基于剩余矢量的APF容错运行方法与流程

发明涉及电力系统的谐波治理和逆变器控制领域，具体涉及到基于剩余矢量的apf容错运行方法。

背景技术：

1、有源电力滤波器(active power filter，apf)作为新型谐波抑制装置，具有补偿谐波频率范围广，跟踪特性优良，动态特性良好，补偿程度可控等优点，成为新一代电能质量调节装置。随着非线性负载的增加，在电网中产生大量的谐波，有源滤波器由于其对谐波良好的补偿性以及稳定性，在电网中被广泛应用。随着对逆变器的深入研究，相比于二电平逆变器，三电平具有诸多优点。越来越多的有源滤波器采用三电平逆变器。

2、目前针对逆变器故障后的容错运行控制，主要有两种方式来实现：软件算法容错控制和硬件拓扑重构。软件算法改变故障后逆变器的控制策略，利用矢量调制对冗余矢量和无故障矢量进行重构或组合，对波形有一定的改善。硬件拓扑重构通过冗余元件对逆变器的拓扑结构进行改变，使逆变器能够输出故障前的电压矢量，容错运行下的谐波补偿效果较好，但会增加一定的成本。

3、在功率开关器件故障后，其中有部分输出电压矢量无法正常输出，这时候如果apf控制器仍采用故障前的控制策略，其补偿效果肯定会大大降低，功率开关管可能会承受更大的反向电压以及通过更大的功率，进一步损坏apf系统。由于电网的重要性，电网负载时刻变化，对波形有着严格的要求，这就给apf的运行控制提出了更严格的要求。apf在运行中，不仅要快速且准确的去定位故障所在位置，也必须保证在故障后apf具有一定的谐波补偿效果，即有一定的容错运行能力。

技术实现思路

1、为解决有源电力滤波器运行中出现功率器件故障后，无法正常输出故障功率管对应的电压矢量，谐波补偿效果会大打折扣的问题，本发明针对有源电力滤波器(activepower filter，apf)的一个功率开关管故障的基础上进行控制，提出一种基于剩余矢量的apf容错运行方法，根据不同的故障类型选择不同的控制策略，提高对谐波的补偿效果。首先依据故障特征，通过直流侧电容电压残差值判断故障和定位奇偶数功率器件，再通过逆变器指令电压和输出电压的残差值定位至相功率器件和上下桥臂功率器件，准确找出功率器件igbt开路故障的位置。针对不同故障，在纵向功率器件故障时使用硬件重构将t型三电平逆变器转变为二电平逆变器；横向功率器件故障时只使用其中正常输出的大矢量以及零矢量，实现apf的容错运行。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、基于剩余矢量的apf容错运行方法，其特征在于：包括

4、建立t型三电平拓扑的有源电力滤波器apf的数学模型；

5、依据故障特征，通过直流侧电容电压残差值故障分析；

6、通过t型三电平逆变器的剩余电压矢量进行输出矢量合成新的虚拟输出矢量,进行apf的容错运行。

7、进一步的，所述通过直流侧电容电压残差值的故障分析过程，首先依据故障特征，通过直流侧电容电压残差值判断故障和定位奇偶数功率器件，再通过逆变器指令电压和输出电压的残差值定位至相功率器件和上下桥臂功率器件，确定功率器件igbt开路故障的位置。

8、进一步的，故障分析的具体步骤：

9、1)根据式1求取逆变器的电容电压残差δvdc；

10、2)根据式6求取λ的值，判断逆变器是否发生故障；

11、3)获取apf控制器输出的逆变器控制指令信号，再根据式2求取逆变器应当输出的指令电压值；

12、4)根据式3求取指令电压与实际输出电压残差值δvx；

13、5)将δvx值代入式7判据，求取α值；

14、6)将δvx值代入式9判据，求取β值；

15、7)将δvx代入式10判据，求取γ值；

16、8)根据求得的α、β、γ值，确定故障功率器件。

17、进一步的，所述apf的容错运行中，不同的输出矢量作用也需要对模型预测的价值函数进行调整，中性点电压平衡由硬件参数来保证，容错模型预测控制中仅需考虑开关跳变约束和输出矢量差值问题，其容错模型预测控制的价值函数如下：

