故障診斷；容錯控制

0 引言

三相電壓型脈沖寬度調制(pulse width modulation, PWM)整流器(voltage source rectifier, VSR)具有輸入電流正弦性好、單位功率因數運行、能量雙向流動、諧波含量低等特性，在電機控制、風力發電系統、柔性直流輸電領域應用廣泛。這也使得三相VSR成為了電能變換領域和電力電子技術中具有重要意義的研究對象[1,2]，其可靠性問題是當前研究的重點。為了有效地提高三相VSR的可靠性，針對功率開關管故障的變流器故障診斷技術和容錯控制技術已經成為國內外學者研究的熱點[3-6]。文獻[7]提出了一種歸一電流法，該方法能夠有效地檢測出整流器中開關管的故障，但對于系統發生故障后如何有效降低故障對系統的影響并沒有做深入研究。文獻[8]和文獻[9]提出了一種基于空間矢量脈寬調制(space vector pulse width modulation, SVPWM)信號補償來完成容錯控制的方法，實現了很好的控制效果，但該方法并沒有結合故障診斷算法，沒有完成對三相PWM整流器系統的動態故障診斷并實現容錯控制。

文中將歸一化電流平均值(normalised current average value,NCAV)故障檢測算法和基于電路等效替換的容錯算法相結合，提出一種PWM整流器容錯控制系統，通過NCAV故障檢測算法檢測并定位功率開關器件開路故障，將正常狀態下SVPWM算法切換到容錯SVPWM算法，能夠降低故障對系統的影響，有效提高三相PWM整流器可靠性。

1 NCAV故障診斷方法

NCAV在逆變器開路故障診斷領域首先得到應用[10]，該方法將三相電流平均值歸一化，通過對比診斷變量在正常狀態和故障狀態的變化，實現對功率開關管診斷以及故障開關管的定位。文獻[11,12]中通過重新設計NCAV診斷變量得到改進，通過計算改進后的附加變量，增強了方法對誤診斷的魯棒性，同時提供了多故障診斷的能力。該算法的框圖如圖1所示。

圖1 NCAV方法計算框圖Fig.1 Block diagram of the NCAV method

從三相電流in得到主要的診斷變量rn：

(1)

(2)

式中：下標n表示相位符號(包括a，b 和 c);in為三相電流平均值；|in| 為三相電流平均值的絕對值；K0為閾值門檻值，經驗上選擇額定三相電流值的5% 來作為K0。

當功率開關管發生故障時，故障相位的輸出電流所對應的變量ωn變化明顯，使得診斷變量rn同時產生相應的變化，進而完成對開關管的診斷以及故障開關管的定位。

當整流器同一個橋臂上的功率開關管同時出現故障時，對應故障相的|in|接近于0。此時，變量rn無法實現對功率開關管的診斷。為了能夠識別這一類故障，定義附加的輔助變量為：

(3)

式中：l，m，n∈{a,b,c}，l≠m≠n。

Sn中的電流值比較低的那一相就是故障開關管所處的相。由式(1)和式(3)可以得到變量rn和Sn，通過將其與閾值Kr和Ks進行比較，能夠診斷并定位故障功率開關管。

2 電路等效替換容錯算法

開關管是整流器中最易發生故障的部件[13，14]。常見的功率開關管包括功率開關管的短路故障和開路故障2部分。功率開關管發生短路故障時，可以通過控制電流反饋環對電流的限制作用降低其對系統的影響。故障時快速熔斷器的保護，可以實現故障的隔離。另外，也可以在變流器的單個橋臂上串聯2個快速熔斷器，將此類故障轉化為開路故障。功率開關管發生開路故障時，系統往往會繼續運行，如果長時間在該狀態下運行會對系統造成二次傷害。

對于三相PWM整流器來說，在整流橋中有6個開關管，出現的開路故障模式有63種，然而在工業環境中，單個開關管開路故障發生頻次最高，其他情況發生概率極低，故文中主要討論單管開路故障。

2.1 故障分析

整流電路的結構圖如圖2所示，在正常運行過程中三相交流電的相電壓在一個周期內脈動3次，線電壓在一個周期內脈動6次。將線電壓脈沖區間分為6個區域，如圖3所示。在不同的區域內對應著三相電壓不同的相位關系，且將6個電壓區間通過克拉克(Clarke)變換從三相靜止坐標系變換到兩相靜止坐標系?？梢园l現這6個區域脈動次序與電壓型整流器做SVPWM扇區計算時的旋轉方向是保持一致的。

圖2 整流電路拓撲Fig.2 Rectifier circuit topology

圖3 三相交流電的相電壓和線電壓Fig.3 Phase voltage and line voltage of three phase AC

例如，圖2中第一區域a相電壓的相角為：

(4)

可知進行Clarke變換時，相角為θ，有：

(5)

計算可得-60°<θ< 0°，圖4標明了Uα,Uβ在αβo坐標系下的基本電壓空間矢量圖的對應位置。第一區域對應圖4中的第Ⅵ扇區(扇區計算值為2)。同理，也可以推出來其他區域的對應關系。

