有源电力滤波器运行状态在线监测与诊断方法研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 3.23MB 49 页 15积分

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摘要

有源电力滤波器是一种新型的谐波治理和无功补偿装置，因其动态响应速度

快、补偿特性好等优点，得到了国内外学者的广泛关注。为了保障有源电力滤波

器的运行可靠性，减少因装置故障导致的事故，实现故障的自动诊断，本文就有

源电力滤波器在线监测与诊断方法展开了研究。本文主要研究内容如下：

1、介绍了有源电力滤波器的类型与基本构成，对其工作方式、主电路形式、

谐波检测方法、控制方法和直流侧稳压策略做了详细的分析。

2、在有源电力滤波器功率管 IGBT 开路故障诊断研究方面，提出了一种小波

包神经网络诊断方法。通过 MATLAB 搭建了有源电力滤波器仿真模型，分析了各

种故障状况下的电流特征。构建了小波包故障特征提取方法，建立了基于神经网

络的故障诊断系统，仿真结果验证了该诊断方法的正确性和可行性。

3、设计了有源电力滤波器信号采集与系统保护的硬件电路，研究了 IGBT 开

路故障诊断的硬件电路，通过对故障诊断时序图的分析，验证了该硬件诊断电路

能够准确识别 IGBT 故障位置。采用 LabVIEW 软件开发了有源电力滤波器在线监

测与诊断系统，该系统不仅能够对有源电力滤波器的运行参数进行实时监测与分

析，还能对 IGBT 及其驱动模块的故障进行自动诊断，进一步丰富了整个有源电力

滤波器实验平台。

研究生期间取得的成果和参与的项目：分别在《电测与仪表》、《机电工程》

期刊发表 2篇论文（CSCD/SCD，B类）。在校期间参与了有源电力滤波器研发项

目，并开发有源电力滤波器在线监测与诊断系统。

关键词：有源电力滤波器小波包神经网络在线监测故障诊断

ABSTRACT

The Active Power Filter(APF) is a new equipment restraining harmonics and

compensating reactive power, because of the advantage in fast response and good

compensation characteristics, APF has been widely concerned by scholars in and abroad.

In order to guarantee the reliability of APF, reducing accidents caused by equipment

faults, achieving automatic fault diagnosis, the on-line monitoring and diagnosis method

are studied in this paper. The main contents of the paper are as follows:

1. This paper introduces the type and construction of shunt APF, then studies the

work form and control method of main circuit, and DC side voltage regulation strategy.

2. On the open-circuit fault diagnosis of the IGBT, a fault diagnosis method based

on wavelet packet and neural network is proposed in the paper. Through constructing

MATLAB simulation model of APF, this paper analyses the current characteristics in

the fault status. The method for extracting fault feature is constructed by wavelet packet,

and then diagnosis system based on neural network is designed, the results show that the

diagnosis method is correct and feasible.

3. This paper designs the circuit of signal sampling and system protection, and then

studies the circuit of the open-circuit fault diagnosis module. Through analysing the

sequence diagram of the fault diagnosis module, the circuit of the module is proved that

the module can accurately identify fault location of IGBT. Finally, the on-line

monitoring and diagnosis system of APF is designed by using the LabVIEW technology,

which further enriches the experimental platform.

Works during the graduate student: Published two class-B (CSCD/SCD Library)

papers. Participated in APF research project, and developed the on-line monitoring and

diagnosis system.

Key word: Active Power Filter, Wavelet Packet, Neural Network,

On-line Monitoring, Fault Diagnosis

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ............................................................................................................... 1

1.1 课题研究背景及意义 .................................................................................... 1

1.2 有源电力滤波器发展概况 ............................................................................ 2

1.3 在线监测与诊断方法研究现状 .................................................................... 4

1.4 课题研究内容和主要工作 ............................................................................ 5

第二章并联型有源电力滤波器概述 ......................................................................... 7

2.1 APF 系统构成与工作原理 ............................................................................ 7

2.2 APF 主电路结构及工作原理 ........................................................................ 8

2.3 APF 谐波检测方法 ...................................................................................... 10

2.4 APF 电流跟踪控制策略 .............................................................................. 12

2.5 APF 直流侧电压控制 .................................................................................. 14

2.6 本章小结 ...................................................................................................... 16

第三章基于小波包神经网络的 APF 故障诊断方法 .............................................. 17

3.1 神经网络概述 .............................................................................................. 17

3.2 APF 故障诊断原理 ...................................................................................... 18

3.3 APF 故障仿真 .............................................................................................. 19

3.4 APF 故障类型编码 ...................................................................................... 22

3.5 小波包神经网络故障诊断系统 .................................................................. 23

