金楠，代东任，王志国，朱妍，杨光露,
1.郑州轻工业大学 电气信息工程学院，河南 郑州 450002；
2.河南中烟工业有限责任公司 南阳卷烟厂，河南 南阳 473003
卷烟生产过程中制丝、打叶、输送、除尘等过程使用的变频器是典型的谐波污染源[1-2]。近年来，卷烟厂配电线路多使用有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)动态抑制谐波电流，其核心是实时检测配电线路中的谐波电流，作为APF的补偿指令信号，产生实际的补偿电流，然后通过向车间配电系统注入补偿电流，消除卷烟生产过程中产生的谐波电流污染[3]。APF中使用的功率开关器件通常处于高电压、大功率的电气环境中，在高频开关状态工作时，容易发生故障[4-5]。
容错控制是APF发生故障时的自愈控制技术[6-8]，能提高APF运行过程中的可靠性，主要包括硬件容错和软件容错。P.Azer等[7]通过增加第四桥臂实现容错控制，当桥臂故障发生时，利用冗余桥臂替换故障桥臂，但该方法成本较高，所使用设备体积大。胡常胜等[8]提出，增加冗余IGBT器件可实现APF的故障容错，但该方法忽略了多余器件运行导致的散热及成本增加问题。虽然硬件容错能力整体上较强，但需要增加冗余器件，改变了电路结构。软件容错方案不需要增加冗余开关器件，控制更为灵活。金楠等[9]利用多电平冗余电压矢量，重构容错运行的空间电压矢量集，但该方法只适用于单管故障，无法实现桥臂多管故障容错控制。张建忠等[10]提出了基于三电平的冗余矢量水平与垂直桥臂器件APF容错控制策略，但该方法仅适用于单管故障。
目前，卷烟厂配电系统多采用软件容错方案，在不增加硬件成本的情况下，增强APF容错自愈能力。卷烟厂配电系统通常谐波含量较大，在桥臂故障容错控制的基础上，优化APF谐波辨识速率，可明显增强卷烟厂谐波治理效果。王一帆等[11]提出基于瞬时无功理论的ip-iq谐波检测法，但该方法中一阶低通滤波器产生的检测延时影响了谐波补偿精度。王子绩等[12]提出一种将锁相环鉴相器与Park变换相结合的新型检测算法，可消除电压畸变造成的检测误差，但基于瞬时无功功率理论的谐波检测算法，仅能测量谐波分量的总和，动态响应速度较慢[13]。
基于此，本文拟提出一种APF桥臂故障模型预测容错控制方法。该方法中建立了故障容错APF谐波补偿电流的预测模型，并改进谐波快速检测方法，以期解决卷烟厂配电APF工作过程中因功率开关器件故障导致配电线路电能质量下降影响卷烟生产的问题，同时为提高APF的故障容错运行能力提供新的研究思路。
1.1 容错结构运行原理
卷烟厂APF(NPC三电平)的容错控制结构如图1所示。由图1可知，双向晶闸管(TR)与ABC三相线路及直流侧电容中点连接，熔断器F1—F3用于防止同一相功率器件失效而导致的直通故障。有源电力滤波器正常运行时，双向晶闸管TR保持关断状态。当某相桥臂功率器件失效时，封锁故障相功率器件S1—S4的驱动信号，使其处于关断状态。驱动故障相TR，构成带中性点的三相八开关 APF桥臂故障容错结构(如图2所示)。APF(NPC三电平)容错控制矢量图如图3所示。由图3可知，其空间电压矢量分布由8个非零电压矢量和1个零电压矢量构成，容错后的菱形空间电压矢量分布使合成的电压矢量能够在空间内以基波频率旋转，实现卷烟厂APF容错运行。
1.2 APF桥臂故障数学建模
由图1可得NPC三电平APF电压方程式：
图1 卷烟厂APF(NPC三电平)容错控制结构Fig.1 Circuit structure of active power filter(three-level NPC)in cigarette factory
式中，uαβ=[uα，uβ]表示两相αβ静止坐标系下输出电压；
iαβ=[iα，iβ]表示两相αβ静止坐标系下输出电流；
eαβ=[eα，eβ]表示两相αβ静止坐标系下并网点电压；
R表示滤波电感寄生电阻，L表示滤波电感。
