級聯(lián)型STATCOM故障診斷與容錯控制研究.pdf

1、在中壓配電網(wǎng)的無功補償和諧波治理領(lǐng)域,級聯(lián)型靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator-STATCOM)因其具有模塊化、大容量、諧波特性好和易于實現(xiàn)冗余控制等優(yōu)點,近年來得到了廣泛應(yīng)用,其可靠性已經(jīng)成為保障電力系統(tǒng)安全運行的一項關(guān)鍵技術(shù)。為此,近年來高容錯STATCOM系統(tǒng)的概念被提出并成為了國內(nèi)外研究的熱點。高容錯STATCOM系統(tǒng)是指當(dāng)故障發(fā)生后,通過在線故障診斷裝置在允許時間內(nèi)診斷出故障類型和位置

2、,在不停機的情況下在線重新配置系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)并采取相應(yīng)的容錯控制策略,使得系統(tǒng)能夠在滿足一定性能要求下繼續(xù)運行。研究表明,在STATCOM系統(tǒng)中,變流器是實現(xiàn)各種控制策略的關(guān)鍵部分,但由于其長期處于高頻動作和能量變換的工作環(huán)境,其功率開關(guān)器件也最容易發(fā)生故障,若故障后不及時處理將會造成STATCOM系統(tǒng)輸出不平衡、諧波增加等危害,嚴重時還會造成保護停機。因此,研究STATCOM系統(tǒng)中變流器的故障診斷和容錯控制將具有十分重要的理論意義和實

3、際意義。
　　高容錯STATCOM系統(tǒng)實現(xiàn)的首要條件是快速準(zhǔn)確的故障診斷,其診斷精度和診斷時間直接影響到容錯控制的效果。STATCOM系統(tǒng)中的變流器環(huán)節(jié)是一個典型的包含連續(xù)狀態(tài)變量和開關(guān)離散變量的復(fù)雜系統(tǒng),且時刻處于對負載變化的動態(tài)響應(yīng)中,使得傳統(tǒng)的以輸出電流或輸出電壓為原始信號的基于解析模型和信號處理的方法并不能有效地揭示系統(tǒng)的故障特性,不適合于變流器內(nèi)部故障的分析和診斷。因此,本文針對傳統(tǒng)方法在診斷時間、負載變化影響、故障樣本

4、需求等方面的缺點,以變流器中各功率模塊電容電壓為原始信號,將小波多分辨率分析、特征降維技術(shù)和多核最小二乘支持向量機等理論引入到故障診斷過程中,建立了針對變流器中功率器件開路故障的綜合故障診斷系統(tǒng)。首先利用db40小波對原始信號進行8尺度分解,將各頻帶的高頻小波分解序列的能量作為故障特征。在故障分類方面,引入了多核最小二乘支持向量機,并利用混沌粒子群優(yōu)化算法對其進行參數(shù)優(yōu)化,提出了基于核主成分分析和譜系聚類算法的故障特征降維方法。仿真和實

5、驗證明此方法克服了標(biāo)準(zhǔn)支持向量機計算復(fù)雜的缺點,提高了故障診斷的魯棒性,繼承了小樣本學(xué)習(xí)的優(yōu)點,在保證診斷準(zhǔn)確率的同時縮短了診斷時間。
　　針對空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方法在級聯(lián)型STATCOM中實現(xiàn)難度大的缺點,研究了統(tǒng)一空間矢量脈寬調(diào)制(GSVPWM)方法的實現(xiàn)。通過零序分量的疊加將 SVPWM方法等效為基于載波的方式,并且可通過改變零矢量分配系數(shù)方便的實現(xiàn)各種PWM方法的切換。提出了一種簡單快速的GSVPWM數(shù)字化實現(xiàn)

6、方法。此方法避免了傳統(tǒng) SVPWM方法復(fù)雜的三角運算、坐標(biāo)變換、空間矢量選擇和矢量作用時間的計算,具有電壓利用率高、開關(guān)損耗小、響應(yīng)速度快、易于實現(xiàn)容錯控制等特點。
　　STATCOM的容錯控制是指故障后通過調(diào)整系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)來保證裝置在故障情況下穩(wěn)定可靠的運行能力。本文對級聯(lián)型STATCOM的容錯拓撲及其控制策略展開了研究。采取了帶1級冗余的模塊冗余方案和僅旁路故障模塊的隔離方案。系統(tǒng)正常運行時,各功率模塊降額運行,當(dāng)故障發(fā)生

7、后通過封鎖驅(qū)動脈沖和旁路機構(gòu)將故障模塊同主電路隔離。在分析故障對系統(tǒng)各控制環(huán)節(jié)影響的基礎(chǔ)上,提出了具有容錯功能的相間電容電壓平衡控制策略、相內(nèi)電容電壓平衡控制策略和PWM控制策略,實現(xiàn)了STATCOM系統(tǒng)的容錯運行。
　　設(shè)計了8級聯(lián)STATCOM的故障診斷和容錯控制實驗平臺?；贔PGA的分布式集中控制結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)具有模塊化、控制簡單、易于安裝維護等優(yōu)點。實驗結(jié)果表明裝置具有良好的動態(tài)補償效果,對功率器件開路故障具有良好的診斷能