容错型集成化控制系统（精选3篇）
容错型集成化控制系统 篇1
在水电站的日常运行中的各个方面都与闸门的开关有着息息相关的联系, 闸门的控制在水电站的运行中也是主要的工作之一, 在以前由于自动化技术水平的限制, 我国只建设了很少的水电站, 随着相关科学技术的发展, 信息化和自动化技术在工业发展中已经得到了广泛的应用, 这些技术的应用, 也大大的促进了水力发电的发展建设。目前在水电运行中基本实现了闸门控制的自动化, 在这篇文章里, 将简要介绍水电站闸门自动监控系统的集成结构及系统各层的功能, 着重分析在监控系统中容错技术的应用。在水电站中, 闸门按照功能有检修闸门、拦污栅、启闭闸门、节水闸、引水闸等, 这些闸门有着各自不同的作用, 水电站的闸门众多, 如果只是依靠人力去控制监视, 无疑是非常困难的, 现在通过自动监视系统的应用, 只需要很少的运行人员就可以维持水电站的正常运行, 极大的降低了成本, 减少了人力资源的浪费。使水电站上下位机工作更加协调, 提高了闸门的启闭效率。逐渐实现了水电站无人值守或少人值守的的发展趋势。
一监控系统的集成
在目前水电站的闸门自动控制系统中, 依照对象设计, 系统结构采用分层分布、开放式网络系统结构。一般具有典型的三层结构分别是主控层、通信层和现地层。主控层也叫做上位机管理层, 一般采用以太网等通信结构, 根据实际工作需要设置操作员站、工程师站、数据服务器、通信工作站、打印机和卫星时钟等, 形成电气系统的监控管理。通信层也叫通信管理层, 采用通信管理机、交换机等实现规约的转换和装置的通信。现地层也叫现地控制单元, 目前的现地控制单元已经具备保护、测量和控制等所有功能, 且其保护相对独立、动作可靠, 不依赖于通讯网络和上位机管理层, 能够独立的完成监控和保护的功能。
水电运行监控系统的集成, 使所有的单元都直接连接在网络上, 层次清晰、可靠性强、有很高的扩展性。在现地控制单元, 通过采用PLC (可编程计算机控制器) , 由于其功能强大、抗干扰能力强, 大大提高了系统运行的可靠性和稳定性。且其各个装置相对独立, 任何一个装置出现问题, 不会影响其他装置的运行, 提高了运行的安全性。
二闸门自动监控系统中容错技术的应用
在水电站的闸门监控运行中, 容错技术是保证监控系统安全可靠运行的有效方法, 自动监控系统容错的思想是指系统如果能够拥有自我修复和对发生故障能够容忍的能力, 系统就可以达到高可靠性的目的。这里所谓的“容忍”并不是对故障的无视, 而是在故障发生时, 系统能够主动、快速的根据故障实际情况作出反应, 在诊断出故障类型后, 采取相应的有效措施, 及时消除故障影响。容错技术体现在自动监控系统中的各个层面, 实际应用中主要有PLC系统软件容错、硬件容错、上位机软件容错、局域网容错及服务器容错等。由于系统的集成性, 各个层面的容错针对不同的问题, 但又相互紧密联系, 下面我们就着重对这几个层面的容错进行研究。
PLC系统软件容错, 通过PLC的系统软件, 可以对自身系统发生的故障进行诊断分析、故障点定位、报警和故障处理。软件在运行过程中, 通过不间断的对整个系统进行扫描检测, 在发现问题后, 发出报警, 系统能自行处理的, 作出相应的处理, 不能处理的, 则由运行人员进行分析处理。
PLC硬件容错, 主要是指在下位机在运行中, 其机械机构等硬件设施发生故障时, 通过行程开关、过载监视节点、电源输入节点、闸门状态节点等硬件设施对故障情况作出反应, 停止故障情况的发展。针对以往运行经验我们举例如下:
1.在闸门开启的过程中, 由于惯性或其他一些因素的影响, 可能闸门开度在达到最大值后, 电动机构仍继续开启的情况。针对这种情况, 可以在执行机构内装设行程开关限制接点, 并将其信号进入PLC, 在PLC中标定一个开限位, 当闸门开度达到开限位时行程开关发生动作, 并将信号传到PLC, PLC在检测到信号后将跳开开闸回路, 使电动执行机构立即停止运行, 闸门开启动作停止。