图2 APF桥臂故障容错结构Fig.2 Bridge arm fault-tolerant circuit structure of active power filter in cigarette factory
图3 APF(NPC三电平)容错控制矢量图Fig.3 Space voltage vector distribution of APF(three-level NPC)fault-tolerant structure in cigarette factory
在正常运行时，APF的27种开关状态对应19种空间电压矢量。发生桥臂故障后，有效开关状态降至9种，对应9个空间电压矢量，对应的菱形空间电压矢量见图3。为计算APF输出电压，定义开关函数为Si(i=a，b，c)：
APF发生桥臂故障后，在两相静止坐标系下输出的电压uα、uβ：
式中，Udc为直流侧电压。
故障容错后的卷烟厂APF电流预测模型为：
i(k+1)=Fi(k)+Guu(k)+Gee(k)
卷烟生产线变频驱动器产生的谐波电流是引起车间配电线路谐波的主要因素，包含5次、7次、11次、13次、17次等非3整数的奇数次谐波[14]。2021年10月对河南中烟南阳卷烟厂车间内卷包机、除尘机的设备线路进行谐波分析，发现奇次谐波对卷烟生产加工影响较大。除尘机专线谐波检测结果如图4所示。以除尘机设备专线为例，图4a)中线路电压为正弦波形，图4b)中谐波电流导致线路电流波形严重畸变。通过快速傅里叶变换(FFT)进行频谱分析(如图4c) )，线路电流中5次、7次、11次及13次等奇次谐波含量较高。为降低谐波电流对卷烟生产的影响，使用有源电力滤波器动态控制卷烟车间配电线路谐波，提高线路供电电能质量。
图4 除尘机专线谐波检测结果Fig.4 Harmonic detection results of dust collector power line
有源电力滤波器需要实时检测卷烟厂配电线路的各次谐波。基于瞬时无功理论与多同步旋转坐标系理论的ip-iq法[15]，需要使用一阶低通滤波器，动态性能较差，提取的谐波补偿参考值精度较低，误差较大。吴振军等[16]利用低通滤波器预先滤除高次谐波，可有效避免有源电力滤波器并网节点高次谐波的影响。为提高谐波检测动态响应速度，降低精度误差，本文设计了基于二阶广义积分器正交信号发生器[17](Second-Order-Generalized-Integrator, SOGI)的改进二阶广义积分谐波检测方法，其结构如图5所示。
2.1 采集电流预处理
由于卷烟厂车间含有大量谐波，对谐波检测模块影响较大，需要预先滤除传感器采集电流中的谐波。对三相谐波采集电流ia、ib、ic进行Clark变换，得到两相静止坐标系下的电流iα、iβ，将其作为输入，SOGI输出两组正交电流i′α、qi′α与i′β、qi′β：
将i′α乘系数1/n，再与qi′β相加，可滤除α轴谐波电流n次谐波，同理i′β乘系数1/n，再与qi′α相减，滤除β轴谐波电流n次谐波：
2.2 基波参考电流计算
首先对电流i″α、i″β进行正负序分离：
①
②
③
检测电流iα、iβ与基波电流相减，得到谐波补偿分量iαref、iβref，如下式:
④
2.3 谐波补偿电流计算
两相静止坐标系下，式①与式②中对应α轴和β轴分量分别相加得到基波，同式③。两相静止坐标系下检测电流iα、iβ与基波电流相减，得到谐波补偿分量iαref、iβref，同式④。
卷烟车间的谐波源较多，谐波种类复杂多变，对APF的控制性能提出了更高要求，常规PI控制动态性能较弱，因此在南阳卷烟厂的APF控制系统中应用模型预测控制算法。模型预测控制具有控制延时短、无需PWM调制、处理多约束问题能力强等优点。针对APF桥臂故障容错结构设计的卷烟厂APF模型预测容错控制系统结构如图6所示。
