CN111509732A - 具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置及补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置及补偿方法，属于电网电能质量控制中的无功电流补偿和谐波电流抑制领域。本发明针对现有无功补偿装置在开关管故障情况下不能实现良好的容错运行和实时的补偿无功和抑制谐波。本发明包括检测模块、控制器和功率变换器，控制器包括整体均压控制模块、相内均压控制模块、电网锁相环模块、无功谐波电流分离模块、准比例谐振控制模块和载波层叠模块。本发明实现了在开关管故障时，使***安全可靠地在正常运行的情况下运行，并且实时地补偿无功和抑制谐波。
Description
技术领域
本发明涉及电网电能质量控制中的无功电流补偿和谐波电流抑制领域，特别是具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置剂补偿方法。
背景技术
随着电力电子技术的进步，生活中和生产中的电力电子设备产生的无功和谐波电流对电网冲击越来越大，例如变频空调、洗衣机、电力机车。当无功和谐波电流流入电网时，导致电网电流波形发生畸变和功率因数降低。电网含有无功谐波电流时，会对电力电子设备产生极大的影响。电网无功和谐波电流也会影响电力电子设备的正常工作，因此补偿无功和谐波电流是电能质量领域一个重要的课题。
无功补偿装置可以充分治理无功和谐波电流，但电力电子器件在不利条件下可能发生故障。尤其是高频器件，例如IGBT、MOSEFET等在高压环境下容易发生开路或短路故障。无功补偿装置的容错控制是指无功补偿装置中的电力电子器件在发生短路或开路故障时，及时检测以及改变开关策略切除故障器件，使***正常运行的情况下能够安全可靠地运行，并且可以实时地补偿无功和抑制谐波。目前，多电平变换器如二极管箝位式拓扑、飞跨电容式拓扑、级联H桥式拓扑无法实现容错运行。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置及补偿方法，使变换器开关管故障时装置仍然能够正常运行。
本发明一方面提供了具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置，包括检测模块、控制器和功率变换器，控制器包括整体均压控制模块、相内均压控制模块、电网锁相环模块、无功谐波电流分离模块、准比例谐振控制模块和载波层叠模块；
所述功率变换器包括结构相同的A相换流器、B相换流器和C相换流器，A相换流器包括电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、二极管Da1和二极管Da2、电容C1和电容C2，所述电容C1、电容C2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6依次串联连接，开关管S1和开关管S2串联后并接在电容C1和电容C2两端，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6分别接在开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6的集电极和发射极之间，二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10依次串联，所述二极管D7和二极管D9的连接点与电容C1和电容C2的连接点连接，二极管D8和二极管D10连接点与开关管S1和开关管S2的连接点连接，所述二极管Da1和二极管Da2串联后两端分别接在开关管S3和开关管S4的连接点和开关管S5和开关管S6的连接点。
进一步的，当开关管S1和开关管S2故障时，功率变换器通过开关S7与开关管S3、S4、S5、S6及二极管Da1、Da2组成三电平拓扑，输出三电平的相电压；当开关管S3和开关管S6故障时，功率变换器通过开关S7与开关管S1、S2、S4、S5及二极管Da1、Da2组成三电平拓扑，输出三电平的相电压。
进一步的，所述具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置包括LCL滤波器。
进一步的，所述检测模块包括功率变换器输出电流检测模块、负载电流检测模块和电网电压检测模块。
进一步的，所述无功谐波电流分离模块包括：
三相负载电流坐标变换模块，生成负载电流有功电流基波、无功电流分量和谐波电流分量；
滑动均值滤波模块，滤出无功电流分量和谐波电流分量后得到负载电流有功基波；
直流侧电压PI控制模块，通过母线电压生成***有功分量；
三相电流坐标反变换模块，得到给定补偿电流。
