有源電力濾波器故障診斷系統的設計*

馬立新，嚴 亮，吳興鋒

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

0 引言

隨著電力電子裝置及分布式電源的廣泛應用，電力系統的電能質量問題日趨嚴重，嚴重威脅電網的安全運行和電力設備的正常使用［1］。有源電力濾波器(APF)是一種新型的諧波治理和無功補償裝置，因其動態響應速度快、補償特性好等優點，得到了國內外學者的廣泛關注［2］。

APF 運行狀況不僅決定諧波治理的效果，還關系到電力系統的安全運行，APF 逆變器中的IGBT 因長時間工作在高頻、高溫狀態，是易損壞的器件［3］。APF中使用的IGBT 較多，為了確定IGBT 準確故障位置，需要對APF 進行故障診斷。

為了提高系統的可靠性，增長APF 的安全穩定運行時間，本研究設計APF 的故障診斷系統。該系統對IGBT 及其驅動模塊進行實時故障分析，并在發生故障時進行故障報警，為APF 故障后的維修贏得時間。筆者利用該系統對APF 進行有效診斷，從而進一步保障APF 的穩定工作。

1 有源電力濾波器的工作原理

本研究主要以并聯型有源電力濾波器為研究對象，它的系統結構與工作原理如圖1 所示。

圖1 APF 結構原理圖

非線性負載的接入會向電網注入諧波電流，系統通過電流互感器CT 檢測出三相負載電流，經過諧波電流分析與計算環節，再根據諧波分量生成PWM 控制脈沖，從而將諧波電流抵消使網側電流逼近于正弦波，達到電能質量的規定水平。

2 系統硬件設計

故障診斷系統需要對IGBT 的驅動模塊以及各個IGBT 的故障進行診斷，快速確定驅動模塊和IGBT 的故障位置，為APF 的維護提供參考依據。

APF 中采用CONCEPT 公司的2SD315AI 作為IGBT 的驅動模塊，該模塊具有智能驅動、自檢和狀態反饋等功能，并將功率部分與控制部分完全隔離。該驅動模塊可產生兩路IGBT 驅動信號，同時可以對IGBT的短路、過流、欠壓進行監測，當相應通道發生故障時，對應故障輸出端SO 信號為低電平，并封鎖驅動信號。

驅動模塊故障信號調理電路如圖2 所示。將故障信號SO 轉換為芯片所要求的電平范圍，并通過LED燈指示各個驅動模塊的故障情況。APF 中使用3個驅動模塊來驅動3個IGBT 橋臂，因此，本研究設計3個故障診斷電路，實現各個驅動模塊的故障診斷。

圖2 驅動模塊故障信號調理電路

APF 中IGBT 通常表現為短路和開路故障，由于IGBT 每相橋臂中有快速熔斷器保護，發生短路故障后熔斷器會快速熔斷變為開路故障。本研究針對開路故障進行故障診斷設計。

本研究根據圖1 所示的APF 結構原理圖，用開關函數來表示APF 的運行狀態。設sa、sb、sc分別為a、b、c 三相橋臂的開關信號。sa、sb、sc為1 表示上橋臂開通下橋臂關斷;sa、sb、sc為0 表示上橋臂關斷下橋臂開通。APF 正常運行時，以A 相為例，IGBT 集電極－發射極電壓uT與開關信號關系為［4］:

式中:Udc—直流側電壓。

當IGBT 發生開路故障時，IGBT 集電極－發射極電壓將不能用式(1)來表示，因此，可以通過實際電壓與正常運行理論電壓值的誤差來確定IGBT 開路故障位置［5］。

以A 相橋臂為例，流出IGBT 的電流設為正，流入IGBT 的電流設為負［6］，A 相正常運行和上下橋臂故障時IGBT 電壓如表1 所示。

表1 正常運行和橋臂故障時IGBT 電壓

由表1 可知，在T1故障下，當A 相電流ia為正、開關信號為(10)時，A 相上下橋臂IGBT 電壓均與正常值不同［7］。與此類似，T2故障分析也能獲得各自故障的定位信息，根據此故障信息搭建的IGBT 開路故障診斷電路如圖3 所示。圖中R1、R2為分壓電阻，用于獲取IGBT 電壓;U1是TL0741 型運算放大器，用于驅動光耦U2;FT1和FT2為故障診斷電路輸出信號，經鎖存后就可記錄故障信息。由于IGBT 存在關斷和開通延時，為了避免延時造成的誤診斷，需要對控制信號sa+、sa－加延時邏輯。

通過對圖3 的分析，可以得出正常運行與T1開路故障、T2開路故障和T1、T2同時開路故障時的診斷時序圖，如圖(4～6)所示。診斷原理為:正常運行時T1、T2電壓為uT1、uT2，在T1發生開路故障時，當電流ia＞0 時，開關信號Sa+不能使T1導通，從IGBT 流出的電流只能通過T2的反向二極管續流，此時結合圖3 可知，此時運算放大器U1不能驅動光耦U2，u0輸出為高電平，u0與開關信號進行邏輯“與”運算后為‘1’，即T1的故障診斷信號FT1輸出為高電平;同理，在T2發生開路故障且電流ia＜0 時，則FT2輸出為高電平。因此無論哪個IGBT 發生開路故障，或者橋臂上下IGBT 同時發生開路，該診斷電路都能有效地識別故障IGBT 位置。

圖3 IGBT 開路故障診斷電路

圖4 正常運行與T1開路故障時序圖

圖5 正常運行與T2開路故障時序圖

圖6 正常運行與T1、T2開路故障時序圖

3 系統軟件設計

故障診斷系統軟件部分采用虛擬儀器軟件Lab-VIEW 為開發平臺來設計，LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，產生的程序是框圖的形式，可以用于快速有效地開發APF 故障診斷系統的上位機。

故障信號的采集是以TI 公司的TMS320F2812 為核心處理器的控制平臺［8］，上位機與下位機采用串口通信，最后在LabVIEW 平臺上開發出故障診斷系統的上位機［9-10］，其軟件設計流程如圖7 所示。該上位機可以實現以下功能:

(1)實時指示驅動模塊和IGBT 的運行狀態;

(2)記錄系統各狀態數據，歷史數據的調用;

(3)在故障時發出故障報警，并發出信號使下位機封鎖PWM 驅動信號。

圖7 LabVIEW 軟件設計流程

4 系統測試

為了進一步驗證開路故障設計方案的可行性，本研究運用故障診斷電路對有源電力濾波器樣機系統的運行進行了測試。在實驗中，筆者通過移去IGBT 的驅動信號來模擬IGBT 開路故障，最后DSP 通過串口將故障信號發送到LabVIEW 上位機［11-12］。當模擬T2發生故障時，該系統能指示T2故障并報警，同時發送命令給DSP 封鎖PWM 的輸出。

從診斷結果可以看出，該系統能夠對有源電力濾波器進行故障檢測并快速地診斷出IGBT 故障位置。

5 結束語

筆者設計研究了有源電力濾波器的故障診斷系統，闡述了故障診斷原理，并設計了APF 驅動模塊和IGBT的故障診斷硬件電路。通過分析IGBT 故障診斷電路的時序圖，驗證了故障診斷系統的有效性。

該系統可實現APF 的故障診斷，可以快速有效地識別IGBT 故障位置，滿足故障診斷的要求，為APF 的故障診斷提供了參考依據，具有良好的應用前景。

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