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      一種T型三電平拓?fù)銩PF故障診斷方法

      2022-03-15 00:36:34史麗萍李衡馬也繆榮新孫裔峰李昊
      關(guān)鍵詞:開路電平殘差

      史麗萍, 李衡, 馬也, 繆榮新, 孫裔峰, 李昊

      (中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 徐州 221008)

      0 引 言

      有源電力濾波器(active power filter,APF)作為新型諧波抑制裝置,具有補(bǔ)償諧波頻率范圍廣、跟蹤特性優(yōu)良、動(dòng)態(tài)特性良好、補(bǔ)償程度可控等優(yōu)點(diǎn),成為新一代電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置[1-3]。然而,其功率開關(guān)器件(如IGBT)由于長(zhǎng)時(shí)間工作在高頻、高溫和高壓狀態(tài),不免會(huì)發(fā)生短路或者開路故障。一旦故障發(fā)生,APF不但難以有效補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波分量,甚至可能成為諧波源,降低電網(wǎng)電能質(zhì)量。

      基于三電平逆變器的APF在電壓等級(jí)、諧波跟蹤性能等方面相比于傳統(tǒng)兩電平APF具有明顯的優(yōu)勢(shì),因此受到學(xué)者們的重視。但是,三電平逆變器中功率開關(guān)器件的數(shù)量往往是兩電平逆變器的兩倍,這意味著三電平APF更容易發(fā)生IGBT故障,且故障診斷難度更大。為了提高APF運(yùn)行的可靠性,在IGBT發(fā)生故障時(shí),快速準(zhǔn)確地診斷出故障管位置至關(guān)重要。IGBT一般都串聯(lián)了熔斷器,短路故障發(fā)生時(shí),保險(xiǎn)絲燒斷,短路故障便轉(zhuǎn)化為開路故障,因此對(duì)于逆變器IGBT故障的研究主要集中在開路故障上[4]。

      文獻(xiàn)[5]提出利用歸一化電流殘差作為故障診斷的依據(jù),在基于正弦脈沖寬度調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)的兩電平APF中能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)故障管的位置,但當(dāng)采用三電平拓?fù)浠蛘吒鼡Q電流控制和脈沖調(diào)制策略時(shí),該方法不再適用。文獻(xiàn)[6]提出了應(yīng)用電流矢量軌跡法檢測(cè)IGBT的開路故障,但該算法較為復(fù)雜、診斷時(shí)間較長(zhǎng)。文獻(xiàn)[7]中提出使用派克(Park)電流矢量法進(jìn)行故障診斷,采集一個(gè)周期的電流值計(jì)算電流平均值,作為診斷依據(jù),該方法的診斷精度依賴于閾值的選取。文獻(xiàn)[8]根據(jù)逆變器直流側(cè)負(fù)極與電網(wǎng)中性點(diǎn)之間的壓差在正常工作和IGBT開路故障時(shí)的不同,來(lái)對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行診斷。文獻(xiàn)[9]提出了開關(guān)邏輯法,通過(guò)開關(guān)信號(hào)和上下管電壓在開路故障和正常運(yùn)行時(shí)邏輯的不同來(lái)判斷是否發(fā)生了故障。以上研究都是基于傳統(tǒng)兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在面對(duì)I型三電平拓?fù)鋾r(shí),則無(wú)法區(qū)分同一橋臂中上下兩個(gè)IGBT中哪一個(gè)是故障管;面對(duì)T型三電平時(shí),則無(wú)法區(qū)分縱向管故障還是橫向管故障。文獻(xiàn)[10]提出一種基于T型三電平拓?fù)銩PF的故障診斷方法,具有很大的參考意義,但不適用于新型控制策略。文獻(xiàn)[11]提出利用直流側(cè)電容中性點(diǎn)電壓偏差來(lái)判斷故障管位置,但由于三電平逆變器均配置了中性點(diǎn)電壓平衡控制,限制了該方法的發(fā)揮。

      目前APF故障診斷的研究大多數(shù)局限于傳統(tǒng)的基于SPWM調(diào)制的控制策略,而對(duì)于其他一些新型的控制策略(如模型預(yù)測(cè)控制)卻不適用。本文將有源電力濾波器IGBT開路故障特性與模型預(yù)測(cè)控制策略(model predictive control, MPC)的特點(diǎn)相結(jié)合,提出一種基于MPC的T型三電平拓?fù)銩PF功率器件開路故障診斷方法。模型預(yù)測(cè)控制策略的一個(gè)特點(diǎn)是可以在tk時(shí)刻方便提取出[tk,tk+1]時(shí)間段這一控制周期的輸出參考電壓,通過(guò)其與逆變器實(shí)際輸出電壓進(jìn)行對(duì)比可以獲得一定的故障管信息,再通過(guò)逆變器縱向管和橫向管故障電流跟蹤特性的不同進(jìn)一步鎖定故障管的位置。

