容错控制在并联型有源电力滤波器中的应用研究

兰州交通大学毕业设计外文翻译（译文）-1-容错控制在并联型有源电力滤波器中的应用研究摘要在过程控制系统中，来自传感器的测量信号常常被运用到控制系统、保护系统和设备状态监测系统中。在很大程度上，并联型有源电力滤波器的性能取决于获得当前指令信号的精度和当前指令信号的耐受能力。并联型有源电力滤波器本身就是一个谐波源，如果当前指令信号是不正确的，它会加重电网的污染。在采用先进技术的前提下，本文提出了一套综合的关于控制、监测、容错的方法。该方法具有许多良好的性能，如减少复杂的数学操作，迅速估计和隔离传感器故障及良好的耐受能力等等。最后，通过仿真实验表明了该方法的有效性。1.引言随着电力电子装置在电力系统中的广泛应用，各种非线性负载所产生的谐波电流的影响已经变得越来越严重。如何使得电力的利用变得高效率和低污染已引起越来越多的关注[1]。在有源电力滤波器的各种类型中，并联型有源电力滤波器能够有效地抑制谐波电流。随着各种产品的出现，对它的研究现在是一个热门的话题。在很大程度上,并联型有源电力滤波器的性能取决于获得当前指令信号的速度和精度以及逆变器的控制策略[2]。因此当前指令信号的精确测量和容错控制对有源电力滤波器的性能是非常重要的。如果控制信号是不正确的，有源电力滤波器就变成了谐波源。它不但不能改善电能质量,而且还会加重电网的污染。文献[3,4]中提出该故障诊断方法需要复杂的数学理论来计算，难以在实际中应用。文献[5]中提出容错控制方法适合三相变频驱动系统。根据这一考虑，结合基于人工神经网络的自适应测量谐波电流的方法和基于瞬时无功功率理论的测量谐波电流的方法，并根据在三相电网中对称负载的特性，本文提出了一种简单且易于实现对传感器的故障排查的容错控制方法。计算机仿真结果表明该方法能够迅速有效地估计和隔离传感器故障。从而改善了并联型有源电力滤波器运行的安全性和可靠性。兰州交通大学毕业设计外文翻译（译文）-2-2.基于ANN的谐波电流测量模型信号()st和干扰信号()nt应该用自适应噪声消除的方法来分离。如图1所示,其中()()stnt是原始输入，()nt是参考输入，()yt是由()nt经过自适应滤波器调制后的输出。假定信号()st是与信号()nt和()nt无关，而()nt与()nt相互关联。当()yt在LMS纠错校正的条件下几乎等于信号()nt时，信号()nt得到了最好的抑制。因此系统输出信号()zt同样在LMS纠错校正的条件下几乎等于信号()st，从而信号()st被分离出来。同时，信号()zt被应用于自适应滤波器的参数调节。自适应噪声消除方法只需要很少或几乎不需要任何有关信号和干扰方面的统计知识，所需信号将会从混合信号中被分离出来[6]。originalinput-原始输入referenceinput-参考输入systemoutput-系统输出adaptivefilter-自适应滤波器errorsignal-误差信号图1基于ANN的谐波电流测量原理图3.基于SAF方法的谐波电流测量模型图2显示了该方法的原理框图。在该方法中，我们利用p-q理论来实现i和i的计算后，用一个带有电流转换器的锁相环在A相线电压下可以产生同相的正弦信号和余弦信号。经过这些转变，电流的主要组成部分将为直流，并且所有的谐波部分将保留在交流电流中[7]。使用两个简单的低通滤波器，可以很轻易的将所有谐波从i和i中分离出来，并且通过反变换PI调节器，将它的电流主要组成部分转化成直流，这样可以提高系统稳定性和控制精度。因此，时间和相位的延迟在直流电流中不起任何作用，我们能够实现电流i和i的主要组成部分没有相位和幅值错误[8]。如图2所示变量之间的关系如下：兰州交通大学毕业设计外文翻译（译文）-3-3232sincossincoscossincossinaapbbqcciiiiwtwtwtwtCCiCiiiwtwtwtwtii（1）这里，32111222333022C，ai、bi、ci是实际测量电流。最后的指令信号的补偿电流为：ahaafbhbbfchccfiiiiiiiii（2）这里，afi、bfi、cfi为基波电流，ahi、bhi、chi为谐波电流。