图5 改进二阶广义积分谐波检测方法结构图Fig.5 Flow chart of harmonic current measurement method with improved second order generalized integrals
将卷烟厂配电线路的三相电流ia、ib、ic作为输入量，经过SOGI谐波快速检测模块，计算得到谐波参考电流。使用电网电压eα，eβ和当前时刻并网电流iα，iβ对下一时刻并网电流进行预测。将预测电流与参考电流的误差绝对值作为代价函数，如下：
g=|iαref-iα(k+1)|+|iβref-iβ(k+1)|
在容错控制的菱形电压矢量集内，优选满足代价函数最小的开关状态进行谐波补偿，即优选代价函数最小时对应的电压矢量作为最优电压矢量，作用于APF的下一时刻，输出谐波补偿电流，抵消卷烟厂配电线路的谐波。
使用NI公司的PXIe-1071搭建硬件在环实验平台，在功率电路模块搭建APF的拓扑实验电路，在DSP控制模块中编写APF模型预测容错控制代码，实现半实物闭环控制。利用该平台对本文卷烟厂APF桥臂断路故障容错控制系统性能进行半实物实验验证，使用YOKOGAWA DLM4000混合信号示波器作为测试仪器。DSP控制模块通过信号转接板将12/8路IGBT开关信号传递至功率模块，硬件在环实验平台如图7所示。南阳卷烟厂除尘机专线实测谐波参数如表1所示(2021年10月于南阳卷烟厂采集的数据)。根据除尘机专线谐波实测参数，设置待治理线路谐波含量。APF容错控制仿真参数如表2所示。
有源电力滤波器投运后，被治理线路的总谐波失真(THD)降至3.19%。A相桥臂故障治理前后线路波形对比如图8所示，治理线路谐波分析如图9所示。由图8和图9可知，当A相上下桥臂开关管同时发生故障时，电流波形畸变严重，THD增至9.91%。导致谐波治理效果减弱的主要原因是APF的A相发生故障后，三相输出补偿电流波形误差会同时增大。有源电力滤波器通过双向晶闸管与熔断器，使A相与电容中点直连形成虚拟桥臂，构成硬件容错控制结构，与此同时，APF切换至冗余控制，容错控制后被治理线路电流波形畸变减弱，波形THD降至4.87%，卷烟厂配电系统谐波治理的可靠性和故障容错能力明显提高。
图6 卷烟厂APF模型预测容错控制结构Fig.6 APF model predictive fault-tolerant control structure in cigarette factory
图7 硬件在环实验平台Fig.7 Hardware-in-the-loop experimental platform
表1 南阳卷烟厂除尘机专线实测谐波参数Table 1 Harmonic parameters of duster line in Nanyang cigartette factory
表2 APF容错控制仿真参数Table 2 Parameters of the simulation of APF fault control
图8 A相桥臂故障治理前后线路波形对比Fig.8 Waveform comparison of regulated lines before and after A-phase bridge arm failure
图9 治理线路谐波分析Fig.9 Waveform of APF fault-tolerant control
为了提高卷烟厂配电系统APF运行可靠性，本文提出一种APF桥臂故障模型预测容错控制方法。该方法首先分析了三相八开关容错结构的工作原理，阐明了不同故障下的电压矢量关系，建立了桥臂故障后的APF补偿电流预测模型；
然后基于二阶广义积分设计了一种快速谐波电流检测方法，为APF输出谐波补偿参考信号；
在容错控制的菱形电压矢量集内，优选满足代价函数最小的开关状态，进行谐波补偿。该方法无需传统PWM调制，易于工程应用。南阳卷烟厂半实物实验数据表明该方法能实现APF桥臂故障容错运行，线路THD由9.91%降至4.87%，可有效提高卷烟厂配电系统谐波治理的可靠性和故障容错能力。