      1 T型三電平APF的開路故障分析

      基于T型逆變器的APF結(jié)構(gòu)如圖1所示,每相包含上下兩個(gè)垂直橋臂和中間一個(gè)水平橋臂。水平橋臂通過(guò)兩個(gè)反向串聯(lián)的功率器件連接直流側(cè)中點(diǎn),實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓鉗位,相比于I型逆變器,T型逆變器不僅減少了2個(gè)鉗位二極管,而且減少了導(dǎo)通回路上功率器件的數(shù)量,使功率器件功耗分布更加均衡[12-13]。

      圖1 T型三電平拓?fù)銩PF結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of APF with T-type three-level topology

      定義開關(guān)函數(shù)Sx為

      (1)

      式中x表示相序(x=a,b,c)。

      交流側(cè)各相相對(duì)于直流側(cè)中點(diǎn)O的電壓uxo可表示為

      (2)

      式中Vdc表示直流側(cè)電壓。

      交流側(cè)各相相對(duì)于電網(wǎng)中性點(diǎn)n的電壓可表示為

      uxn=uxo+uon。

      (3)

      式中uon表示直流側(cè)中點(diǎn)O和電網(wǎng)中性點(diǎn)n之間的電壓。根據(jù)三相對(duì)稱性可知

      uan+ubn+ucn=0。

      (4)

      聯(lián)立式(1)~式(4)可得

      (5)

      在不考慮支路電阻和電感的情況下,由圖1可得APF的數(shù)學(xué)模型為

      (6)

      為方便分析,定義電壓、電流殘差值為:

      (7)

      (8)

      由于T型逆變器具有三相對(duì)稱性,不妨以A相為例,對(duì)功率器件開路故障時(shí)APF的故障電壓特性和故障電流特性進(jìn)行分析,以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障開關(guān)的快速準(zhǔn)確定位功能。

      圖2為A相垂直橋臂功率器件Sa1故障時(shí)的電流流通圖。其中,實(shí)線為實(shí)際電流流通路徑,虛線為Sa1假設(shè)正常導(dǎo)通的電流流通路徑。當(dāng)ica>0且逆變器需要輸出正電平時(shí),若Sa1沒(méi)有故障,電流經(jīng)Sa1流到負(fù)載,逆變器輸出正電平,而Sa1開路故障下,電流通路變?yōu)镾a2和Da3,逆變器輸出電壓變?yōu)榱汶娖?,結(jié)合式(5)、式(7)、式(8)可得存在電壓電流殘差為:

      圖2 Sa1開路故障電流通路Fig.2 Current path when Sa1 open circuit fault

      (9)

      當(dāng)ica<0且逆變器需要輸出正電平時(shí),電流通過(guò)續(xù)流二極管Da1流通,逆變器正常輸出正電平,不再受Sa1開路故障的影響。

      圖3為A相水平橋臂功率器件Sa2故障時(shí)的電流流通圖。當(dāng)ica>0且逆變器需要輸出零電平時(shí),若Sa2沒(méi)有故障,電流經(jīng)Sa2和Da3流到負(fù)載,逆變器輸出零電平,而Sa2開路故障下,電流通路變?yōu)镈a4,逆變器輸出電壓變?yōu)樨?fù)電平,存在電壓電流殘差為:

      圖3 Sa2開路故障電流通路Fig.3 Current path when Sa2 open circuit fault

      (10)

      當(dāng)ica<0且逆變器需要輸出零電平時(shí),電流通過(guò)Da2和Sa3流通,逆變器正常輸出零電平,不再受Sa2開路故障的影響。

      由于T型逆變器上、下橋臂具有對(duì)稱性,因此Sa1、Sa2和Sa4、Sa3具有對(duì)偶的故障特性。Sa3的故障特性為:當(dāng)ica<0,且逆變器需要輸出零電平時(shí),實(shí)際電流經(jīng)上橋臂續(xù)流二極管Da1流通,輸出電壓為正電平,存在電壓電流殘差為:

      (11)

      Sa4的故障特性為:當(dāng)ica<0,且逆變器需要輸出負(fù)電平時(shí),實(shí)際電流經(jīng)Da2和Sa3流通,輸出電平為零電平,存在電壓電流殘差為:

      (12)

      圖4 模型預(yù)測(cè)控制策略的同步原理圖Fig.4 Synchronization schematic diagram of model predictive control strategy