2.在闸门关闭过程中, 有时会出现闸门已完全关闭, 但执行机构仍在反向开启闸门的情况。为杜绝此情况的出现, 可以在执行机构内装设行程开关限制接点, 并将其信号进入PLC, 在PLC中标定一个关限位, 当闸门关闭程度达到关限位时行程开关发生动作, 并将信号传到PLC, PLC在检测到信号后将跳开合闸回路, 使电动执行机构立即停止运行, 闸门关闭动作停止。
3.在下位机运行中, 由于各种原因啃会出现闸门卡涩, 致使钢丝绳过负荷, 甚至导致闸门执行机构电机因过负荷而损坏的情况。针对这种情况, 需要在PLC中接入一个过载监视接点, 当闸门执行机构电机负载电流超过某一限定值时, 过载监视接点动作, 将并动作信号传至PLC, PLC在检测到动作信号后, 将控制回路断开, 使闸门立即停止动作。
4.电动执行机构的可靠运行离不开可靠的执行电源, 所以在监控过程中, 运行人员有必要时刻了解系统各部分的电源运行情况, 在PLC回路中, 通过安装电源监视节点, 可以使运行人员通过上位机时刻了解系统各部分的电源运行情况。
5.为了能够使运行人员时刻了解闸门的关闭状态, 有必要在PLC中装设闸门状态节点, 通过系统通信在上位机反应闸门状态。
同时, 现场自动检测仪表对生产中各个参数自动、连续地进行检测, 同时将信号反馈给现场PLC和中心控制室计算机, 并在中控室模拟屏和计算机显示器上显示出来;PLC和计算机比较程序中设定的工艺参数, 自动地调节某台设备的工况 (启动、停止或调速) , 从而保证设备正常运行。
除了以上几点, 在硬件上, 我们还应该通过在现场安装报警灯, 报警铃等设施提醒现场人员注意安全;还要在PLC回路设计冗余节点, 当故障发生后, 相关机构未能有效动作时, 系统可以及时切断事故回路, 避免事故扩大;也可以在现场安装监视器, 值班人员通过控制室监控电视了解设备运行情况。
上位机软件容错技术, 出于可靠性和现场总线通讯的考虑, 上位机采用一般工控机, 工控机具有更高的可靠性, 上位机对下位机PLC的监控软件容错技术包括测控系统自检、对闸门开度值的显示、控制模式的判断、对调度命令或对PLC发送和接收的信息的判断及纠正、设置软件以防止程序出现死循环等。
局域网容错技术主要通过依靠两点来实现其工作的可靠稳定: (1) 采用双环反相拓扑结构, 使服务器具有自我修复能力。 (2) 在工控机和服务器处安装多个网卡和交换机, 当一块网卡或交换机出现故障时, 不会影响系统部件的正常工作。
服务器容错技术主要有两种, 分别是: (1) 双机容错系统 (由二台服务器和RAID盘组成容错系统, 其中一台服务器担负全部任务, 另一台服务作为备份) 。 (2) 群集技术 (即是数台服务器组成一个大型服务器系统, 共同实现网络数据的控制, 使得客户与群集系统相互作用时, 就像使用一个巨型服务器) , 所以群集系统能够在某一台服务器出现故障时, 其他服务器能够自动、迅速的接管其工作, 不会影响系统的稳定。
三结束语
通过上面我们对闸门自动监控系统的集成结构和容错技术的探讨分析, 可以对水电站闸门的自动监控系统有一个简单的了解, 但由于篇幅问题, 某些问题的分析还只是在概念及原则上, 更深入的问题还需要我们在以后的实际工作中不断地学习、完善。随着计算机技术、数字控制技术、网络通讯技术的发展, 工业自动控制系统已进入一个全新的时代。采用新技术、新设备对工程项目的设备与管理进行现代化改造和智能化建设是历史发展的必然趋势。
参考文献
[1]钟伟.水电站闸门自动监控系统集成与容错技术研究[J].《河北水利》, 2007, (10)
[2]康玲, 龚传利, 姜铁兵.水电站闸门自动监控系统集成与容错技术研究[J].《水力发电学报》, 2003, (02)
[3]王树东, 靳雷, 王建跃, 李梦.基于以太网的闸门远程监控系统设计及实现[J].《计算机测量与控制》, 2009, (06)
[4]吴小平.基于PLC的中小型水电站闸门监控系统设计研究[J].《西北农林科技大学》, 2011, 05, 01
容错型集成化控制系统 篇2
