级联型STATCOM容错控制策略研究.pdf

第 5 0卷 第 3期 2 0 1 6年 3月 电力电子技术 P o we r E l e c t r o n ics Vo 1 5 0，No 3 Ma r ch 2 0 1 6 级联型 S T A T C O M 容错控制策略研究 杨 晓 冬 ，夏 正 龙 ，段 文 勇 ，胡 国文 ( 1 盐城工学院， 电气工程学院，江苏 盐城2 2 4 0 5 1 ) ( 2 江苏师范大学， 电气工程与 自动化学院，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ) 摘要： 以 H桥结构的级联型多 电平静止同步补偿器( S T A T C O M) 为研究对象， 介绍了在仅旁路故障功率模块情 况下的容错控制策略的实现方法。首先分析了功率模块故障对 S T A T C O M系统控制中各环节的影响 然后据此 提出了具有容错功能的相间电容电压平衡控制、 相 内电容电压平衡控制和脉宽调制( P WM) 控制。最后在 8级 联 S T A T C O M实际装置中对所提方法进行 了实验验证 ， 结果表明在功率模块故障旁路后 ， 通过容错控制策略可 有效保证输出电压的幅值和低谐波含量， 提高 S T A T C O M系统的可靠性和稳定性。 关键词： 静止同步补偿器；H桥；模块冗余；容错控制 中图分类号： T M7 1 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 1 0 0 X ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 0 7 1 0 4 Re s e a r ch o n F a u l t t o l e r a n t Co n t r o l S t r a t e g y f o r Ca s ca d e d S TATCoM YANG Xia o - d o n g ，XI A Z h e n g l o n g z ，DU AN We n y o n g ，HU Gu o we n ( 1 Y a n ch e n g I n s t i t u t e o f T e ch n o l o g y ，Y a n ch e n g 2 2 4 0 5 1 ，C h i n a ) Ab s t r a ct ： T h e f a u l t t o l e r a n t co n t r o l s t r a t e g y me t h o d is s t u d ie d f o r the H- b ri d g e ca s ca d e d mu l til e v e l s t a ti c s y n ch r o n o u s co mp e n s a t o r ( S T A T C O M)u n d e r m o d u l e f a u l t T h e in fl u e n ce s o f m o d u l e f a u l t t o e a ch p a r t o f S T A T C O M co n t r o l s y s t e m a r e a n a l y z e d T h e me tho d o f p h a s e t o p h a s e ca p a cit o r v o l t a g e b a l a n ce co n t r o l ， o n e p h a s e ca p a cit o r v o l t a g e b ala n ce co n t r o l a n d p u l s e w d it h m o d u l a t i o n ( P WM)co n t r o l w i t h f a u l t t o l e r a n t f u n ct i o n a r e t h e n i n t r o d u ce d F in al l y ， a n e ig h t ca s ca d e d mu l t i l e v e l S T AT C OM is u s e d t