本发明提供的具有容错功能的多电平拓扑无功补偿方法，通过本发明提供的具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置实现，具体包括如下步骤：
S1、检测模块检测负载电流、电网电压和功率变换器的输出电流；
S2、所述控制器通过检测模块检测的负载电流数据、电网电压数据和功率变换器的输出电流数据得到调制波数据；
S3、判断此时功率变换器是否为正常状态，若是，则进行步骤S4，若否，则进行步骤S5；
S4、步骤S2所述调制波数据采用正常状态载波层叠调制生成调制波；
S5、判断是否为开关管S1-S2容错工况，若是，则进行步骤S6，若否，则进行步骤S7；
S6、步骤S2所述调制波数据采用开关管S1-S2故障状态载波层叠调制方法生成PWM信号；
S7、步骤S2所述调制波数据采用开关管S3-S6故障状态载波层叠调制方法生成PWM信号。
进一步的，步骤S2包括：
S21、对采样的电网电压信号、负载电流信号和功率变换器输出的电流信号进行偏置滤波处理；
S22、所述将电网电压信号通过锁相环锁定相电压的相角；
S23、结合所述相角进行三相负载电流坐标变换，得到负载电流的有功基波、无功电流分量和谐波电流分量；
S24、滤除所述无功电流分量和谐波电流分量得到负载电流的有功基波；
S25、母线电压经PI闭环控制生成***的有功分量；
S26、进行三相电流坐标反变换，得到给定补偿电流；
S27、所述给定补偿电流与实际补偿电流做差经准比例谐振控制生成调制波数据。
进一步的，步骤S3所述判断此时功率变换器是否为正常状态的方法为：检测开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S6导通时的压降来判断开关管是否为开路，当开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S6都不为开路时为正常状态。
进一步的，所述开关管S1-S2容错工况的方法为：检测开关管S1和开关管S2导通时的压降判断开关管是否为开路，当开关管S1或S2开路是开关管S1-S2故障工况。
进一步的，所述开关管S3-S6容错工况的方法为：检测开关管S3和开关管S6导通时的压降判断开关管是否为开路，当开关管S3或S6开路是开关管S3-S6故障工况。
如上所述，本发明提供的具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置及补偿方法，具有如下效果：
1、本发明提供的一种具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置，使功率变换器在其开关管故障时仍然能够正常运行，交流侧采用LCL滤波器可以减少电流中的高次谐波含量，提高***的动态响应；
2、控制器中的无功谐波电流分离模块结合准比例谐振控制模块快速准确实现电流跟踪，全通滤波器锁相环可以实现快速锁相，采用FPGA采样和***控制速度更快、更高效。
3、本发明的功率变换器为多电平变换器，可以输出更好的电压波形，谐波含量更少，并且具有容错功能，在故障情况下依然可以运行；
4、本发明的无功补偿装置及补偿方法同样适用于在电网不平衡和电网含有谐波下的补偿，当电网不平衡时，三相电网电压不平衡且含有谐波，因此传统的基于同步坐标系的锁相环不适用不平衡电网，传统延迟法、微分法不适用于电网含有谐波，使用全通滤波器锁相环可以有效地解决在电网不平衡和电网含有谐波下的无功补偿和谐波抑制。
附图说明
图1本发明具体实施例的具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置的***整体框图；
图2本发明具体实施例的功率变换器的电路原理图；
图3为具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置正常运行A相输出VS时电流回路；
图4为具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置正常运行A相输出VS/2时电流回路；
图5为具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置正常运行A相输出0时电流回路；
图6为具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置正常运行A相输出-VS/2时电流回路；
图7为具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置正常运行A相输出-VS时电流回路；
图8为具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置的S1或S2开关故障时A相输出VS/2时电流回路；