关键词：容错,容错控制,策略
1 容错控制介绍
容错（Tolerant）就是容忍错误，是指系统的一个或多个关键部分发生故障时，通过采取相应措施，能够维持其规定功能，或在可接受的性能指标下，保证系统继续安全完成基本功能。随后，容错技术得到迅速发展，并在化工、电力、冶金等行业得到了广泛的应用。容错既包括对人失误的容错，也包括对系统中关键部分发生故障时的容错，已成为提高现代设备质量了可靠性的重要手段之一。容错控制FTC(Fault-tolerant Control）的概念于1986年9月被正式提出。它的基本思想是利用系统的冗余资源来实现故障容错，即在某些部件发生故障的情况下，通过系统重构等，仍能保证系统按原定性能指标继续运行；或以牺牲性能损失为代价，保证系统在规定时间内完成其预定功能。
2 容错控制方法分析
容错控制方法分为硬件冗余和解析冗余两大类。硬件结构可通过对重要部件及易发生故障的部件提供冗余备份或采用智能结构来实现故障容错；解析冗余是利用系统中不同部件在功能上的冗余性来实现故障容错。目前，基于解析冗余的容错控制发展成为两大类主要的方法：鲁棒容错控制和重构容错控制。
2.1 鲁棒容错控制
鲁棒性是指控制系统在一定（结构或大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为指标设计得到的固定鲁棒控制器称为鲁傣控制器。控制系统的各种故障都将导致数学模型的这样或那样的变化，当然希望设计一个固定的控制器实现对某些故障的容错，鲁棒容错就是这样一类容错控制方法。鲁棒容错控制器在设计时就考虑一些可能的故障，使设计的控制器在正常和故障状态下都能保持稳定工作或维持一定的性能，即利用系统的冗余关系，使设计的控制器对某些部件失效、传感器失效或执行器失效引起的参数变化不敏感。鲁棒容错控制的优点是故障发生时能够及时实现容错控制，不存在重构容错控制中因分离延时而引起的控制性能变坏的问题。但这种方法只能适应较少的几种故障情况，不可能用一个控制器实现对所有故障的鲁棒性，且往往以牺牲系统的性能为代价。
2.2 重构容错控制
由于系统故障的多样性和对系统性能的高要求，鲁棒容错控制实现容错种类有限。为此可以设置一个在线故障检测与诊断机构，利用它对系统进行实时故障检测与估计，并根据故障诊断机构提供的系统故障信息，重新设计控制器，对故障特征进行补偿，以保证系统在故障状态下仍然能够获得良好控制效果，这就是重构容错控制。重构容错控制实现容错的方案有两种：一是在线重构，即根据检测到的故障状态重新设计控制器或故障补偿机构，适用于故障模式事先不确定，控制律需要在线调整的情况；二是离线重构，即根据检测到的故障把控制器切换到预先设计好的容错控制器，适用于事先知道可能的故障模式，控制律可以离线确定的情况。重构容错控制的设计方法只要实时而准确地检测和隔离出故障，就可以采用工程技术人员所熟悉的各种控制器设计方法重构控制器，但这种容错控制设计方法依赖于故障检测分离机构，而一般的故障检测机构都存在误检，即存在两种可能：一是把正常的部件当作故障部件造成虚警；二是把故障的部件当作正常的部件造成失检。
3 飞机燃油系统容错控制策略
飞机燃油系统总的故障诊断与容错控制结构如图1所示。
其中，“执行机构”代表飞机燃油系统中接受控制命令后的执行机构，根据“容错控制”给出的容错控制策略向泵、阀等附件发出控制指令；“监控对象”为飞机燃油系统内所有的被监控对象，如各种泵、各种阀、各类传感器等；“故障检测与诊断”用于检测监控对象的故障信息，并对其故障原因、类型、部位和严重程度等做出判决；“容错控制”根据给出的故障情况采取不同容错策略；“数据库”存储系统中采集各类数据；“专家库”存储各种专家经验。
3.1 传感器发生故障时的容错控制
油位传感器正常的情况下，用传感器值来显示油位。油位传感器出现故障时，在建立的油位传感器的预测模型准确的情况下，用预测值代替传感器输出，提供油位显示。
3.2 输油泵发生故障时的容错控制