      2 功率器件故障診斷

      通過(guò)上節(jié)對(duì)T型三電平拓?fù)銩PF開路故障特性的分析可知,每一個(gè)開關(guān)管故障都會(huì)導(dǎo)致特定的電壓、電流殘差特性。對(duì)于三電平變流器,通過(guò)單一的電流殘差或者電壓殘差往往很難快速準(zhǔn)確地鎖定故障管的位置。為解決該問(wèn)題,利用MPC控制策略每個(gè)控制周期都會(huì)給出輸出開關(guān)狀態(tài)的特點(diǎn),提出一種電壓、電流殘差法相結(jié)合的功率器件故障診斷方法。MPC控制策略的控制目標(biāo)為:在每個(gè)控制周期,控制器經(jīng)過(guò)價(jià)值尋優(yōu)算法計(jì)算出最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)組合[Sa,Sb,Sc],以供脈沖調(diào)制單元產(chǎn)生逆變器的觸發(fā)脈沖,利用MPC控制策略的這一特性,通過(guò)最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)求出其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)輸出電平(即逆變器的指令電壓)為

      (13)

      理想狀態(tài)下,逆變器輸出的實(shí)際電壓和指令電壓應(yīng)該是一致的,即電壓殘差Δux=0。但由于觸發(fā)延遲,直流側(cè)電壓波動(dòng),功率器件導(dǎo)通壓降、死區(qū)等一系列原因,再加上PWM逆變器本身開關(guān)頻率很高,導(dǎo)致即使在無(wú)功率器件故障條件下,輸出電壓也很難跟蹤到指令電壓,Δux不能保持在0附近,會(huì)有一個(gè)高幅高頻的振動(dòng)。因此必須對(duì)Δux作進(jìn)一步處理以提取出有助于鎖定故障管位置的信息。不同于功率器件開路故障,不難發(fā)現(xiàn),以上干擾都是雙向的,其在指令電壓正、負(fù)半周期所引起的電壓殘差Δux會(huì)相互抵消。因此通過(guò)下式對(duì)Δux進(jìn)行處理,表達(dá)式為

      (14)

      式中:N為一個(gè)周期內(nèi)控制器的采樣點(diǎn)數(shù);Δux(n)為第n個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)值。通過(guò)式(14)得到的電壓殘差ΔUx將不再受上述周期性擾動(dòng)的影響,在逆變器無(wú)功率器件故障條件下基本穩(wěn)定在0附近。當(dāng)出現(xiàn)功率器件開路故障時(shí),ΔUx亦滿足上節(jié)的電壓殘差特性。并且,無(wú)論縱向功率器件故障還是橫向功率器件故障,電壓殘差特性都非常明顯,不受電流跟蹤控制算法性能的影響。通過(guò)檢測(cè)是否出現(xiàn)電壓殘差,可以判定是否出現(xiàn)功率器件故障,判定式為

      (15)

      式中:λ為判據(jù)變量,λ=1表示存在功率器件開路故障,λ=0表示無(wú)故障;Hλ為觸發(fā)閾值,需通過(guò)實(shí)驗(yàn)整定得到。

      比較三相電壓殘差絕對(duì)值的大小易知,最大電壓殘差絕對(duì)值所在相即為故障相,判定式為

      (16)

      式中:α為判據(jù)變量,其值對(duì)應(yīng)故障功率器件所在相;|ΔUxmax|為|ΔUa|、|ΔUb|、|ΔUc|中的最大值。

      再通過(guò)判斷故障相電壓殘差的正負(fù),即可求得故障器件所在的橋臂(上橋臂器件為S1和S2;下橋臂器件為S3和S4)。判定式為

      (17)

      式中:β為判據(jù)變量,β=1表示上橋臂故障,β=0表示下橋臂故障;ΔUα為故障相的電壓殘差。

      綜上,電壓殘差判據(jù)可將故障功率器件位置定位到具體相的上/下橋臂。

      根據(jù)上節(jié)結(jié)論,橫向功率器件故障時(shí)的電流殘差很小,而縱向功率器件故障時(shí)的電流殘差很大,可利用此差別設(shè)計(jì)電流殘差判據(jù),進(jìn)一步鎖定故障功率器件的位置。為了抑制擾動(dòng)和負(fù)載突變對(duì)診斷準(zhǔn)確性的影響,提高系統(tǒng)的魯棒性,對(duì)三相電流殘差進(jìn)行歸一化處理,表達(dá)式為

      (18)

      式中Ia、Ib、Ic分別APF三相指令電流的有效值,其計(jì)算方法為

      (19)

      通過(guò)電流殘差,可進(jìn)一步鎖定故障管位置,判定式為

      (20)

      式中:γ為判據(jù)變量,γ=1表示縱向功率器件開路故障,γ=0表示橫向功率器件開路故障;Hγ為觸發(fā)閾值,需通過(guò)實(shí)驗(yàn)整定得到。

      根據(jù)每個(gè)功率器件開路故障時(shí)α、β、γ的對(duì)應(yīng)輸出值可以得到功率器件開路故障診斷的判定表如表1所示。

      表1 開路故障診斷判定表

      綜合以上分析可以得到電壓電流殘差法診斷流程圖如圖5所示。

      圖5 電壓電流殘差法診斷流程圖Fig.5 Diagnosis diagram of the voltage and current residual method