图9为具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置的S1或S2开关故障时A相输出0电平时电流回路；
图10为具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置的S1或S2开关故障时A相输出-VS/2时电流回路；
图11为具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置的S3或S6开关故障时A相输出VS/2时电流回路；
图12为具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置的S3或S6开关故障时A相输出0电平时电流回路；
图13为具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置的S3或S6开关故障时A相输出-VS/2电平时电流回路；
图14为本发明全通滤波器法锁相环的原理框图；
图15为载波层叠原理图；
图16为本发明具体实施例的功率变换器交流侧输出相电压波形图；
图17为本发明具体实施例的功率变换器中点电压波形图；
图18为本发明具体实施例在阻感性负载下A相补偿前电网电压和电流波形图；
图19为本发明具体实施例在阻感性负载下A相补偿后电网电压和电流波形图；
图20为本发明具体实施例在非线性负载下A相补偿前电网电流波形图；
图21为本发明具体实施例在非线性负载下A相补偿后电网电流波形图；
图22为本发明具体实施例S1、S2开关故障时容错前后网侧电流波形图；
图23为本发明具体实施例S3、S6开关故障时容错前后网侧电流波形图；
图24为本发明具体实施例直流母线电容电压采样电路；
图25为本发明具体实施例交流电压采样电路；
图26为本发明具体实施例交流电流采样电路；
图27为本发明具体实施例驱动信号隔离电路；
图28为本发明具体实施例光纤通信接口电路；
图29为本发明具体实施例主程序流程图；
图30为本发明具体实施例A/D中断程序流程图；
图31为本发明具体实施例状态判断程序流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本实施例的本发明一方面提供了具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置，包括检测模块、控制器、功率变换器和LCL滤波器，控制器包括整体均压控制模块、相内均压控制模块、电网锁相环模块、无功谐波电流分离模块、准比例谐振控制模块和载波层叠模块；
所述无功谐波电流分离模块包括：
三相负载电流坐标变换模块，生成负载电流有功电流基波、无功电流分量和谐波电流分量；
滑动均值滤波模块，滤出无功电流分量和谐波电流分量后得到负载电流有功基波；
直流侧电压PI控制模块，通过母线电压生成***有功分量；
三相电流坐标反变换模块，得到给定补偿电流。
所述准比例谐振控制模块的输入量为给定补偿电流与实际补偿电流的差，通过传递函数输出调制波信号，用以对输入的交流信号进行闭环控制，使实际补偿电流能跟踪上给定补偿电流。
所述功率变换器包括结构相同的A相换流器、B相换流器和C相换流器，如图2所示，A相换流器包括电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、二极管Da1和二极管Da2、电容C1和电容C2，所述电容C1、电容C2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6依次串联连接，开关管S1和开关管S2串联后并接在电容C1和电容C2两端，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6分别接在开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6的集电极和发射极之间，二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10依次串联，所述二极管D7和二极管D9的连接点与电容C1和电容C2的连接点连接，二极管D8和二极管D10连接点与开关管S1和开关管S2的连接点连接，所述二极管Da1和二极管Da2串联后两端分别接在开关管S3和开关管S4的连接点和开关管S5和开关管S6的连接点。
当开关管S1和开关管S2故障时，功率变换器通过开关S7与开关管S3、S4、S5、S6及二极管Da1、Da2组成三电平拓扑，输出三电平的相电压；当开关管S3和开关管S6故障时，功率变换器通过开关S7与开关管S1、S2、S4、S5及二极管Da1、Da2组成三电平拓扑，输出三电平的相电压。