采用顺序输油，耗油顺序为：副油箱→辅助油箱→主油箱→消耗油箱。在转输油过程中，一旦副油箱某输油泵发生故障，将关闭该泵，由另外一个泵继续执行输油，如果两个泵同时故障，转入辅助油箱输油；辅助油箱中输油泵的容错控制方法同上；消耗油箱输油泵一旦故障，只能通过主油箱和消耗油箱底部相连管路进行重力输油；同时打开引射源，开启引射泵，由引射泵连通备份油箱、辅助油箱和主油箱，通过主油箱向消耗油箱进行重力输油。
3.3 输油管路发生故障时的容错控制
某型飞机共有3路输油管路。输油管路1发生故障时，关闭副油箱输油泵，开始辅助油箱输油；输油管路2发生故障时，关闭辅助油箱输油泵，开始与消耗油箱输油；输油管路3发生故障时，关闭主油箱输油泵，开始重力输油，同时打开引射源，开启引射泵，由引射泵联通备份油箱、辅助油箱和主油箱，通过主油箱向消耗油箱进行重力输油。
3.4 油面控制器发生故障时的容错控制
加油过程中，油面控制器一旦发生故障，加油活门将无法自动关闭，这时程序发出指令，控制加油活门关闭。
4 结束语
容错控制可很好地提高系统可靠性，通过合理设计某型飞机燃油系统的容错控制策略有效地进行飞机燃油管理，提高了其可靠性，最大限度地保障飞机燃油系统性能，保障飞行安全，提高其生存力。
参考文献
[1]王仲生.智能故障诊断与容错控制[M].西安.西北工业大学出版社,2005.
[2]胡昌华,许化龙.控制系统故障诊断与容错拄制的分析和设计[M].北京.国防工业出版社,2000.
[3]王祖利,张颖伟.容错控制[M].沈阳.东北大学出版社,2003.8.
容错型集成化控制系统 篇3
作为电力系统电能质量控制的有效装置, 基于主动滤波原理的三相六开关并联型有源电力滤波器 (APF) 得到广泛应用。三相六开关逆变器是APF的核心部件, 其中的功率半导体器件及控制电路是最易发生故障的薄弱环节, 其可靠性尚未得到有效解决[1]。目前常用的逆变器容错方案, 包括双机备份、桥臂冗余、三相四桥臂冗余和四开关两相容错[2]等方式。双机备份采用两套逆变器, 可靠性高, 但系统结构复杂, 体积和成本较高, 设备利用率低。桥臂冗余是在某一桥臂发生故障时, 通过隔离措施将故障桥臂与负载隔离, 将输出相切换到辅助桥臂上;这种方式开关较多, 驱动和辅助装置繁杂。三相四桥臂冗余和四开关两相容错, 均将负载中点与辅助桥臂相连, 使之工作于两相状态继续运行, 并不适于APF容错。
在提高APF装置可靠性和利用率、减小装置体积和成本的角度, 且不增加功率器件冗余的前提下, 提出三相四开关的APF容错方案。本文应用器件承压变换法对APF开路故障进行识别, 设计了三相四开关APF容错切换控制策略;针对三相四开关APF的特点, 探讨了容错控制中对直流中点电位平衡的特殊要求, 并制定了相应的补偿策略;讨论了容错型APF两类补偿策略的关系, 并基于电源电流跟踪补偿APF策略, 设计了APF的容错控制方法。为适应未来储能应用, 拓展了APF的有功调节功能;基于电流滞环跟踪方法建立三相四开关容错型APF实验平台, 对所提方法进行验证。
1 容错型APF控制原理
1.1 容错型APF拓扑
按照最小元件冗余, 同时具有一定可靠性原则, 本文提出三相四开关容错型APF拓扑, 见图1。
图1实质是将桥臂冗余拓扑中由开关器件构成的辅助桥臂, 用串联的无源电容代替。正常工作时, 三个双向晶闸管TRa至TRc均处于关断状态。当检测到某一相桥臂出现故障时, 采用快速熔断器和半导体开关器件将故障桥臂隔离, 并驱动相连的双向晶闸管触发导通, 故障桥臂被串联电容取代, APF在三相四开关拓扑下维持容错运行。
1.2 故障识别方法
APF容错控制中, 故障识别是实施容错控制的前提。本文主要对APF中的开路和短路故障进行判别与容错。对于功率元件的开路故障, 可通过一定的技术手段提取系统的故障信息进而实现诊断和定位, 包括专家系统法、电流故障诊断法和电压故障诊断法[3]等;而短路故障则通过在逆变器桥臂中植入快速熔丝, 使功率管的短路故障转变为开路故障再进行处理。
