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四桥臂有源电力滤波器IGBT开路故障诊断与容错控制研究

马晓伟  
【摘要】:随着各种电力电子设备在生产生活各领域的广泛使用,三相四线制配电网中谐波电流与三相不平衡等电能质量问题日渐严重,有源电力滤波器(APF)已成为配电网中谐波治理的重要手段。APF主电路中IGBT发生故障后会影响谐波治理效果,严重时还会对APF设备与配电网带来次生危害。为提高APF设备的可靠性与安全性,本文以两电平四桥臂APF为研究对象,介绍其谐波检测与电流跟踪控制方法,并着重对其IGBT开路故障诊断方法与故障后相应的容错控制策略进行研究。首先,在abc坐标系与αβγ坐标系下建立四桥臂APF的数学模型,介绍了基于准VPI控制器的电流跟踪策略,为后文中故障诊断方法的研究提供基础。接下来,给出一种基于正弦幅值积分器(SAI)的改进dq谐波检测方法。该方法采用基于SAI的正序分量提取环节与多通道解耦滤波的结构增强了dq检测方法对畸变电网条件的适应能力,同时引入滑窗积分滤波器滤除电网电压中直流分量,并引入了反馈归一化锁频环消除频率波动的影响。仿真验证了此改进dq检测方法的有效性。其次,给出一种基于参考电压的IGBT开路故障诊断方法。找出不同位置IGBT开路后参考电压在各轴直流分量的变化规律,以参考电压在各轴直流分量的变化率为诊断变量,将中性线补偿电流作为N相桥臂的辅助诊断变量,实现了对四个桥臂所有IGBT开路故障的诊断与定位,且无需外加传感器。通过仿真模拟多种典型开路故障,验证了该算法适用于单管与多管开路故障的诊断,并且不受负载突变的影响。再次,给出变流器输出电压与参考电压相结合的IGBT开路故障诊断方法。该方法通过变流器输出电压与参考电压之间的符号关系对故障IGBT进行诊断与定位,并同样使用中性线补偿电流辅助N相桥臂的诊断。此方法通过APF的离散数学模型根据电流采样值对变流器输出电压进行计算,无需外加传感器,并且无需设置诊断阈值,具有更高的可靠性。在多种典型故障下的仿真分析,验证了算法对于单管与多管故障的有效性以及对不同工况的适应性。最后,设计了针对两电平四桥臂APF的容错拓扑及其调制与控制方法。采用被动隔离技术与开关冗余结构实现了单相桥臂故障的隔离与容错。给出适用于不对称容错拓扑的3D-SVPWM调制算法,研究了容错拓扑直流侧稳压与均压控制的方法,并对控制器参数进行设计。仿真证明APF运行于不对称容错拓扑下时仍然有较好的谐波治理效果,直流侧稳压与均压控制器能够保持直流侧电压的总体稳定与上下电容电压的平衡。


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