圖4 基本空間矢量Fig.4 Basic space vector

對圖2中的第一區域進一步分析，在第一區域內，Uab的值最大，在三相負載平衡的情況下，在a,b兩相中流經的線電流值大于在c相中相電流的值。那不妨考慮一種極端情況，即c相負載開路，此時，可將電路等效為圖5所示電路。

圖5 第一區域內整流電路等效電路Fig.5 The equivalent circuit of rectifier circuit in the first area

為了防止同一個橋臂上下開關管同時導通造成短路，燒壞元器件，同一橋臂上下開關管設置了互鎖，即當上橋臂開通時，下橋臂必須斷開。當上橋臂導通時，記其狀態量為1，關斷時為0。在圖2中有8種開關管狀態，即000，001，010，100，110，101，110，111。當c相負載開路后，在第一區域內的等效電路圖5中，開關管有4種工作狀態，即00，01，10，11。等效電路在第一區域內不同開關模態下的工作情況如圖6所示。

圖6 在第一區域內不同開關模態下的工作原理Fig.6 Schematic diagram of different switching modes in the first area

從圖6中可以得出，在第一區域內，Q3和Q4主要功能是完成對電感的充電，當Q4或者Q3發生故障時，可以通過使能另一個等效開關管完成對電感的充電。當Q3或Q4開關管故障時，無法達到01狀態完成放電，此時，電感的放電過程可以通過導通10電路來完成。在硬件電路中，開關管的導通關斷有死區時間，在死區時間內，同一個橋臂的開關管同時關斷，其等效電路為10狀態所示電路，同樣也可以補償電感放電的時間。

Q1和Q6的主要功能是完成對電容放電，當Q1或Q6發生故障時，電流仍可以通過續流二極管完成放電。這樣的基于電路圖的等效替換不但能夠達到短時整流器容錯的目的，而且能夠充分應用健康開關管，但是對其他開關管的使用頻率和損耗也會成倍的增加。

2.2 容錯控制

圖3(b)中每個區域對應的等效開關以及作用元器件如表1所示。

表1 線電壓區域及等效開關和作用元件對應表Table 1 Line voltage region, equivalent switch,and corresponding components table

不失一般性，假設開關管Q1發生開路故障，由表1可知，Q1在第四區域和第五區域起作用，而它在這2個區域等效開關管分別為Q6和Q2，這2個線電壓區域對應SVPMW矢量圖中的第Ⅲ扇區和第Ⅳ扇區。在第四區域內，由表1可知，在電路中作用的矢量為V0(000)，V2(010)，V3(011)，V7(111)，對應不同開關模態下的等效電路圖，可知，整流電路在第四區域正常工作時，會在V0，V3和V7作用下完成充電過程，在V2作用下完成放電過程。當開關管Q1故障時，會影響V7作用下對直流母線電容的充電過程，不影響放電過程。在第五區域內，由表1可知，在電路中作用的矢量為V0(000)，V1(001)，V3(011)，V7(111)，對應不同開關模態下的等效電路圖，可知，整流電路在第五區域正常工作時，會在V0，V3和V7作用下完成充電過程，在V1作用下完成放電過程。當開關管Q1故障時，會影響V7作用下對直流母線電容的充電過程，不影響放電過程?？梢钥闯觯擰1開關管故障產生后主要影響矢量V7(111)，所以只需要對矢量進行補償即可。

圖8 三相PWM整流器的容錯控制系統框圖Fig.8 Block diagram of the proposed fault-tolerant control of a three-phase PWM converter

通過控制SVPWM的算法以抵消由于Q1發生開路故障引起的三相電流不平衡。在線電壓的第四區域里，通過控制開關管Q6完成對電感的兩次充電過程的，這里以線電壓的第四區域為例，在其對應的SVPWM矢量圖的第Ⅲ扇區里，控制方式可以分解為V2和V32個作用矢量以及2個零矢量V0和V7。正常的七段式作用方式為：

000—010—011—111—011—010—000

V0—V2—V3—V7—V3—V2—V0

當Q1發生開路故障，進行容錯控制之后的控制信號可以分解為V2和V3以及零矢量V0，其控制方式為：

000—010—011—000—011—010—000

V0—V2—V3—V0—V3—V2—V0

圖7給出了每個矢量的作用時間，可以清晰地對比容錯算法開始前后脈沖信號的變化。針對不同的開關管故障，通過對開關管主要的作用區域內的故障矢量進行補償，可以達到容錯的目的。在上橋臂的開關管故障中對矢量V7(111)進行補償，在下橋臂的開關管故障中對矢量V0(000)進行補償。

圖7 脈沖信號的變化Fig.7 Pulse signal changes

3 MATLAB仿真驗證

為驗證提出的整流器容錯控制系統的正確性和有效性，在Matlab中建立PWM整流器仿真模型，文獻[15-17]闡述了一種整流器的控制策略，能夠使整流器直流電壓保持穩定，保持輸出最大有功功率。最大有功功率控制系統圖如圖8所示。其設置的仿真參數即電網正序基波線電壓為470∠0°V，濾波電感Ls為1 mH，線路損耗Rs為10 Ω，直流給定電壓1300 V，直流側接100 Ω純電阻負載。通過控制IGBT的門極控制信號，來控制功率開關管發生開路故障的時間，模擬開關管Q1發生信號缺失故障。仿真時間為1.5 s，0.5 s前系統正常運行；0.5 s時，引入Q1管開路故障，1 s時加入Q1管開路故障的容錯算法。對比離線容錯控制和在線容錯控制2種狀態下電路參數的變化。