本文利用开路故障前后绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 集电极和发射极承受的电压变化, 作为APF开路故障的判据。以图1所示的C相开路故障为例, 表1列出了该桥臂上IGBT在故障前后承受的集射极间压降变化。
表1中:ic为故障相电流, 电流流出为正;s5, s6为C相IGBT S5和S6对应的开关信号组合, 为1表示开通, 0表示关闭;u5, u6分别为开关管S5, S6承受的集射极电压。由表1可见, 功率器件开路故障信息与故障相输出相电流方向、开关信号有密切关系:在相电流为正的情况下, 上管 (S5) 开路, 在开关状态 (1, 0) 时, 上下功率管状态不同于正常状态;同理, 在电流为负的情况下, 下管 (S6) 开路故障, 在 (0, 1) 开关状态时, 功率管电压异于常态。若同时出现上下管开路故障, 上述规律依然适用。据此即可识别APF逆变桥臂上出现的开路故障。
1.3 APF容错切换策略
通过功率元件上配置的电压传感器和逻辑判断电路, 按照器件集射极电压变化规律, 即可对故障桥臂进行定位;确认故障发生后, 触发导通相应桥臂上的双向晶闸管TRn, 使得直流母线电容、双向晶闸管、快速熔丝、功率器件形成回路, 利用直流母线电容储能熔断快速熔丝, 将故障相隔离。同时将三相六开关的APF补偿模式切换到三相四开关补偿模式。具体容错切换原理如图2所示。图中:PWM表示脉宽调制。
在APF容错控制切换过程中, 需要解决两个关键问题, 一是如何保证切换过程的平滑过渡;二是如何保证切换到三相四开关容错模式后, APF以最佳性能工作。
针对问题1, 为了实现两种APF拓扑的平滑切换, 同时尽量减少对原系统硬件的影响, 使得切换控制简单易行, 必须选择适当的APF补偿策略。针对问题2, 必须针对三相四开关APF的控制性能及特殊要求设置相应的控制策略。
2 容错型APF补偿策略
2.1 两类补偿策略
并联型APF控制的根本目的在于通过合适的控制策略, 借助APF的补偿作用, 使得电源电流中不再包含谐波和无功成分。按其补偿实现方法, 分为两类。
一类借助谐波检测算法, 分离谐波和无功成分, 控制APF输出相反电流, 进而把非线性负载的网侧馈线电流补偿为基波 (正序) 有功电流。这是一种经典的补偿目标, 现有APF大多采用此方式[4]。这类方法中, 根据补偿目标的不同, 可对单次、多次或全部谐波电流、无功功率和不平衡电流进行补偿, 因此谐波检测算法的有效性直接影响APF的补偿性能。
常用的谐波检测算法大体可分为以下几类: (1) 基于频谱分析模拟实现的带通、带阻滤波器或陷波器检测法, 因误差大, 已极少有; (2) 基于频谱分析的离散傅里叶变换检测法[5], 可消除指定谐波, 但计算量大, 有较大时延; (3) 基于Fryze时序分析的有功电流检测法[6], 将负载电流分解为正交的有功电流分量和广义无功电流分量, 缺点是必须计算负载的有功功率和电网电压有效值, 且不适合频繁变化负载的补偿; (4) 基于瞬时无功功率理论的检测方法, 以p-q法、ip-iq法和d-q法及各种改进方法为代表[7], 其电流检测的有效性很大程度上受滤波器性能好坏的影响; (5) 其他方法, 如自适应检测法、神经网络控制法等。
上述谐波检测算法中, 又可分为基波提取法和谐波直接提取法, 方法1和4均属基波提取法, 从非线性负载电流iL中提出基波正序分量iLf, 使APF电流iF等于iL-iLf作为补偿指令;方法2和3属谐波直接提取法, 从负载电流中直接提取需要补偿的谐波iLh、无功分量和不平衡分量。
第2类是不检测谐波的直接补偿方法。其控制的目标是将非线性负载网侧馈线电流波形与馈线电压波形一致, 实现单位功率因数, 以单周控制为代表[8]。
两种补偿策略本质是相同的, 第2类策略是将非线性负载补偿为线性负载, 解决了负载的本质问题。而第1类策略重视的是电源输出基波正弦电流的结果, 然而在电网电压存在畸变的情况下, 采用该方式强行将电源电流补偿为基波电流, 则是将一种非线性负载补偿为另一种非线性负载。