本实施例中的控制器包括FPGA芯片10M16SCE144C8G、通信电路和驱动电路，FPGA主控电路负责算法处理和继电器控制，算法处理包括无功谐波电流检测、两级均压控制、基于准比例谐振电流跟踪控制、载波层叠调制和输出PWM信号；采样电路负责检测电容电压、三相电网电压、负载电流和装置补偿电流；通信电路负责FPGA与上位机通信，传输数据；驱动电路将FPGA输出的PWM信号经过隔离与功率放大驱动功率开关管。
所述整体电容电压控制为每相电容电压之和与参考电压比较经过PI得到电网提供给此装置的有功分量；相内电容均压为根据电流方向对调制波进行微调，然后与载波层叠比较得到功率开关管的PWM信号，驱动开关管对电容电压充放电来控制电容电压。
所述检测模块包括功率变换器输出电流检测模块、负载电流检测模块、直流母线电容电压采样模块和电网电压检测模块，所述电网电压采样模块如图24，电压采样使用星格互感器SPT204A，电网电压加在电阻两端生成电流量，外接采样电阻生成电压量，再经过二阶滤波、偏置、箝位送到FPGA采样口。
直流母线电容电压采样如图25所示，直流母线电容电压采样使用电压霍尔HVS-AS3.3，内置采样电阻将电流量转换为电压量，再经过RC滤波器和电压跟随器，滤除高频干扰和减小输出阻抗，最后送到A/D采样芯片。
所述三路负载电流和三路补偿装置输出的补偿电流信号的电流采样电路如图26所示，采用的电流传感器为星格互感器SCT254AK，最大输入电流5A，电流变比为5A:2.5mA，当外接680欧的采样电阻时，电流与采样电压的比例为100:34。通过检测与偏置电路，将检测信号抬高，将此采样信号送入的A/D采样口，就可以进行转换，然后进行运算。本实施例的A/D转换采用AD7606，是一款集成嵌位跟踪保持放大器、内部电压基准的16位逐次逼近型ADC。采样速率为200ksps，可以选择高速串行或并行输出，支持过采样以及数字滤波器。
主电路开关器件采用的是IPM模块，具有控制电压欠压保护、过温保护、过流保护等保护功能。驱动信号隔离电路如图27所示，为了实现控制电路与主电路的隔离，选用光耦隔离并驱动模块中的IGBT。由于工作频率为10kHz，当主电路开关器件导通关断时，电磁干扰脉冲将沿电路传播，严重的情况下将影响FPGA控制芯片的正常工作。为提高***的安全性能及抗干扰能力，采用HCPL4504高速光耦对主电路和控制电路进行电气隔离。采样反相器提高门级信号驱动能力。
光纤通信接口电路如图28所示，光纤通信采用1×9光纤模块，型号为GT-S1132-S3，光纤最大支持速率为155Mbps，TD+、TD-为光纤信号输入接口，RD+、RD-为光纤信号输出接口，1×9光纤电路输入输出电平标准为LVPECL，LVPECL物理接口使用2V偏置电压作为基准(共模直流电压)，提供大约700mV摆幅(差模电压)，但FPGA输出差分信号为LVDS电平，LVDS物理接口使用1.2V偏置电压作为基准(共模直流电压)，提供大约350mV摆幅(差模电压)，因此通过交流耦合和直流偏置电阻网络可以使LVPECL和LVDS实现电平匹配。
本发明提供的具有容错功能的多电平拓扑无功补偿方法，通过本发明提供的具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置实现，具体包括如下步骤：
S1、检测模块检测负载电流、电网电压和功率变换器的输出电流；
S2、所述控制器通过检测模块检测的负载电流数据、电网电压数据和功率变换器的输出电流数据得到调制波信号；
S21、对采样的电网电压信号、负载电流信号和功率变换器输出的电流信号进行偏置滤波处理；
S22、所述将电网电压信号通过锁相环锁定相电压的相角θ；
本实施例采用全通滤波器法锁相环(APF-PLL)对电网进行锁相，通过提取电网的正序基波分量来对电网锁相获得电网角度。
APF的传递函数为：
G(s)＝(ωn-s)/(ωn+s) (1)
式中：ωn为基波角频率。
根据其传递函频、相频特性曲线，APF可对输入频率为ωn的基波信号实现0dB增益，移相90°的功能。
对于三相三线制不平衡电网电压，因没有零序分量，电网三相电压向量公式：
对三相电网电压进行同步旋转变换，获得dq坐标系下的d、q轴电压：
将ud、uq使用全通滤波器(基波频率为2ωn)延迟90°，获得：
根据上式，通过转换得到dq轴下的正序分量，即相序分离：
式中，
为dq轴下的正序、负序分量。
根据以上公式，APF-PLL的原理框图如图14所示，最终获得q轴负序分量之后经过PI闭环控制与电网额定频率ωff得到ωn，输出锁相的角度θ，完成整个不平衡电网锁相环的控制。
S23、结合所述相角进行三相负载电流坐标变换，得到负载电流的有功基波、无功电流分量和谐波电流分量；
S24、滤除所述无功电流分量和谐波电流分量得到负载电流的有功基波；
S25、母线电压经PI闭环控制生成***的有功分量；
S26、进行三相电流坐标反变换，得到给定补偿电流；
步骤S23-S26可以采用现有技术中的方法实现，本实施例不再赘述。