3.6 本章小结 ...................................................................................................... 26

第四章有源电力滤波器在线监测与诊断系统设计 ............................................... 27

4.1 APF 实验平台系统构成 .............................................................................. 27

4.2 APF 硬件系统设计 ...................................................................................... 28

4.2.1 DSP 主控制系统 ................................................................................... 28

4.2.2 IGBT 驱动电路 ..................................................................................... 29

4.2.3 信号检测电路 ....................................................................................... 30

4.2.4 AD 采样电路 ........................................................................................ 32

4.2.5 保护电路 ............................................................................................... 32

4.3 IGBT 故障诊断电路设计 ............................................................................ 33

4.4 APF 在线监测与诊断系统软件设计 .......................................................... 36

4.4.1 LabVIEW 简介 ..................................................................................... 36

4.4.2 在线监测与诊断系统设计流程 ........................................................... 37

4.4.3 在线监测与诊断系统界面 ................................................................... 38

4.5 本章小结 ...................................................................................................... 40

第五章总结与展望 ................................................................................................... 41

5.1 总结 .............................................................................................................. 41

5.2 展望 .............................................................................................................. 41

参考文献 ..................................................................................................................... 43

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 46

致谢 ........................................................................................................................... 47

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

在自然环境保护日益受到关注的今天，人们同样也已经意识到电网环境需要

“绿化”的必要性即需要提高电能质量。优质的电能质量对一个国家的科技发展、

工业生产以及经济增长具有很大的影响，因此对电能质量的研究和保护具有十分

重要的意义。而谐波作为众多威胁电能质量指标的重要元素之一，应当要引起国

家、电力公司以及用户的高度关注。

随着现代高科技的迅猛发展，大量的变频变流装置、电动装置、照明装置、

家用电器等开关型电气设备进入到人们的生产生活中来，导致了非线性、液动性、

不平衡负荷不断增加，在供电系统中产生大量的谐波电流和冲击无功功率，导致

了不计其数的、明显的或者潜在的电能质量问题。这些问题不仅对供电系统的安

全运行带来干扰，也对用户生产生活带来许多意想不到影响，威胁高精度、高质

量电器设备的使用寿命，增加额外的电能损失。电能质量直接影响着供用电双方

的安全运行、可靠使用和经济效益。供电系统的电能质量已经成为制约国民经济

和社会发展的一个重要因素，提高电能质量已经成为国家调整经济结构、加快转

变经济发展方式的重要突破口。

抑制电网谐波可以从以下两方面着手：一是改进容易产生大量谐波的设备，

减少谐波的产生；二是在需要治理谐波处安装谐波补偿装置。在谐波治理处投入

有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)就是一个重要发展趋势[1]，与无源滤波

器相比较，APF 具有以下几点优势：

（1）治理方式灵活，可用于补偿各次谐波、无功，同时对闪变抑制也有很好

的效果，使用一台设备可以改善多种电能指标，节约了设备投入资金；

（2）系统频率变化对谐波补偿性能影响不大，在系统状态发生改变的情况下，

APF 依然能够取得良好的滤波效果；

（3）不受电网阻抗的影响，不会与电力系统发生串并联谐振，提高了电力系

统的可靠性；

（4）能够对谐波电流实时地进行动态补偿，可以快速地跟随谐波电流的变化

而变化，有完美的自适应能力。

有源电力滤波器在实际运行中会出现各种状况：过载、过流、过压、过热、IGBT

开路等等，这些问题都会影响 APF 装置的谐波治理效果，甚至还会影响电网系统

的安全运行。目前在谐波治理装置开发上有很多研究，但对于装置本身的监测与

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摘要：

摘要有源电力滤波器是一种新型的谐波治理和无功补偿装置，因其动态响应速度快、补偿特性好等优点，得到了国内外学者的广泛关注。为了保障有源电力滤波器的运行可靠性，减少因装置故障导致的事故，实现故障的自动诊断，本文就有源电力滤波器在线监测与诊断方法展开了研究。本文主要研究内容如下：1、介绍了有源电力滤波器的类型与基本构成，对其工作方式、主电路形式、谐波检测方法、控制方法和直流侧稳压策略做了详细的分析。2、在有源电力滤波器功率管IGBT开路故障诊断研究方面，提出了一种小波包神经网络诊断方法。通过MATLAB搭建了有源电力滤波器仿真模型，分析了各种故障状况下的电流特征。构建了小波包故障特征提取方法，建立了...

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