o t e s t t h i s me t h o d i n e x p e ri me n t T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f a u l t t o l e r a n t co n t r o l s t r a t e gy ca n e ff e ct i v e l y g u a r a n t e e the o u t p u t v o l t a g e a mp l i t u d e a n d l o w h a r mo n i c co n t e n t ， a n d imp r o v e the r e l ia b il it y a n d s t a b i l i t y o f the S T AT COM s y s t e m Ke y wo r d s： s t a t i c s y n ch r o n o u s co mp e n s a t o r ；H b ri d g e；mo d u l e r e d u n d a n cy；f a u l t t o l e r a n t co n t r o l 1 引 言 对于 H桥结构的级联 型多电平 S T A T C O M， 由 于其单个功率器件容量有限， 为实现大功率、 高电 压的输出 只能增加级联数 目， 这就会需要大量的 功率器件【 ” 。每一个功率器件都是潜在的故障点 ， 若发生故 障 ， 将 极大地影 响系统 的可 靠性 ， 因此 ， 在不停机 的情况下 ，通过相应 的故障隔离和控制 策略调整来确保系统在故障后具备一定时 间内的 稳定运行能力 将具有 十分重要 的意义 和价值【 。 目前对 于级 联 H桥 型变 流器 的容错 控制 策 略研 究按故障隔离 的措施可分为对称模块隔离 、故障 模 块隔离和开关 管隔离 3 对称模 块隔离 的容错 控制策略最为简单 但 同时也浪费 了 2个正常模 块的输出能力。开关管隔离对于故障诊断的要求 很 高 ， 且需要增加功率器件 的隔离措施 ， 一般适合 于功率器件很少的三相桥 式电压源逆变器。 定 稿 日期 ：2 0 1 5 0 7 0 2 作 者 简 介 ： 杨 晓冬 ( 1 9 8 2 一) ， 男 ， 河 北 曲阳人 ， 博 士 ， 讲 师 ， 研 究方向为 电力 电子 系统故 障诊 断与 容错 控制 。 故障模块隔离。仅封锁故障模块驱动脉冲并 将其旁路 。 目前容错控 制策略主要有 中性 点偏移 技术和空间矢量分解 法 4 。中性点偏移技术是利用 逆变器星形 点可 以浮动 的特性 ，通过调整逆变器 三相 输 出 电压 的相 位 角来 得 到三 相 平衡 的线 电 压 。 而对于 S T A T C O M 系统而 言 。 容错 的 目的是输 出稳定平衡 的相 电压 。空间矢量法适 用于 3级级 联 以下的系 统 若级联数 目过多确定合成矢量越 来越复杂 ，特别是在故 障情况下更困难。综上所 述 这里将展开基于故 障模块 隔离情 况下 的级联 型 S T A T C O M容错控制策略研 究。 2 实验 平 台 以一 台 6 k V 8级联 S T A T C O M装 置为研 究对 象。 其电路原理如图 1 所示。 采取了N + I ( N = 7 ) 方 式的模块冗余方案和仅旁路故障模块 的隔离方 案。系统正常运行时， 各功率模块降额运行， 按其 额定值 的 7 8工作 。电容 电压参考值设为 7 0 0 V。 当故障诊断系统检测到故障信号后 。立 即封锁故 障模块驱动信号并将其旁路。为保证故障相输出 71 第 5 0卷 第 3期 2 01 6年 3月 电 力 电子 技 术 P o w e r E l e e t r o n ics Vo 1 5 0 No 3 Ma r ch 2 0 1 6 基波幅值不变 ，可调整其 电容 电压 参考值恢复至 额定值 ，使此相其余 7个 非故障模 块工作在额定 容量 ， 此时 电容 电压参考值设 置为 8 0 0 V， 其余两 相保持不变 。 