S27、所述给定补偿电流与实际补偿电流做差经准比例谐振控制生成调制波数据。
现有PR控制器的传递函数为：
式中，ωn为PR控制器的谐振频率，kin为谐振系数。
由式中可得，在谐振频率ωn处，幅值增益为无穷大，可以无静差的跟踪正弦信号，相比于PI控制器，由于PR控制器在虚轴上有两个极点，输入信号在这两个极点频率处发生谐振，谐振的幅值增益非常大，在极点外的频率处增益迅速衰减，因此输入信号在谐振处有很好的调节特性。
谐振控制器理论上虽正确，因在谐振频率附近带宽极窄和增益太高，当负载和电网的参数发生波动时，PR控制器增益会出现不稳定的情况，不适用于实际应用。因此本实施例的准谐振控制器，采用一阶低通滤波器来替代复频域下的积分器，增加谐振频率处的带宽，减小增益，以此增加***的稳定性。
准PR控制器的表达式变为式(7)：
式中ωc为截止频率。
S3、判断此时功率变换器是否为正常状态，检测开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S6导通时的压降来判断开关管是否为开路，当开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S6都不为开路时为正常状态；若此时功率变换器处在正常状态，则进行步骤S4，若否，则进行步骤S5；
本实施例所述的功率变换器工作原理如下：
表1为改进容错拓扑电平正常工作情况下的开关状态表。
表1电平开关状态表
多电平容错拓扑的工作状态为：
(1)对于电压(VS)：图3a和b显示输出电平VS时电流方向及路径，设a到b为电流正方向。此时开关S1、S5、S6为导通状态，其余开关处于关闭状态。
(2)对于电压(VS/2)：图4a和b显示输出电平VS/2时电流方向及路径，此时开关S5、S6、S7导通，其余开关关闭。在此电平下，电流有两种情况，其中“iL>0”和“iL<0”分别代表电容C2在放电和充电。
(3)对于电压(0)：图5a和b显示输出电平0时电流方向及路径，此时开关S4、S5、S7导通，其余开关关闭。
(4)对于电压(-VS/2)：图6a和b显示输出电平-VS/2时电流方向及路径，此时开关S3、S4、S7导通，其余开关关闭。在此电平下，电流有两种情况，其中“iL>0”和“iL<0”分别代表电容C1在放电和充电。
(5)对于电压(-VS)：图7a和b显示输出电平VS时电流方向及路径，设a到b为电流正方向。此时开关S2、S3、S4为导通状态，其余开关处于关闭状态。
当多电平容错拓扑发生故障时，在IGBT开关管S1或S2、S3、S6上加上快速熔断器，当IGBT开关管发生短路故障时，熔断器快速熔断，切断故障开关管。因此，不管IGBT开关管开路或者短路故障，最终都会处在开路状态。本实施例的容错策略分为两个部分，当开关管S1和S2出现故障和开关管出现故障的控制策略不同，开关管开关状态不一样，但都从输出五电平结构变成输出三电平拓扑结构，变换器相电压变为原拓扑的一半，因此无功补偿装置的补偿能力也成为原拓扑的一半。
因此基于特定的开关状态，它们是总结在表2中，借助以下方法隔离故障开关的分支连接快速保险丝，将调制指数修改为一半，根据电平状态表切换策略。
当故障发生在开关管S1、S2所属桥臂时，表2为开关管S1或S2开路、短路电平开路状态表。
表2开关管S1或S2开路、短路电平开关状态表
S1或S2开关故障时，如图8-10所示，在开关管S1或开关管S2开关的故障下输出电平的各种状态。其中iL>0时，8a、9a、10a显示了电压VS/2、0和-Vs/2的电流路径，对于iL<0时，分别为8b、9b、10b显示了当前分别为电压Vs/2、0和-Vs/2的路径。
当故障发生在开关管S3、S6所属桥臂时，表3为开关管S3或S6开路、短路电平开路状态表。
表3开关管S3或S6开路、短路电平开关状态表
开关管S3或S6开关故障时，如图11-13所示，在开关管S3或开关管S6开关的故障下输出电平的各种状态。对于iL>0时，11a、12a、13a表示电压Vs/2、0和-Vs/2的电流路径，对于iL<0时，分别为11b、12b、13b显示电流分别为电压Vs/2、0和-Vs/2的路径。
S4、采用正常状态载波层叠调制生成调制波；
本发明采用载波层叠调制，载波层叠载波调制是利用一个调制信号波与多个载波信号比较。对于五电平换流器来说，采用4个幅值相同、频率相同的三角载波层叠在一起，和调制波信号比较，通过输出的电平对应功率管的开关状态。
因为多电平容错拓扑开关状态分为正常和容错情况，正常情况下拓扑输出五电平，容错情况下拓扑输出三电平，使用一般载波调制方法无法正确得到调制信号，因此使用载波层叠调制方式，可以兼容正常与容错情况。