图2基于SAF的谐波电流测量原理图4.容错控制方法容错控制系统(FCS)通过使用不同功能的算法进行并行验证和控制，由一个综合的系统方法来提高可靠性和容错性。以下各节讨论了一种采用并行容错控制方法的并联型有源电力滤波器。目标是制定一个综合系统，包括控制和信号验证模块。容错控制系统的框架如图3所示，提出了使用容错方法来避开由于“传感器故障”而造成的问题。所谓的“传感器故障”是指传感器损坏或不正确变换信号。还有很重要的一点是，容错控制系统容错逻辑不能解决设备出现的故障（除验证执行器的输出）。此外，多次异常同时出现的可能不是不可避免的，然而，本文提出的设计，一般来说，提供了一个比现有设计更好的解决办法。信号验证是通过采用具有相同测量数据子集和相同算法的垂直冗余来实现的[9]。如图4所示，Y是输出量，nX是第n个测量数据子集，nn()FX是第n个处理器的算法。兰州交通大学毕业设计外文翻译（译文）-4-signalvalidation-信号验证cross-validation-交叉验证Nonlineload-非线性负载SVPWM-矢量正弦脉宽调制invertor-逆变器图3容错控制系统的构架根据图4可以得到如下式子：12nXXX（1）1122nn()()()FXFXFXY（2）这种并联形式意味着容错只能通过处理器之间的物理隔离来改善[10][11]。TotalMeasurementSet-总测量端口SingleDecision-单一输出BestDecision-最佳输出图4输出端口的并联结构基于上述控制算法，传感器的容错控制可以根据相关的测量信号来实现。根据在三相电网中对称负载的特性，它规定0abciii，因此，由任一相的线电流可以计算出其它两相的线电流。比较电流计算值和相位相同的电流测量值，并通过一定的滞环，这个相位传感器是否良好，可以通过滞环的输出信号来判断,然后选择电流的计算值或测量值输入下一个模块。如果电流测量值是正确的，那么电流测量值将被输入兰州交通大学毕业设计外文翻译（译文）-5-下一个的模块。如果电流测量值不正确，那么电流计算值将被输入下一个的模块。这样可以确保输入到下一个模块的信号是正确的。5.仿真结果和分析为了验证上述控制系统的设计，正如图3所示的关于系统的仿真实验是在MATLAB的环境下完成的。如图5所示，这个系统的负载是一个带有单相控制晶闸管整流桥（触发角为60˚）的反应器。在系统中，Vs=380V，f=50Hz，电感为15mH，电容为2500μF，Vd=900V。在这个实验中，谐波和基波的无功功率的补偿是同时进行的，仿真时限为五个周期，并且系统在仿真开始半个周期后运行稳定。图6是负载电流的原始波形。如果不使用有源电力滤波器，网络电流保持不变。在该图中，还含有谐波的一个重要组成部分。图7是在使用有源电力滤波器和一个测量传感器发生故障的网络电流波形，而图8是在使用有源电力滤波器和一个测量传感器在容错控制下发生故障的网络电流波形。图5容错控制系统的仿真模型图6无APF的负载电流波形图7一个测量传感器发生故障时的网络电流和电压波形图8容错控制下的网络电流和电压波形从上述图形可以看出如果电流测量传感器中的一个发生故障，并联型有源电力滤波器在一般控制策略下会成为非线性负载。这样的话，并联型有源电力滤波器不但不能补偿谐波电流，而且还会增加系统的负担和浪费能源。但是，在采用容错控制方法的情况下，良好的控制性能得以实现，系统的整体运作得以保证。兰州交通大学毕业设计外文翻译（译文）-6-6.结论针对三相对称负载电网，本文提出了一种关于并联型有源电力滤波器的容错控制方法。容错控制系统提供了两种不同的容错控制方式。第一，包括一个信号验证系统，由传感器读数降低引起的传感器故障或计算不准确的控制行为是可以避免的。第二，多种控制算法的运用提供了在控制过程的运行中的备用方法。不同的控制算法可能需要避免因控制器控制输入信号误差引起的失败，并从多个算法中选择可以在不同的操作条件下提供更好的结果的一种算法。仿真结果表明，该控制方法能够快速有效地分辨和估计传感器故障，具备较宽传感器容错能力，加强并联型有源电力滤波器运行的安全性和可靠性。今后的工作是将所提出方法的应用扩大到不对称三相负载电网中。