馬立新，嚴(yán) 亮，吳興鋒

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)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(yīng)用，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行和電力設(shè)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(bǔ)償裝置，因其動態(tài)響應(yīng)速度快、補(bǔ)償特性好等優(yōu)點(diǎn)，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［2］。

APF 運(yùn)行狀況不僅決定諧波治理的效果，還關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，APF 逆變器中的IGBT 因長時(shí)間工作在高頻、高溫狀態(tài)，是易損壞的器件［3］。APF中使用的IGBT 較多，為了確定IGBT 準(zhǔn)確故障位置，需要對APF 進(jìn)行故障診斷。

為了提高系統(tǒng)的可靠性，增長APF 的安全穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間，本研究設(shè)計(jì)APF 的故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)對IGBT 及其驅(qū)動模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)故障分析，并在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警，為APF 故障后的維修贏得時(shí)間。筆者利用該系統(tǒng)對APF 進(jìn)行有效診斷，從而進(jìn)一步保障APF 的穩(wěn)定工作。

1 有源電力濾波器的工作原理

本研究主要以并聯(lián)型有源電力濾波器為研究對象，它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1 所示。

圖1 APF 結(jié)構(gòu)原理圖

非線性負(fù)載的接入會向電網(wǎng)注入諧波電流，系統(tǒng)通過電流互感器CT 檢測出三相負(fù)載電流，經(jīng)過諧波電流分析與計(jì)算環(huán)節(jié)，再根據(jù)諧波分量生成PWM 控制脈沖，從而將諧波電流抵消使網(wǎng)側(cè)電流逼近于正弦波，達(dá)到電能質(zhì)量的規(guī)定水平。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

故障診斷系統(tǒng)需要對IGBT 的驅(qū)動模塊以及各個(gè)IGBT 的故障進(jìn)行診斷，快速確定驅(qū)動模塊和IGBT 的故障位置，為APF 的維護(hù)提供參考依據(jù)。

APF 中采用CONCEPT 公司的2SD315AI 作為IGBT 的驅(qū)動模塊，該模塊具有智能驅(qū)動、自檢和狀態(tài)反饋等功能，并將功率部分與控制部分完全隔離。該驅(qū)動模塊可產(chǎn)生兩路IGBT 驅(qū)動信號，同時(shí)可以對IGBT的短路、過流、欠壓進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)相應(yīng)通道發(fā)生故障時(shí)，對應(yīng)故障輸出端SO 信號為低電平，并封鎖驅(qū)動信號。

驅(qū)動模塊故障信號調(diào)理電路如圖2 所示。將故障信號SO 轉(zhuǎn)換為芯片所要求的電平范圍，并通過LED燈指示各個(gè)驅(qū)動模塊的故障情況。APF 中使用3個(gè)驅(qū)動模塊來驅(qū)動3個(gè)IGBT 橋臂，因此，本研究設(shè)計(jì)3個(gè)故障診斷電路，實(shí)現(xiàn)各個(gè)驅(qū)動模塊的故障診斷。

圖2 驅(qū)動模塊故障信號調(diào)理電路

APF 中IGBT 通常表現(xiàn)為短路和開路故障，由于IGBT 每相橋臂中有快速熔斷器保護(hù)，發(fā)生短路故障后熔斷器會快速熔斷變?yōu)殚_路故障。本研究針對開路故障進(jìn)行故障診斷設(shè)計(jì)。

本研究根據(jù)圖1 所示的APF 結(jié)構(gòu)原理圖，用開關(guān)函數(shù)來表示APF 的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)sa、sb、sc分別為a、b、c 三相橋臂的開關(guān)信號。sa、sb、sc為1 表示上橋臂開通下橋臂關(guān)斷;sa、sb、sc為0 表示上橋臂關(guān)斷下橋臂開通。APF 正常運(yùn)行時(shí)，以A 相為例，IGBT 集電極－發(fā)射極電壓uT與開關(guān)信號關(guān)系為［4］:

式中:Udc—直流側(cè)電壓。

當(dāng)IGBT 發(fā)生開路故障時(shí)，IGBT 集電極－發(fā)射極電壓將不能用式(1)來表示，因此，可以通過實(shí)際電壓與正常運(yùn)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(shè)為正，流入IGBT 的電流設(shè)為負(fù)［6］，A 相正常運(yùn)行和上下橋臂故障時(shí)IGBT 電壓如表1 所示。

表1 正常運(yùn)行和橋臂故障時(shí)IGBT 電壓

由表1 可知，在T1故障下，當(dāng)A 相電流ia為正、開關(guān)信號為(10)時(shí)，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(jù)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(yùn)算放大器，用于驅(qū)動光耦U2;FT1和FT2為故障診斷電路輸出信號，經(jīng)鎖存后就可記錄故障信息。由于IGBT 存在關(guān)斷和開通延時(shí)，為了避免延時(shí)造成的誤診斷，需要對控制信號sa+、sa－加延時(shí)邏輯。

通過對圖3 的分析，可以得出正常運(yùn)行與T1開路故障、T2開路故障和T1、T2同時(shí)開路故障時(shí)的診斷時(shí)序圖，如圖(4～6)所示。診斷原理為:正常運(yùn)行時(shí)T1、T2電壓為uT1、uT2，在T1發(fā)生開路故障時(shí)，當(dāng)電流ia＞0 時(shí)，開關(guān)信號Sa+不能使T1導(dǎo)通，從IGBT 流出的電流只能通過T2的反向二極管續(xù)流，此時(shí)結(jié)合圖3 可知，此時(shí)運(yùn)算放大器U1不能驅(qū)動光耦U2，u0輸出為高電平，u0與開關(guān)信號進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)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(fā)生開路故障且電流ia＜0 時(shí)，則FT2輸出為高電平。因此無論哪個(gè)IGBT 發(fā)生開路故障，或者橋臂上下IGBT 同時(shí)發(fā)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(yùn)行與T1開路故障時(shí)序圖

圖5 正常運(yùn)行與T2開路故障時(shí)序圖

圖6 正常運(yùn)行與T1、T2開路故障時(shí)序圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

故障診斷系統(tǒng)軟件部分采用虛擬儀器軟件Lab-VIEW 為開發(fā)平臺來設(shè)計(jì)，LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，可以用于快速有效地開發(fā)APF 故障診斷系統(tǒng)的上位機(jī)。

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(jī)與下位機(jī)采用串口通信，最后在LabVIEW 平臺上開發(fā)出故障診斷系統(tǒng)的上位機(jī)［9-10］，其軟件設(shè)計(jì)流程如圖7 所示。該上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)實(shí)時(shí)指示驅(qū)動模塊和IGBT 的運(yùn)行狀態(tài);

(2)記錄系統(tǒng)各狀態(tài)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用;

(3)在故障時(shí)發(fā)出故障報(bào)警，并發(fā)出信號使下位機(jī)封鎖PWM 驅(qū)動信號。

圖7 LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)流程

4 系統(tǒng)測試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證開路故障設(shè)計(jì)方案的可行性，本研究運(yùn)用故障診斷電路對有源電力濾波器樣機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行了測試。在實(shí)驗(yàn)中，筆者通過移去IGBT 的驅(qū)動信號來模擬IGBT 開路故障，最后DSP 通過串口將故障信號發(fā)送到LabVIEW 上位機(jī)［11-12］。當(dāng)模擬T2發(fā)生故障時(shí)，該系統(tǒng)能指示T2故障并報(bào)警，同時(shí)發(fā)送命令給DSP 封鎖PWM 的輸出。

從診斷結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)能夠?qū)τ性措娏V波器進(jìn)行故障檢測并快速地診斷出IGBT 故障位置。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)研究了有源電力濾波器的故障診斷系統(tǒng)，闡述了故障診斷原理，并設(shè)計(jì)了APF 驅(qū)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(shí)序圖，驗(yàn)證了故障診斷系統(tǒng)的有效性。

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)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(jù)，具有良好的應(yīng)用前景。

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