正常情况下载波层叠调制：如图15所示，在正常情况下使用4个频率幅值初相角相同的三角波叠加到一起，调制波与层叠的载波进行比较，调制波与参考轴上的所有载波进行比较，当调制波每大于一个载波时，则输出1电平，否则输出0电平，将4个与载波比较后得到的电平数相加，于是得到每个时刻调制波对应的电平数，使用此电平数来对应拓扑的开关状态，控制变流器开关管的开通与关断。
S5、判断是否为开关管S1-S2容错工况，若是，则进行步骤S6，若否，则进行步骤S7；
S6、步骤S2所述调制波数据采用开关管S1-S2故障状态载波层叠调制方法生成PWM信号；
S7、步骤S2所述调制波数据采用开关管S3-S6故障状态载波层叠调制方法生成PWM信号。
由正常情况下可知，输出五电平的开关状态使用四个三角载波层叠在一起，步骤S6和步骤S7所述故障状态情况下载波层叠调制方法为：在容错情况下拓扑输出三电平，因为拓扑输出为三电平，于是在容错情况时，载波层叠使用两个三角载波，在容错时，为了防止过调制将调制波减半，再与参考轴上的所有载波进行比较，当调制波每大于一个载波时,则输出1电平，否则输出0电平，将2个与载波比较后得到的电平数相加，然后得到每个时刻调制波对应的电平数，使用此电平数来对应拓扑的开关状态。
图16是变换器输出相电压的波形，无功补偿装置在正常工作下输出五电平相电压，当出现容错状态时输出相电压变为三电平，变换器在0.2S时启动容错开关状态，变换器输出相电压从五电平变为三电平，表明变换器能够正常运行。
图17是变换器直流母线电压的波形图，由上到下分别为电容C1和C2，由图可知电容电压在500V附近小幅波动，可以满足变换器电压输出的要求。
***负载为阻感负载，电感值为10mH，电阻为40Ω，三相星型连接。图18是阻感性负载下A相电网侧补偿后的波形图，由图18可知，补偿前A相电网电流明显滞后于电压波形。图19是阻感性负载下A相电网侧补偿后的波形图，补偿后电流和电压相位基本一致，功率因数接近于1，表明装置具有良好的无功补偿能力。
***负载为三相不可控整流桥，整流桥后接50Ω电阻。图20是非线性负载下A相网侧补偿前的波形图，补偿前三相电网电流畸变严重，含有大量谐波。图21是非线性负载下A相网侧补偿后的波形图，装置补偿后电网电流接近于正弦波，表明装置具有良好的谐波抑制能力。
为验证变流器容错性能，在三相不可控整流桥负载下，图22是开关管S1、S2开关故障时容错前后网侧电流波形图，***仿真时间到0.08s时，开关管S1、S2开关断路，此时网侧电流波形畸变，仿真时间到0.1s时切换到容错控制状态，网侧波形重新恢复，可以看出容错前后电流补偿波形前后基本一致。图23是开关管S3、S6开关故障时容错前后网侧电流波形图，***仿真时间到0.08s时，S3、S6开关断路，此时网侧电流波形变差，仿真时间到0.1s时切换到容错控制状态，网侧波形重新恢复，可以看出容错前后电流补偿波形前后基本一致。表明装置具有良好的容错动态补偿能力。
图29为***的主程序流程图，本***采用INTEL公司FPGA芯片MAX10控制，上电时各模块进行初始化，包括***初始化、IO初始化、中断初始化、A/D初始化和通信模块初始化，初始化完毕之后***开始等待中断产生。A/D中断程序流程图如图30所示，采样模块对采样的电压电流量进行偏置滤波等处理，数字锁相环锁定A相电压的相角，无功谐波电流检测模块使用ip-iq电流检测法分离负载中的无功及谐波电流，电容均压模块使用整体均压模块和相内电容均压模块两级均压方式控制电容电压，调制波生成模块将变换器给定输出电流与变换器实际输出电流做差，经电流闭环控制生成调制波信号。
图31为状态判断流程图，当接收到调制波信号时，判断变流器所属状态。当切换到正常状态时，通过正常载波层叠状态调制生成PWM信号经隔离放大驱动开关管；当切换到S1、S2或S3、S6故障容错状态时，切换至对应容错状态载波层叠调制，生成PWM信号经隔离放大驱动开关管。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置，其特征在于，包括检测模块、控制器和功率变换器，控制器包括整体均压控制模块、相内均压控制模块、电网锁相环模块、无功谐波电流分离模块、准比例谐振控制模块和载波层叠模块；
所述功率变换器包括结构相同的A相换流器、B相换流器和C相换流器，A相换流器包括电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、二极管Da1和二极管Da2、电容C1和电容C2，所述电容C1、电容C2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6依次串联连接，开关管S1和开关管S2串联后并接在电容C1和电容C2两端，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6分别接在开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6的集电极和发射极之间，二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10依次串联，所述二极管D7和二极管D9的连接点与电容C1和电容C2的连接点连接，二极管D8和二极管D10连接点与开关管S1和开关管S2的连接点连接，所述二极管Da1和二极管Da2串联后两端分别接在开关管S3和开关管S4的连接点和开关管S5和开关管S6的连接点。