圖9為PWM整流器2種容錯控制模式下的三相電流波形圖。圖9(a)給出了離線容錯控制模式下系統網側三相電流，可見，當功率開關管Q1發生故障時三相電流發生明顯畸變，幅值增加，從而影響整個VSR整流器系統性能。圖9(b)為在線容錯控制下網側三相電流波形，可以得出，NCAV故障檢測算法能夠準確檢測并定位到故障開關管，及時切換到容錯算法下，能夠有效避免三相電流發生長時間畸變，減小開路故障對整個系統的影響。

圖9 PWM整流器三相電流波形Fig.9 The three-phase current of PWM converter

圖10為2種容錯控制系統下的整流器直流側電壓?？梢娫陔x線容錯控制時，當Q1管發生開故障時，直流電壓紋波明顯加大，容錯之后紋波減小。在線容錯控制能夠在Q1管故障時及時將正常的SVPWM算法切換到容錯控制算法，能夠減小開路故障持續時間，避免電壓紋波大幅度增加。圖11為NCAV故障診斷變量值的變化，Q1在0.5 s時發生開路故障，0.001 433 s后，NCAV診斷出Q1管發生故障并將定位信號輸送給下一級，選擇對應故障開關管的容錯程序從而完成容錯控制。驗證故障診斷算法的準確性和及時性。圖12為三相VSR系統在正常、Q1開路故障和加入Q1管開路故障容錯控制條件下的電流軌跡圓圖，正常工作狀態下，三相電流的品質接近正圓，電能品質良好；Q1管發生開路故障后，電能品質開始下降，在加入容錯控制算法后，電流軌跡圓向正常工作時的電流軌跡圓靠近。結果表明該容錯控制算法能夠改善由Q1管開路故障引起的電能品質下降。

圖10 PWM整流器直流側電壓Fig.10 DC side voltage of PWM rectifier

圖11 NCAV算法故障診斷量Fig.11 NCAV algorithm fault diagnosis variable

圖12 正常、故障和容錯的電流軌跡圓Fig.12 Normal, faulty and fault tolerant current trajectory circle

4 結論

通過MATLAB仿真驗證了文中提出的容錯控制系統的有效性與及時性，該容錯控制系統可以不改變整流器系統拓撲結構實現軟件容錯，能夠有效降低開關管開路故障給整個三相VSR系統帶來的影響。這種方法無論是在海上風電還是柔性直流輸電的惡劣環境下都能夠遠距離對整流器系統進行容錯控制，可以有效降低系統二次事故的發生，減少經濟損失。然而，故障檢測算法的響應時間還是很長，從電流圓軌跡圖可以看出，容錯算法還有很大的改善空間，需要進一步的研究。

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秦 偉

秦 偉(1994—)，男，河南永城人，碩士研究生，主要研究方向為風力發電系統變流器故障診斷及容錯控制(E-mail：qinwei986@126.com)；

馮延暉(1977—)，男，廣東廣州人，博士，副教授，主要研究方向為風力發電系統的測量與診斷技術，風電場經濟學(E-mail：yanhui.feng@njust.edu.cn)；

黃 凱(1993—)，男，山東濟南人，碩士研究生，主要研究方向為風力發電系統變流器的故障診斷(E-mail：huangkai807@njust.edu.cn)；

邱穎寧(1977—)，女，廣東廣州人，博士，副教授，主要研究方向為新能源科學與工程，風力發電機故障診斷與可靠性，光伏系統設計(E-mail：yingningi.qiu@njust.edu.cn)。

(編輯錢 悅)

Fault-tolerantControlSystemofPWMRectifierBasedonNCAVandCircuitEquivalentReplacement

QIN Wei, FENG Yanhui, HUANG Kai, QIU Yingning

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Three-phase pulse width modulation (PWM) rectifier is widely used in motor control, wind power generation, flexible HVDC and micro grid due to the controllable power factor,sinusoidal grid side three-phase current waveform,stable DC side voltage and so on.In order to improve the reliability of three-phase PWM rectifier, a PWM fault-tolerant control system based on NCAV fault detection method is proposed in this paper.The control system can implement fault-tolerant control in a short time in the case of an open circuit fault has occurred on a single power switch, reduce the impact to the system caused by the single open circuit fault.This system can effectively improve the three-phase current waveform, reduce the output voltage ripple and enhance the overall system performance and reliability when an open circuit fault has occurred on a single power switch.The usefulness of this paper is verified through simulation results.

rectifier; open-circuit fault; fault diagnosis; fault-tolerant control

TM461

A

2096-3203(2017)06-0084-06

2017-07-10；

2017-08-08

國家自然科學基金資助項目(51505225)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20131350)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(30915011324)