      3 仿真驗(yàn)證

      為驗(yàn)證基于電壓電流殘差的功率器件故障診斷方案的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性,搭建了基于MATLAB/Simulink的離線仿真模型。APF系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表2所示。

      表2 仿真模型的參數(shù)

      APF系統(tǒng)正常運(yùn)行(無(wú)功率器件故障)時(shí)的負(fù)載電流iL、補(bǔ)償電流ic、電壓殘差ΔU和電流殘差ΔI的波形如圖6所示。負(fù)載突變前,電壓殘差ΔU穩(wěn)定在±3范圍內(nèi),電流殘差ΔI穩(wěn)定在±0.1范圍內(nèi)。在0.1 s時(shí)刻突加10 Ω電阻負(fù)載,APF輸出電流發(fā)生較大變化,電壓殘差不受電流跟蹤控制策略性能影響,而電流殘差已進(jìn)行了歸一化處理,因此電壓殘差和電流殘差的突變量都遠(yuǎn)低于閾值,所以負(fù)載突變不會(huì)引起故障誤診。

      圖6 正常運(yùn)行情況下MATLAB仿真結(jié)果Fig.6 MATLAB simulation results under normal operation

      圖7為在0.13 s時(shí)刻發(fā)生縱向功率器件Sa1開路故障的仿真結(jié)果,由于經(jīng)過(guò)周期平均法處理,ΔU和ΔI需經(jīng)一個(gè)工頻周期過(guò)渡,進(jìn)入一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)過(guò)程,縱向管故障發(fā)生后的ΔU值和ΔI值都很大,仿真結(jié)果與理論分析相一致。

      圖7 Sa1開路故障情況下MATLAB仿真結(jié)果Fig.7 MATLAB simulation results under Sa1 open circuit fault

      圖8為在0.13 s時(shí)刻發(fā)生橫向功率器件Sa2開路故障的仿真結(jié)果,可見,相比縱向管故障,橫向管故障發(fā)生后的ΔU值依舊很大,而ΔI值很小,這驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。

      圖8 Sa2開路故障情況下MATLAB仿真結(jié)果Fig.8 MATLAB simulation results under Sa2 open circuit fault

      仿真結(jié)果表明,無(wú)論是縱向管開路故障還是橫向管開路故障,故障診斷程序都能夠快速準(zhǔn)確地輸出故障位置,其故障診斷時(shí)間小于15 ms。

      4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的故障診斷的有效性,構(gòu)建T型三電平拓?fù)涞腁PF實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)中通過(guò)屏蔽一路PWM脈沖信號(hào)來(lái)模擬功率器件開路故障。其中:交流側(cè)電壓有效值為60 V;交流側(cè)電感濾波電感為2 mH;逆變器直流側(cè)電壓為200 V;直流側(cè)電容為兩個(gè)完全相同1 800 μF電容串聯(lián);功率器件采用英飛凌公司的IRFP360PBF;核心控制器采用TI公司生產(chǎn)的型號(hào)為TMS320F28335的DSP芯片;其他參數(shù)和仿真參數(shù)一致。

      圖9為縱向器件Sa1開路故障時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形,功率器件Sa1在0.02 s時(shí)刻發(fā)生開路故障后,ΔU和ΔI逐漸偏離0值,且變化都很大,約12 ms后故障診斷動(dòng)作,判斷出故障管的位置。

      圖9 Sa1開路故障情況下實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveform under Sa1 open circuit fault

      圖10為橫向器件Sa2開路故障時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形,功率器件Sa2在0.02 s時(shí)刻發(fā)生開路故障后,ΔU和ΔI逐漸偏離0值,但ΔU的變化很大,而ΔI的變化很小,約10 ms后故障診斷動(dòng)作,判斷出故障管的位置。

      圖10 Sa2開路故障情況下實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveform under Sa2 open circuit fault

      5 結(jié) 論

      針對(duì)T型三電平APF中的功率器件開路故障診斷問(wèn)題,提出一種電壓殘差和電流殘差相結(jié)合的診斷方法。該方法通過(guò)電壓殘差判斷故障是否發(fā)生、故障管所在相以及故障管所在上/下橋臂;通過(guò)電流殘差判斷故障管所在縱向/橫向橋臂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于電壓、電流殘差的故障診斷方案在實(shí)時(shí)性、可靠性、魯棒性、準(zhǔn)確度上都表現(xiàn)優(yōu)越。除此之外,該故障診斷方法不僅適用于傳統(tǒng)的電流跟蹤控制策略,還適用于一些特殊的控制策略(如模型預(yù)測(cè)控制策略),適用性廣。

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