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配电网静止同步补偿器开关器件故障诊断和容错控制研究

王珂  
【摘要】:以提高电能质量为目的,配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)作为低压配电网的电能补偿设备,具备补偿无功功率和治理三相负载不平衡的能力,近些年得到了越来越广泛的应用。DSTATCOM的核心单元一般由IGBT等可控半导体功率器件构成。随着多电平技术的发展和应用,DSTATCOM系统中的半导体数量也随着拓扑的复杂呈现增加趋势,一旦开关器件出现故障将直接影响整个DSTATCOM系统的稳定性和可靠性。因此让DSTATCOM系统具备开关器件故障诊断和容错控制功能是十分必要的。本文以基于两电平、NPC三电平以及T型三电平三种拓扑结构的三桥臂(四线制)电容中分式DSTATCOM为研究对象,对其开关器件的开路故障诊断和容错控制进行了详细深入的研究。本文呈现的主要策略在一定程度上具备通用性,即故障检测和容错控制方法也可能适用于类似拓扑的其他应用场合。首先,本文对DSTATCOM开关器件单管开路故障电流进行了详细的解析。立足于DSTATCOM内部,对基于两电平、NPC三电平以及T型三电平的三种拓扑的单管开路故障发生后的故障电流路径、三相输出点对电容中点电压的畸变规律进行了详尽地描述和对比。基于上述故障电流分析,提出了开路故障零电流现象和单管开路故障的数学模型。对两电平、NPC三电平以及T型三电平拓扑的开路故障态的数学模型进行了对比,并基于上述数学模型提出了一种基于电流变化率的故障电流定量分析方法。归纳了开路故障发生后,故障电流畸变的原因、故障电流增大或减小的规律。特别的,首次证明了DSTATCOM在感性和容性两种工况下的故障电流跌为零的原因、零电流来临的时刻以及零电流的绝对时长。其方法和结论给定量分析其他变流器系统开路故障电流提供了思路和方法,以及可能为探寻变流器开关器件开路故障策略提供了新思路。然后,本文提出了两种新颖的单管开路故障诊断方法。第一种是基于误差电压相似度的开路故障诊断方法,其原理是通过比较预测的变流器输出点的电位和真实的变流器输出点电位的误差相似度来锁定开路故障位置。提出了两种获取变流器输出点电位的方法,即电位误差解析法和回路方程法。其中电位误差解析法的作用是预测输出点电位,回路方程法的作用是求得真实的变流器输出点电位。为了减少开关频率、采样频率、死区、传感器带宽等带来的噪声影响,提出了一种基于FPGA的二阶Butterworth低通滤波器降噪策略,大大提高了故障定位精度。文中给出了滤波器的FPGA算法框架和具体实现过程。为了篇幅考虑,具体的故障检测过程只在基于NPC三电平拓扑的DSTATCOM系统上完成,其也适用于其他两种拓扑的补偿系统。此故障定位策略不需要额外的传感器;不受负载大小影响;不受负载突变的影响;适用于不平衡负载工况;响应速度不超过两个工频周期。其缺点在于需要FPGA或CPLD等具备快速运算能力的控制单元。提出的第二种故障检测方法是基于正负序和零序电压分离的开路故障诊断方法。针对T型三电平拓扑的四线制DSTATCOM系统,分析系统输出脉冲矢量失效机理,分析故障脉冲矢量在3D-SVM的α-β平面和0轴的等效偏移规律,来定位开路故障。α-β平面的偏移对应正负序电压误差的等效偏移,0轴的偏移等效零序电压误差的等效偏移。其具体实现过程首先获取三相输出点对电容中点电压表达式,并将其与控制器中参考给定电压同时进行正负序和零序电压分离。然后分别求取正负序电压误差和零序电压误差,并对应故障脉冲矢量的等效偏移来定位故障。其故障检测方法的优点在于其适用于四线制DSTATCOM不平衡负载工况。不需要额外的传感器。此定位策略也适用于NPC三电平以及两电平拓扑。然后,本文提出了一种DSTATCOM开关器件开路故障在线风险估计策略。已存在的文献大多将焦点放在开路故障发生后的措施。在系统正常运行时,如果评价潜在开路故障对DSTATCOM补偿系统的影响呢?基于此考虑,本文首次提出了一种开路故障在线风险评价机制,引入风险系数变量来量化潜在开路故障对补偿系统造成的影响,并进而提出了一种开路故障诊断优化策略,其主要利用获得的风险系数来优化故障检测决策函数,放大故障本身对决策函数的影响权重,一定程度上减弱负载突变或系统干扰对决策函数的影响权重,从而提高故障检测方法的鲁棒性和准确性,预防误诊断信号的产生。在定位单管开路故障后,本文针对开关器件开路故障提出了一种新颖的矢量容错方法。分析了文献中已存在的通过调整PWM开关矢量的容错方法不能适用于四线制系统的原因。提出了一种适用于四线制DSTATCOM的开关矢量级的开路故障容错方法。详细介绍了新型3D正交坐标系下容错脉冲组合的选择,脉冲作用时间计算方法。其次,考虑到四线制系统母线中点电位可能发生的不平衡现象,在容错策略基础上,提出一种主动控制直流上下母线平衡的控制算法。通过仿真和实验验证了所提出容错控制策略的效果。最后,为验证本文中的主要结论,分别设计了容量100kVar的基于两电平、NPC三电平以及T型三电平拓扑的电容中分式三相四线制DSTATCOM实验样机(见附录)。分别对其样机的硬件和软件实现方法进行了详细的介绍,并给出了正常工作状态下的相关实验波形。


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