以提高電能質(zhì)量為目的,配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器(DSTATCOM)作為低壓配電網(wǎng)的電能補(bǔ)償設(shè)備,具備補(bǔ)償無功功率和治理三相負(fù)載不平衡的能力,近些年得到了越來越廣泛的應(yīng)用。DSTATCOM的核心單元一般由IGBT等可控半導(dǎo)體功率器件構(gòu)成。隨著多電平技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,DSTATCOM系統(tǒng)中的半導(dǎo)體數(shù)量也隨著拓?fù)涞膹?fù)雜呈現(xiàn)增加趨勢,一旦開關(guān)器件出現(xiàn)故障將直接影響整個DSTATCOM系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此讓DSTATCOM系統(tǒng)具備開關(guān)器件故障診斷和容錯控制功能是十分必要的。本文以基于兩電平、NPC三電平以及T型三電平三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三橋臂(四線制)電容中分式DSTATCOM為研究對象,對其開關(guān)器件的開路故障診斷和容錯控制進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究。本文呈現(xiàn)的主要策略在一定程度上具備通用性,即故障檢測和容錯控制方法也可能適用于類似拓?fù)涞钠渌麘?yīng)用場合。首先,本文對DSTATCOM開關(guān)器件單管開路故障電流進(jìn)行了詳細(xì)的解析。立足于DSTATCOM內(nèi)部,對基于兩電平、NPC三電平以及T型三電平的三種拓?fù)涞膯喂荛_路故障發(fā)生后的故障電流路徑、三相輸出點(diǎn)對電容中點(diǎn)電壓的畸變規(guī)律進(jìn)行了詳盡地描述和對比�；谏鲜龉收想娏鞣治�,提出了開路故障零電流現(xiàn)象和單管開路故障的數(shù)學(xué)模型。對兩電平、NPC三電平以及T型三電平拓?fù)涞拈_路故障態(tài)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了對比,并基于上述數(shù)學(xué)模型提出了一種基于電流變化率的故障電流定量分析方法。歸納了開路故障發(fā)生后,故障電流畸變的原因、故障電流增大或減小的規(guī)律。特別的,首次證明了DSTATCOM在感性和容性兩種工況下的故障電流跌為零的原因、零電流來臨的時(shí)刻以及零電流的絕對時(shí)長。其方法和結(jié)論給定量分析其他變流器系統(tǒng)開路故障電流提供了思路和方法,以及可能為探尋變流器開關(guān)器件開路故障策略提供了新思路。然后,本文提出了兩種新穎的單管開路故障診斷方法。第一種是基于誤差電壓相似度的開路故障診斷方法,其原理是通過比較預(yù)測的變流器輸出點(diǎn)的電位和真實(shí)的變流器輸出點(diǎn)電位的誤差相似度來鎖定開路故障位置。提出了兩種獲取變流器輸出點(diǎn)電位的方法,即電位誤差解析法和回路方程法。其中電位誤差解析法的作用是預(yù)測輸出點(diǎn)電位,回路方程法的作用是求得真實(shí)的變流器輸出點(diǎn)電位。為了減少開關(guān)頻率、采樣頻率、死區(qū)、傳感器帶寬等帶來的噪聲影響,提出了一種基于FPGA的二階Butterworth低通濾波器降噪策略,大大提高了故障定位精度。文中給出了濾波器的FPGA算法框架和具體實(shí)現(xiàn)過程。為了篇幅考慮,具體的故障檢測過程只在基于NPC三電平拓?fù)涞腄STATCOM系統(tǒng)上完成,其也適用于其他兩種拓?fù)涞难a(bǔ)償系統(tǒng)。此故障定位策略不需要額外的傳感器;不受負(fù)載大小影響;不受負(fù)載突變的影響;適用于不平衡負(fù)載工況;響應(yīng)速度不超過兩個工頻周期。其缺點(diǎn)在于需要FPGA或CPLD等具備快速運(yùn)算能力的控制單元。提出的第二種故障檢測方法是基于正負(fù)序和零序電壓分離的開路故障診斷方法。針對T型三電平拓?fù)涞乃木�制DSTATCOM系統(tǒng),分析系統(tǒng)輸出脈沖矢量失效機(jī)理,分析故障脈沖矢量在3D-SVM的α-β平面和0軸的等效偏移規(guī)律,來定位開路故障。