论文部分内容阅读
作为电能质量调节系统,有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)以电力电子变流器为核心,采用脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)技术和双闭环控制策略治理谐波电流和补偿无功功率,有效地改善了电网的电能质量。但是,有源电力滤波器具有电力电子开关器件本身的脆弱性,并且长期工作在高频、高压和高温下,存在易于发生短路和开路故障等问题；经验表明,1GBT和直流侧电容故障占到故障总数的50%以上,极大地影响了有源电力滤波器系统的可靠性。因此,本文通过机理建模和系统辨识等技术手段对有源电力滤波器系统的IGBT和直流侧电容的故障进行快速诊断和精确定位,为有源电力滤波器系统的高可靠容错控制奠定基础。首先阐述了IGBT的故障机理和故障类型,重点研究了短路故障和开路故障后的具体原因和电参数的变化；采用系统辨识的方法分析了故障条件下电压和电流的特点,分别从诊断时间、算法复杂度、定位准确性以及可靠性等角度探讨了开路故障的诊断方案；从逆变器的故障诊断领域介入,改进了下管电压法和平均电流法；在总结电压法和电流法各自特点的基础上提出了基于电流残差的故障诊断方案,并通过数学模型分析了其诊断原理；建立了一套电力电子故障诊断算法的综合评价体系,并对五种典型故障诊断方法从六个维度进行深入分析和全面评估,并基于仿真实验验证了电流残差法的优越性。其次剖析了直流侧电容的内部结构和失效机理,建立了直流侧电容的等效电路和数学模型；分析了等效串联电阻和等效电容与电容失效之间的数量关系,给出了直流侧电容的失效判定依据,并通过理论分析和数学推导建立了剩余寿命预测模型；提出了基于非工频正弦电流激励的电容实时在线检测方法,设计了非工频带通和带阻滤波器,通过研究激励下电容两端电压和电流的同频响应,在不影响系统运行特性的基础上能够在线测量出电容值,为寿命预测模型的验证奠定了基础。最后设计了有源电力滤波器的双闭环PI控制器,建立了MATLAB/Simulink环境下的仿真平台。仿真结果表明,基于电流残差的故障解决方案相较于下管电压和平均电流方案具有明显优势,实现了诊断快速、定位精准、成本低廉和不受负载影响的目标；基于非工频正弦电流激励的电容在线检测方法诊断精度高、误差小,满足剩余寿命预测的要求。