2.2 两类补偿策略的关系
若电网电压不存在畸变, 两类补偿策略具有等价性, 其等效关系如图3所示。图中:PLL表示锁相环;PI表示比例—积分。
图3中 (1) 为基于谐波检测的典型APF补偿原理, 可使用基波提取法或谐波直接提取法, 获得APF补偿电流指令iFref=iLh=iL-iLf, 再通过APF电流闭环控制, 输出与负载谐波相反的分量, 从而达到补偿效果。红色点线框内为APF直流电压外环, 其闭环产生的有功电流Δip用以弥补损耗对APF直流侧电压的影响, 维持直流侧电压udc稳定。改变基波电流iLf输出位置, 可变换成图3中 (2) 的形式, 其中isref=Δip+iLf即为电源电流参考值。又因电源电流is=iL+iF, 故APF补偿原理又表示为图3中 (3) 的形式;而 (3) 的控制, 即是控制电源电流跟踪电网电压, 旋即变为第2类补偿策略。
下面从实现角度分析两种策略的特点。在谐波检测补偿算法中, 补偿性能取决于谐波检测算法的准确性和快速性, 然而谐波检测单元终非理想, 总存在过渡过程和误差, 由此引起APF补偿误差;而高精度检测算法实现较为复杂, 且往往对硬件提出较高的要求;这些因素往往不利于APF容错切换控制的实现。
相对于谐波电流检测的APF补偿算法, 第2类补偿方法具有如下特点: (1) 控制检测电流传感器减少一半, 由于不检测谐波, 补偿控制只需配置电源三相相电流检测传感器; (2) 谐波检测方案要求处理器具备快速处理能力, 以分离瞬时谐波电流进行补偿;电源电流检测方案省去了谐波和无功功率计算环节, 对处理器的要求较低, 实现更为简单可靠, 便于应用; (3) 电源电流跟踪把APF输出、谐波电流均视为内环的扰动, 闭环控制可有效抑制该干扰。
从硬件要求最少、实现较为简单可靠、同时便于切换的原则, 本文在容错型APF控制上, 采用基于电源电流直接跟踪的APF补偿策略。相对于单周控制, 实现更为简单, 其补偿原理如图4所示 (以单相为例) 。
图4中电源电流指令相位通过三相软件PLL跟踪电网电压实现, 指令电流幅值Δip通过直流母线电压外环产生, 用以维持其直流母线电压稳定;若APF直流侧配置的是储能装置, 则可在APF电能质量补偿的同时, 通过调节指令电流幅值, 增加APF输出有功调节能力。
在电源电流直接跟踪的容错型APF补偿策略中, 电源电流的闭环跟踪精度和速度直接影响了APF的补偿精度。目前应用较多的电流跟踪技术包括三角载波比较PWM[9]、滞环比较[10]、滑模控制、空间矢量脉宽调制[11]、单周控制、无差拍控制, 以及模糊控制[12]等。本文应用硬件电路实现的滞环比较电流跟踪控制, 可较好地完成电流快速跟踪要求。
3 三相四开关APF特性
3.1 四开关逆变器控制规律
容错型APF控制的关键在于故障后如何控制四开关逆变器实现准确的电流控制。三相四开关拓扑等效于六开关拓扑的根本原因在于, 三相六开关逆变器工作在三相三线制电路中, 逆变器输出三相相电流之和均为零。只要控制任意两相电流, 则第三相自然受控。
由图1可得四开关APF输出电流iFk关系为:
式中:k取a, b, c;LF为APF输出电感;esk为APF接入点电压;R为线路电阻;uk0=ukn-un0表示四开关逆变器输出相电压。
重新定义开关函数sa, sb, 当其为1时表示对应相上桥臂开通而下桥臂阻断, 为-1时相反。这样可控相A, B上的输出线电压uan=0.5saudc, ubn=0.5sbudc, 再根据三相电压和电流的耦合关系, 解得un0=1/6 (sa+sb) udc, 将其代入式 (1) , 并重写成矩阵形式:
式中:p为微分算子。