18、g＝λ1j1+λ3ssw

19、其中，λ1和λ3为代价函数的权重系数，ssw为切换通断状态的开关数量。

20、进一步的，所述apf的容错运行根据发生故障的不同进行不同的故障容错控制，分为纵向功率器件故障控制和横向功率器件故障控制。

21、进一步的，所述纵向功率器件故障控制为：在纵向功率器件故障时使用启动逆变器拓扑重构，将t型三电平逆变器转变为二电平逆变器，然后apf的控制策略从基于虚拟矢量的模型预测控制转为基于剩余矢量的容错运行控制策略。

22、进一步的，所述横向功率器件故障控制为：在横向功率器件故障时，t型三电平逆变器拓扑不发生变化，直接开始转换为容错控制策略。

23、本发明是通过上述技术方案实现了控制策略根据不同的故障类型选择不同的控制策略，提高对谐波的补偿效果。控制策略上无需在考虑中性点电压平衡，依靠硬件上的参数便可以保证；利用剩余矢量合成的虚拟矢量能够有效参与逆变器矢量输出，起到降低谐波的作用。

技术特征：

1.基于剩余矢量的apf容错运行方法，其特征在于：包括

2.根据权利要求1所述的基于剩余矢量的apf容错运行方法，其特征在于：所述通过直流侧电容电压残差值的故障分析过程，

3.根据权利要求2所述的基于剩余矢量的apf容错运行方法，其特征在于：故障分析的具体步骤：

4.根据权利要求1所述的基于剩余矢量的apf容错运行方法，其特征在于：所述apf的容错运行中，不同的输出矢量作用也需要对模型预测的价值函数进行调整，中性点电压平衡由硬件参数来保证，容错模型预测控制中仅需考虑开关跳变约束和输出矢量差值问题，其容错模型预测控制的价值函数如下：

5.根据权利要求1所述的基于剩余矢量的apf容错运行方法，其特征在于：所述apf的容错运行根据发生故障的不同进行不同的故障容错控制，分为纵向功率器件故障控制和横向功率器件故障控制。

6.根据权利要求5所述的基于剩余矢量的apf容错运行方法，其特征在于：所述纵向功率器件故障控制为：在纵向功率器件故障时使用启动逆变器拓扑重构，将t型三电平逆变器转变为二电平逆变器，然后apf的控制策略从基于虚拟矢量的模型预测控制转为基于剩余矢量的容错运行控制策略。

7.根据权利要求5所述的基于剩余矢量的apf容错运行方法，其特征在于：所述横向功率器件故障控制为：在横向功率器件故障时，t型三电平逆变器拓扑不发生变化，直接开始转换为容错控制策略。

技术总结
本发明公开了基于剩余矢量的APF容错运行方法，涉及电力系统的谐波治理和逆变器控制领域，包括：建立T型三电平拓扑的有源电力滤波器APF的数学模型；依据故障特征，通过直流侧电容电压残差值故障分析；通过T型三电平逆变器的剩余电压矢量进行输出矢量合成新的虚拟输出矢量,进行APF的容错运行；控制策略根据不同的故障类型选择不同的控制策略，提高对谐波的补偿效果。本发明是通过上述技术方案实现了控制策略根据不同的故障类型选择不同的控制策略，提高对谐波的补偿效果。控制策略上无需在考虑中性点电压平衡，依靠硬件上的参数便可以保证；利用剩余矢量合成的虚拟矢量能够有效参与逆变器矢量输出，起到降低谐波的作用。

技术研发人员：史丽萍,张远,苗长新,常思龙,成方状,胡东舟
受保护的技术使用者：徐州上若科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15