图 1 实验平 台总体结构 F ig 1 Ge n e r a l s t ruct u r e o f t h e e x p e r ime n t a l p l a tf o r m 3容错 控 制 策略 图 2示 出级联 型 S T A T C O M 系 统 的控制 策略 整体结构 。 垂 蓉 詈 凄 l 釜 冬 电 容 电 压 及 其 参 考 值 l!：! 盘 崔 装 置 电 流 STATCOM 装 置 l睾 饔 焉 _ J l旱 曩 E 二 二 图 2 控制 策略 总体 结构 F ig 2 Ge n e r a l s t r u ct u r e o f t h e co n t r o l s t r a t e g y 3 1模 块 故 障对 各 控 制 部 分 的影 响 3 1 1 故 障对指令 电流计算部分 的影响 指令 电流计算部分如图 3所示 。 直 直 流 系 负 图 3 指令电流计算 F i g 3 Ca l cu l a t i o n o f t h e co mma n d cu r r e n t 由图可见 ，唯一可控 的变量为直流侧 电容 电 72 压总参考值 耐，由于正常运 行时每个 电容 电压 参考值为 7 0 0 V 则 ： U = ( + 1 ) 7 0 0 3 = 1 6 8 0 0 V ( 1 ) 当某功率模块故 障后 ，故障相 的电容 电压调 整为 8 0 0 V 其余两相不变 则 ： = Nx 8 0 0 + ( + 1 ) x 7 0 0 x 2 = 1 6 8 0 0 V ( 2 ) 由上可知 不受 故障影响 ，因此故 障后 指 令 电流计算部分无 需调整 。 3 1 2 故 障对 电容 电压 平 衡 控 制 的影 响 电容 电压 的平衡控制包 括相间和相 内电容 电 压控制。 当故障发生后 ， 由于故障相 电容 电压会升 额运行 ， 相 间电容 电压平衡被 打破 ， 因此相 间 电容 电压平衡控制部分必须进行调整。 此外 ， 由于故障 相实 际运行功率模块数减少 ，故障相的相 内电容 电压平衡也需进行调整。 3 1 3 故 障 对 解耦 控 制及 L C L阻尼 控 制 的影 响 由图 2可 见 ， 控制器 的输入为指令 电流 ， 输 出 为三相参考调制波 ， 故障前后仅 需对其输入 、 输 出 的叠加控制量进行调整 而对其 内部控制算法 并 无影 响 ， 因此主控制器部分无需进行调整。 3 1 4 故 障对 P WM 控 制 的 影 响 无 论是基 于载 波方 法 中的三角载 波 数量 、 移 相角度或层叠数量还 是基 于空 间矢量法 中的基 本 矢量数量 ， 均与级联数 目有关 ， 因此 当故障发生后 ， 随着故 障相级联数减少 相应 的 P WM 控制方法也 必须进行调整 ， 以避 免增加输 出电压 的谐波含量 。 3 2具 有 容 错 功 能 的 电容 电压 平 衡 控 制 策 略 3 2 1 相 间 电容 电 压 平衡 的容 错 控 制 策略 以对控制器输 出参考调 制波信号叠加微 小 的 电流控制量 为例 ， 设 出 ， 妇， 拙， 为三相 及各 相 电容 电压平 均值 ， 对于 a相 而言 其 电容 电压偏 差 = 出 一 如， 对此偏 差进行 P I 调节 ， 输出 a相 电流指令 值 ， 为直流 量 ， 将其变 换为交流 量后 ， 进行 a b c 幽 变换 ， 叠加至指令 电流 和 即可。 故障后 由于故 障相 电容 电压期望值改变 。 相 问平衡控制环节输入不应再是 出 。对于故 障相其 输入应调整为故 障相 电容 电压平均值 即偏差 为 零 ， 不再参与相间平衡控制。对于非故 障相 ， 其输 入应为 非故障相 电容 电压平均值 ， 即非故 障相 之 间进行相 间平衡控 制。为此 引入故 障容错 功能 的平均值运算模块 和分配模块 ，具有 容错 功能的 相间电容电压平衡控制如图4所示。平均值运算 模块根据故 障信 号及各模块 电容 电压采样值 分别 计 算出三相各 自电容 电压平均值 、故障相 电容 电 压平均值 及 。分配模块根 据输入的故障信 级 联 型 S r AT C 0M 容 错 控 制 策 略 研 究 号 、 和 输 出 ， ， 作为原相 间平衡 控制的输入 。 