可见三相四开关拓扑中, 只需对两相开关函数sa, sb进行准确调制, 即可实现三相输出电流的控制。需要注意, 同样调制度下, 四开关APF的直流电压利用率低于六开关APF, 因此在容错型APF控制中, 需要适当地提高直流电压等级。而针对由此引起的器件耐压问题, 可通过并网侧配置隔离升压变压器或未来拟采用多电平技术加以有效解决;而目前的容错控制中, 为了保证器件的安全耐压, 通常采取的措施包括过调制技术提高直流电压利用率, 以及适当降低直流电压提升程度, 以牺牲部分补偿性能为代价, 保证APF装置的安全容错运行。
3.2 直流中点偏移问题
上述对四开关APF逆变器工作原理的分析均建立在不考虑直流中点偏移的基础上。然而四开关变换器电容桥臂上因流过交流负载电流, 会引起直流母线中点的瞬时偏移, 下面分析其影响。设串联电容C1和C2电流分别为ic1和ic2, 由图1可得:
式中:idc为直流侧电流。
从中解得:
可以看到, 电容上将流过负载电流成分, 对其积分可得电容电压, 电容电压上亦有交流纹波;即使电容参数完全匹配C1=C2, 也只能保证串联电容的电压平均值相等, 而瞬时值存在差异。设电容电压差异分别为uc1=1/2udc+Δu, uc2=1/2udc-Δu, 将其代入逆变器输出三相相电压, 可得
可见, 直流母线中点电压的偏移破坏了三相输出电压的平衡, 势必造成输出电流的失衡, 进而影响APF实际补偿效果。
3.3 电压前馈补偿方法
针对上述四开关逆变器上述特点, 本文提出具有直流中点电位平衡补偿功能的电源电流跟踪APF控制方法, 如图5所示。
仍假设C相故障, 其中isaref和isbref为电源电流给定值, 是电压外环输出幅值与电源两相电压锁相波形的乘积;isa, isb为电源电流反馈;电流控制采用滞环电流跟踪方式。为了补偿直流母线中点电位偏移, 本文提出了直流中点电压前馈的补偿算法:检测直流母线电容电压差值Δu=0.5 (uc1-uc2) , 根据式 (5) , 在电流参考值中加入 (1/3) Δu作为前馈, 就可补偿因电容电压瞬时值差异造成的直流中点电位偏移, 图5中, k=1/6。
4 容错型APF实现关键技术
4.1 容错型APF无缝切换
为了实现两种APF的无缝切换, 同时尽量减少对原系统硬件的影响和冲击, 使得切换控制尽量简单易行, 本文中容错前后APF控制策略, 均采用电源电流直接跟踪方式, 保持了算法的一致性;一旦故障检测环节检测到单一故障相开路故障, 采取如下的措施进行切换: (1) 触发故障相双向晶闸管TRn; (2) 对故障相功率器件开关信号进行闭锁; (3) 调整直流电压基准; (4) 投入四开关直流中点电位平衡补偿算法。具体方法如图6所示。
由于切换过程中, 仅是对电源电流指令的改变, 因此保持了原控制系统的一致性, 最大限度地减少了切换过程中的冲击。
4.2 电流滞环比较跟踪控制
为了实现快速、准确的电流跟踪, 本文设计了硬件实现的电流滞环跟踪电路 (仍以C相开路为例) , 见附录A图A1。
电流滞环比较跟踪控制电路由三个模块组成: (1) 经数字信号处理器 (DSP) 电压外环和锁相处理得到的电源两相参考电流信号isaref和isbref, 再经TLV5617A串行数/模 (D/A) 转换器得到电压形式的电源电流指令IREFA和IREFB; (2) 电流滞环比较模块。参考电流指令IREF与实际电流指令IFB产生电流偏差与设定的电流滞环宽度进行比较, 用于产生控制所需PWM信号;其中IFBA, IFBB分别为A, B两相反馈电流指令, 上下滞环宽度可通过电阻的分压分别确定; (3) 脉冲形成与死区闭锁模块。滞环输出的信号RA, SA, RB, SB经GAL22V10组成的可编程逻辑阵列处理, 形成具有死区控制的两路脉冲信号, 用于驱动三相四开关APF的两路桥臂, 其中死区时间由配置的电阻和电容充放电时间等决定。
为了提高锁相精度和响应速度, APF锁相环节采用基于瞬时无功功率理论的三相软件PLL实现。
5 试验验证