α-β平面的偏移對應(yīng)正負(fù)序電壓誤差的等效偏移,0軸的偏移等效零序電壓誤差的等效偏移。其具體實(shí)現(xiàn)過程首先獲取三相輸出點(diǎn)對電容中點(diǎn)電壓表達(dá)式,并將其與控制器中參考給定電壓同時(shí)進(jìn)行正負(fù)序和零序電壓分離。然后分別求取正負(fù)序電壓誤差和零序電壓誤差,并對應(yīng)故障脈沖矢量的等效偏移來定位故障。其故障檢測方法的優(yōu)點(diǎn)在于其適用于四線制DSTATCOM不平衡負(fù)載工況。不需要額外的傳感器。此定位策略也適用于NPC三電平以及兩電平拓?fù)�。然�?本文提出了一種DSTATCOM開關(guān)器件開路故障在線風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)策略。已存在的文獻(xiàn)大多將焦點(diǎn)放在開路故障發(fā)生后的措施。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),如果評價(jià)潛在開路故障對DSTATCOM補(bǔ)償系統(tǒng)的影響呢?基于此考慮,本文首次提出了一種開路故障在線風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)機(jī)制,引入風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)變量來量化潛在開路故障對補(bǔ)償系統(tǒng)造成的影響,并進(jìn)而提出了一種開路故障診斷優(yōu)化策略,其主要利用獲得的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)來優(yōu)化故障檢測決策函數(shù),放大故障本身對決策函數(shù)的影響權(quán)重,一定程度上減弱負(fù)載突變或系統(tǒng)干擾對決策函數(shù)的影響權(quán)重,從而提高故障檢測方法的魯棒性和準(zhǔn)確性,預(yù)防誤診斷信號的產(chǎn)生。在定位單管開路故障后,本文針對開關(guān)器件開路故障提出了一種新穎的矢量容錯方法。分析了文獻(xiàn)中已存在的通過調(diào)整PWM開關(guān)矢量的容錯方法不能適用于四線制系統(tǒng)的原因。提出了一種適用于四線制DSTATCOM的開關(guān)矢量級的開路故障容錯方法。詳細(xì)介紹了新型3D正交坐標(biāo)系下容錯脈沖組合的選擇,脈沖作用時(shí)間計(jì)算方法。其次,考慮到四線制系統(tǒng)母線中點(diǎn)電位可能發(fā)生的不平衡現(xiàn)象,在容錯策略基礎(chǔ)上,提出一種主動控制直流上下母線平衡的控制算法。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出容錯控制策略的效果。最后,為驗(yàn)證本文中的主要結(jié)論,分別設(shè)計(jì)了容量100kVar的基于兩電平、NPC三電平以及T型三電平拓?fù)涞碾娙葜蟹质饺嗨木�制DSTATCOM實(shí)驗(yàn)樣機(jī)(見附錄)。分別對其樣機(jī)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,并給出了正常工作狀態(tài)下的相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM761
【部分圖文】：

路 0.0083 0.1629 0.5092 B μB1μB2μB3路 0.9055▲ 0.4879 0.1597 路 0.5248 0.9886▲ 0.9055 路 0.3884 0.9030 0.9894▲ 路 0.0318 0.1623 0.5377 C μC1μC2μC3路 0.9037▲ 0.5687 0.1924 路 0.5113 0.9896▲ 0.9062 路 0.4550 0.9038 0.9899▲ 路 0.0710 0.2095 0.6114 故障檢測方法，搭建了基于 NPC 平臺，如圖 3-10 所示。關(guān)于平臺電壓 380V、電抗器 0.6mH、直流率 80kHz。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2893866