故障 信号 F ig 4 C a p a cit o r v o l t a g e b a l a n ce co n t r o l f o r d i ff e r e n t p h a s e 正常运 行时有 ： ( ， 如 = d c b = = d c n = ( U 如+ U d 出 + U ) ， 3 ( 3 ) 若一相 ( 如 a相 ) 某一模块发生故 障并封锁脉 冲旁路以后， 则 会改变 ， 计算时应去除故障模 块的采样值， 此时： d ca = U & ff = U d ea ， = = d cn = ( 出 b + d o c) 2 ( 4 ) 若有两相发生单模块故 障时 。 如 a相 和 b相 则 ， 会发生改变， 此时： = d c b = = ( d ca + d e b ) 2 ， ： U d c n = U d c c ( 5 ) 3 2 2相 内电容 电压 平衡 的 容错 控 制 策 略 设 一 为 a相第 m个模块 的电容 电压 ， 其与 也存在偏 差 玑一= 一 一， 为达到相 内电容 电压平衡 ， 可 对此偏差进 行 P I 调节 并转变为交流 量得 到 a相第 m个模 块 的相 内补偿 电压 ， 进 而叠加至控制器输 出的 a相参考调制波得到此模 块的最终参考调制波 ， 其余模块同理。 当发生故障后 。故 障相 的电容 电压平 均值计 算应去除故障模块 为此引入带故障容错功能 的 平均值运算模块 ，具有 容错 功能的相 内电容 电压 平衡控制如图 5所示 。 ) ) W A a m 1 ccm co s ( f +2 3 ) l 图 5 相 内电容电压平衡控制 F ig 5 C a p a cit o r v o l t a g e b a l a n ce co n t r o l for o n e p h a s e 3 3具 有 容 错 功 能 的 P WM 控 制 策 略 在 此 以最 常用 的单 极倍频 载波相 移 P WM 方 法为例， 由于采用单极倍频思想， 因此相邻功率模 块三 角载波移相时 间应为 2 ( + 1 ) 1 ， 为三角 载波周期 ， N+ I 为加一级冗余的级联数。 根据采样定理 ， 每个功率模块一般 至少要在其 三角载波的波峰和波谷各采样一次，而对于 8 级 联则需在每个三角载波波峰和波谷均采样一次 ， 采样周 期 T s = T c 1 6等 于移相 的时间差 ， 为三 角 载波的周期。以a 相第 4 个功率模块发生故障为 例 ， 则故障前后 的脉冲时序 如图 6所示 。 2 3 T s 4 6 8 。 T s l l 3 Tl 佤1 o 2 T s ( a ) 故障前8 个功率模块 【 b ) 故障后8 个功率模块 图 6 脉冲时序图 F ig 6 P u l s e s e q u e n ce s d ia g r a m 由图 6可见 ， 在故障发生前 ， 相邻 2个功率模 块之间采样间隔均为 ，而第 4个模块发生故障 并旁路后 ，模块 3 ， 5之间 的采样 间隔变为 2 ， 其 余模块采样间隔不变。 由于采样间隔的不一致 。 会 致使 S T A T C O M系统输 出电压谐波含量增加 因 此必须对调制策略进行调整。使得非故障模块间 采样 间隔一致 。 由图可知 ， 调制策略 的调整可通过 改变采样周期或载波周期来实现。由于系统 中 A D转换 、指令 电流更新 、 P WM 驱动信号生成 等都 采用的是统的采样间隔，因此采样周期不能改 变 ， 只能 调 整 ， 可 调整 为 = ( + 1 一 m) ( + 1 ) ， m为故障模块数量。 4容错控 制策 略 实验验 证 故障信号 由外部旋钮模拟 当外部旋钮打至实 验位 即代表故 障发生 ， 主现场可编程 阵列 ( F P G A) 控制器 收到外 部输 入信 号后执行 容错控 制程序 ， 以 Ma l 模块 故障为例 ， 工作流程如 图 7所示。 动 过 l 主F P GA 控制器卜 。 J封 霎 嚣 黎 霉 令 J J 旁 路 命 令 1 分F P G A控制器卜 _ P WM驱动封锁 旁路用双 向晶闸管 驱动 信 号 图7 容错控制工作流程 F ig 7 Wo r k i n g fl o wch a r t o f t h e f a u l t - t o l e r a n t co n t r o l 73 蒜 第 5 0卷 第 3期 2 01 6年 3月 电 力 电子 技 术 Vo 1 5 0，No 3 P o w e r E l e ct r o n i cs Ma r ch 2 0 1 6 容错控制前后装 置输 出电压 u 如 图 8所示 ， 可 以看 出 ， 实施容错控 制 以后 ， 由 1 7电平变为 l 5电平 。 