为了验证四开关容错型APF的控制效果, 本文建立了小功率的三相四开关APF实验装置。直流电压udc=30V, 交流电压峰值es为5V, 经隔离升压接入电网, 辅助桥臂上电容C1=C2=2 200μF, 输出电感LF=1.8mH;非线性负载为三相整流硅堆驱动6Ω电阻负载;控制及加载系统如附录A图A2所示。采用电源电流直接跟踪补偿算法, 电流控制基于滞环电流跟踪方式, 滞环宽度h=0.12A。其中APF电流测量系数为0.2, 电源电流变比为0.02, 直流电压变比为0.02。
5.1 电源电流跟踪补偿效果
附录A图A3为采用上述策略的控制效果。其中图A3 (a) 为三相四开关容错型APF启动瞬时A相的控制效果。图A3 (b) 为四开关APF输出三相补偿电流。
可见, 即使不检测谐波, 在电源电流跟踪的控制策略下, 三相四开关APF也能很好地实现对电能质量的控制。对于电源而言, 其输出电压、电流波形一致, 功率因数为1, 只提供负载有功功率, 负载中的谐波和无功成分完全由APF补偿, 相当于将非线性负载补偿等效为电阻。
5.2 直流中点电位偏移及抑制
根据前文分析, 直流母线的中点偏移将严重影响容错型四开关APF的补偿效果。附录A图A4 (a) 为未引入直流母线中点偏移前馈控制的APF调控效果。可以看到, 电容uc1=55V, uc2=25V, 导致直流中点电位偏移Δu=15V。中点偏移导致局部电压畸变, 进一步引起电感电流的突变, 控制效果严重下降, 无法满足系统补偿要求。加入直流中点前馈补偿后, 图A4 (b) 中直流电压偏移Δu基本为零, 波形恢复正常。
5.3 APF有功功率控制
为提升APF补偿能力, 直流侧配置蓄电池储能, 使之同时具备有功调节能力。借助电压外环控制, 在储能的作用下, 除了对负载谐波进行有效抑制, 还可实现有功功率的调控。控制效果如附录A图A5所示。
图A5 (a) 中电压调节器输出电流参考幅值为0.5A, 此时APF对外向负载提供部分有功功率, 该有功功率由直流侧蓄电池储能提供, 此时电流电源中的谐波和无功成分被完全补偿, 因此补偿后, 电源输出基波成分相应减小;图A5 (b) 中, 电压调节器输出电流参考幅值isref为1.5A, 即要求电源输出正序基波电流isa超过负载所需要的电流基波电流iLf (1A) , 此时APF吸收多余的有功功率向直流侧储能充电。
6 结论
1) 三相四开关APF分析的模型, 通常都建立在直流母线电容中点电压平衡的基础上, 本文提出的直流母线中点电压差值前馈补偿算法, 可有效抑制此不平衡对补偿性能的影响。
2) 基于电源电流跟踪的APF补偿策略, 可简化容错系统方案, 且不影响补偿精度, 易于容错切换的实现。
3) 电流跟踪能力直接决定APF补偿性能, 宜采用快速、高精度的电流跟踪方式, 如滞环电流跟踪、单周控制等。
4) 准确的故障诊断方法是APF容错控制的前提, 宜开发新型可靠的故障诊断方法。
5) 直流侧配置储能后, 基于电源电流控制的APF补偿策略, 在谐波和无功补偿基础上, 同时具备有功调节能力。
附录见本刊网络版 (http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx) 。
摘要：有源电力滤波器 (APF) 多基于三相六开关拓扑, 为提高其运行可靠性, 提出一种基于元件冗余的三相四开关容错型APF。针对三相六开关APF的故障判别, 应用功率器件承受电压变化识别桥路开路故障;研究了基于谐波检测APF补偿算法与控制电源电流跟踪电网电压APF补偿算法的关系, 指出容错型APF切换控制中更适合采用电源电流直接跟踪补偿算法;在三相四开关APF数学模型基础上, 研究了直流母线中点偏移对三相四开关APF补偿性能的影响, 提出一种直流中点电压差值前馈补偿方法。扩展了配置直流侧储能的情况下, 容错型APF的有功调节实现方法;设计了APF容错控制切换策略和硬件实现的电流滞环跟踪控制电路, 在建立的三相四开关APF平台上, 实验验证了所提方法的有效性。
关键词：有源电力滤波器,三相四开关,电压前馈控制,容错,直流中点偏移,谐波检测
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