2.根据权利要求1所述具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置，其特征在于，当开关管S1和开关管S2故障时，功率变换器通过开关S7与开关管S3、S4、S5、S6及二极管Da1、Da2组成三电平拓扑，输出三电平的相电压；当开关管S3和开关管S6故障时，功率变换器通过开关S7与开关管S1、S2、S4、S5及二极管Da1、Da2组成三电平拓扑，输出三电平的相电压。
3.根据权利要求1所述具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置，其特征在于，所述具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置包括LCL滤波器。
4.根据权利要求1所述具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置，其特征在于，所述检测模块包括功率变换器输出电流检测模块、负载电流检测模块和电网电压检测模块。
5.根据权利要求1所述具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置，其特征在于，所述无功谐波电流分离模块包括：
三相负载电流坐标变换模块，生成负载电流有功电流基波、无功电流分量和谐波电流分量；
滑动均值滤波模块，滤除无功电流分量和谐波电流分量后得到负载电流有功基波；
直流侧电压PI控制模块，通过母线电压生成***有功分量；
三相电流坐标反变换模块，得到给定补偿电流。
6.具有容错功能的多电平拓扑无功补偿方法，其特征在于，通过权利要求1-5任一权利要求所述具有容错功能的多电平拓扑无功补偿装置实现，具体包括如下步骤：
S1、检测模块检测负载电流、电网电压和功率变换器的输出电流；
S2、所述控制器通过检测模块检测的负载电流数据、电网电压数据和功率变换器的输出电流数据得到调制波数据；
S3、判断此时功率变换器是否为正常状态，若是，则进行步骤S4，若否，则进行步骤S5；
S4、步骤S2所述调制波数据采用正常状态载波层叠调制生成调制波；
S5、判断是否为开关管S1-S2容错工况，若是，则进行步骤S6，若否，则进行步骤S7；
S6、步骤S2所述调制波数据采用开关管S1-S2故障状态载波层叠调制方法生成PWM信号；
S7、步骤S2所述调制波数据采用开关管S3-S6故障状态载波层叠调制方法生成PWM信号。
7.根据权利要求6所述具有容错功能的多电平拓扑无功补偿方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21、对采样的电网电压信号、负载电流信号和功率变换器输出的电流信号进行偏置滤波处理；
S22、所述将电网电压信号通过锁相环锁定相电压的相角；
S23、结合所述相角进行三相负载电流坐标变换，得到负载电流的有功基波、无功电流分量和谐波电流分量；
S24、滤除所述无功电流分量和谐波电流分量得到负载电流的有功基波；
S25、母线电压经PI闭环控制生成***的有功分量；
S26、进行三相电流坐标反变换，得到给定补偿电流；
S27、所述给定补偿电流与实际补偿电流做差经准比例谐振控制生成调制波数据。
8.根据权利要求6所述具有容错功能的多电平拓扑无功补偿方法，其特征在于，步骤S3所述判断此时功率变换器是否为正常状态的方法为：检测开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S6导通时的压降来判断开关管是否为开路，当开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S6都不为开路时为正常状态。
9.根据权利要求6所述具有容错功能的多电平拓扑无功补偿方法，其特征在于，所述开关管S1-S2容错工况的方法为：检测开关管S1和开关管S2导通时的压降判断开关管是否为开路，当开关管S1或S2开路是开关管S1-S2故障工况。
10.根据权利要求6所述具有容错功能的多电平拓扑无功补偿方法，其特征在于，所述开关管S3-S6容错工况的方法为：检测开关管S3和开关管S6导通时的压降判断开关管是否为开路，当开关管S3或S6开路是开关管S3-S6故障工况。
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