最 高电平 处持续 时间变长 。 季圆季匿 ( a ) 正 常情 况 F ( b ) 容错 控 制 下 图 8 输 出 电压 波形 F ig 8 W a v e f o r ms o f o u t p u t v o l t a g e 利用上位机软件 趋势 曲线功能绘制 容错控制 前后的 a相所有模块的电容电压波形。如图9所 示。可见， 实施容错控制以后 ， a 相非故障模块的 电容 电压 由 7 0 0 V提升至 8 0 0 V并保持稳 定 ， b， c 两相 的电容 电压不受影 响。 f s 图 9 容错控制下电容电压曲线 F i g 9 C u r v e s o f ca p a ci t o r v o l t a g e u n d e r f a u l t t o l e r a n t co n t r o l 5 结 论 这里在分析 故障对 系统各控制过程影 响 的基 础 上 ，提 出 了电容 电压平 衡 的容 错控 制 策 略和 P WM容错控制策 略 ，实现 了故障后 S T A T C O M 系 统稳定 的输 出能力 。 实验验证 了此方法的优点为 ： 仅旁路故障模块 ，可避免对称模块隔离方式下 浪费 2 个正常模块的缺点：可实现多个模块故 障下的容错控制 ； 响应速度快， 过渡过程平滑， 对电网冲击较小： 对故障诊断的要求不高， 仅需 诊断出故障模块即可 。 无 需具体 的故障器件 。 参 考 文献 1 黄剑 南方电网 2 0 0 Mv a r 静止同步补偿装置工程 实践 J 南方电网技术 ， 2 0 1 2 ， 6 ( 2 ) ： 1 4 - 2 0 2 】 We n ch a o S o n g ， A l e x Q H u a n g F a u l t t o l e r a n t D e s ig n a n d Co n t r o l S t r a t e g y f o r Ca s ca d e d H-b ri d g e Mu h il e v e l Co n - v e r t e r b a s e d S T A T C O M J I E E E T r a n s o n I n d u s t ria l E 1 一 e ct r o n i cs ， 2 0 1 0 ， 5 7 ( 8 ) ： 2 7 0 0 2 7 0 8 【 3 】 王旭 ， 臧义， 徐彬， 等 基于开关管的级联 H桥逆 变器故障处理方法 J 中国电机工程学报， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 7 ) ： 7 6 8 1 【 4 】 倪喜军， 赵剑锋 ， 曹武， 等 级联型逆变器故障状况 下的调制重构【 J 】 中国电机工程 学报 ， 2 0 1 0， 3 0 ( 3 3 ) ： 1 6-22 ( 上接第6 6页) 经逆变后输 出交流 电压波形 如 图 6 b 所示 ， 根 据逆变 器 的开关状 态 ， 线 电压 出最 大幅 值可达 ， 所 以 a b 为三 电平 0 V， 6 0 V； 中性点 相 电压 M 为 3 ， 2 3 ， 即 2 0 V， 4 0 V。 闭环实验采用三相 整流实验 ，交流侧输 入 的 电压是 由调压器将 市 电 2 2 0 V调到 5 0 V获得 的 并使用 4 m H进线 电抗器进 行滤波 。直流母 线上 并联 5 0 4 m F的 电容进行稳压 作用 。直流侧 接纯 电阻负载 ， 电阻阻值 为 1 0 n， 设 定值 为 2 0 0 V。 闭环整流实验结果如 图 6 c 所示 ， 恒定在 2 0 0 V， 交流侧 a相 电压 “ 和 a相 电流 i 基 本维 持在 同 相位 ， 变换器运行在单位功率 因数 下 ， i 正弦性很 好 ， 谐波含量很少 。 5 结 论 通用 型新 能源 电力变换控制平