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        有源電力濾波器滯環(huán)空間矢量控制新方法

        2015-12-02 07:02:30維,李
        中北大學學報(自然科學版) 2015年6期
        關(guān)鍵詞:有源分段矢量

        王 維,李 嵐

        (太原理工大學 電氣與動力工程學院,山西 太原030024)

        隨著非線性負載的大量使用,電網(wǎng)的諧波問題已經(jīng)成為了電能質(zhì)量的主要問題之一.作為治理諧波的有效手段[1-2],有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)得到了快速的發(fā)展.在有源電力濾波器控制中,諧波電流的跟蹤控制至關(guān)重要.較成熟的控制方法主要有:空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)和滯環(huán)控制.其中空間矢量控制開關(guān)頻率固定,但是響應速度較慢;滯環(huán)控制響應速度快,容易實現(xiàn),但開關(guān)頻率波動劇烈.滯環(huán)空間矢量控制方法包含了二者的優(yōu)點,引起了人們廣泛的研究.

        文獻[3]提出最優(yōu)電壓空間矢量的控制方法,該方法有效降低了開關(guān)管的開關(guān)頻率,但響應速度受大量復雜運算過程的影響.文獻[4-8]采用雙滯環(huán)空間矢量控制方法,對系統(tǒng)處于暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)分別作了研究,但控制模塊過于繁瑣.文獻[9-10]提出一種多階滯環(huán)空間矢量控制方法,并將其應用于PWM整流器控制中,簡化了控制模塊,取得良好控制效果的同時,響應速度快且有效降低了開關(guān)頻率.由于有源濾波器指令電流的無規(guī)律性,直接采用該控制方法時,存在跟蹤松弛的現(xiàn)象.文獻[11]在并網(wǎng)逆變器的控制中提出了滯環(huán)與滯環(huán)空間矢量相結(jié)合的控制方法,并且取得較好的實驗結(jié)果.

        本文分析了有源電力濾波器的矢量控制原理,提出了滯環(huán)與多階滯環(huán)空間矢量控制結(jié)合的控制方法.根據(jù)誤差電流模值的大小,采用滯環(huán)與多階滯環(huán)空間矢量的分段控制,當誤差電流模值較大時采用滯環(huán)控制,較小時采用多階滯環(huán)空間矢量控制.該方法彌補了采用多階滯環(huán)空間矢量控制時出現(xiàn)跟蹤松弛的問題,保留了開關(guān)頻率低的優(yōu)點.通過仿真與試驗驗證了該控制方法的正確性.

        1 有源濾波器的矢量控制原理

        并聯(lián)型有源電力濾波器的等值電路如圖1所示[6].圖中3個理想開關(guān)代替有源濾波器中的開關(guān)器件IGBT,e為電網(wǎng)電動勢矢量,u為有源濾波器輸出的電壓矢量,Udc表示直流側(cè)的恒定電容電壓.

        圖1 APF等值電路 Fig.1 Equivalent circuit diagram of APF

        圖1中三相電路在abc坐標下的瞬時值方程為

        式中:所有電壓均以系統(tǒng)中性點N為參考點.

        引入開關(guān)函數(shù)Sa,Sb,Sc,有源濾波器輸出相電壓為

        由式(2)可以看出三相橋臂之間是相互影響的.將abc坐標轉(zhuǎn)化到靜止坐標系α-β下,即采用空間矢量,可以消除關(guān)聯(lián).兩坐標系有如下關(guān)系

        式中:f可為電壓或電流.

        對應開關(guān)函數(shù)Sa,Sb,Sc組合從(0,0,0)到(1,1,1)的8種開關(guān)模式,有源濾波器輸出的相電壓空間矢量可表示為

        由式(4)可知,有源濾波器輸出6個非零矢量(u1-u6)和兩個零矢量(u00,u10),如表1所示.

        表1 開關(guān)狀態(tài)與APF輸出電壓空間矢量 Tab.1 Relation between switching modes and output voltage space vectors of APF

        由式(1)可得APF輸出端電壓矢量方程式

        定義矢量δ為參考電流矢量i*C與實際補償電流矢量iC之差,即

        結(jié)合式(5),并忽略電阻R的影響,可得

        定義等式右邊括號中的項為參考電壓u*,即

        則式(7)簡化為

        式(9)說明,對于給定的具有零誤差電流響應的參考電壓矢量u*,可以選擇合適的空間矢量uk,以控制誤差電流矢量的變化率dδ/d t,從而控制δ.

        2 分段控制思想

        分段控制的主體思想為選定一個誤差電流閾值|Δi|,當誤差電流大于|Δi|時,采用魯棒性強的滯環(huán)控制;當誤差電流小于|Δi|時,采用開關(guān)頻率小的多階滯環(huán)空間矢量控制.

        2.1 滯環(huán)控制

        滯環(huán)控制是將誤差電流Δiα,Δiβ分別送入滯環(huán)比較器中,與上下環(huán)寬作對比,當誤差電流大于上環(huán)寬或者小于下環(huán)寬時,通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的開斷,將誤差電流限制在環(huán)寬內(nèi).滯環(huán)控制魯棒性強,可快速地跟蹤指令電流.

        2.2 多階滯環(huán)空間矢量

        由表1可知,有源濾波器輸出電壓對應的α,β軸分量分別有4個和3個非零矢量.對α,β軸分別采用四階和三階滯環(huán)比較器,APF輸出電壓空間矢量及分割方法如圖2所示,系統(tǒng)原理圖如圖3所示.

        圖2 APF輸出電壓空間矢量 Fig.2 Space-vector of APF output voltage

        圖3 多級滯環(huán)空間矢量原理圖 Fig.3 Multilevel hysteresis space-vector schematic diagram

        滯環(huán)比較器環(huán)寬的選擇是由電流控制精度的需求決定的,較小的滯環(huán)寬度會得到較高的控制精度,但會導致開關(guān)頻率變大,滯環(huán)寬度大則會出現(xiàn)相反的結(jié)果.因此在控制過程中要權(quán)衡控制精度與開關(guān)頻率的關(guān)系以及系統(tǒng)其他參數(shù)的影響.通過仿真和實驗,可以找到與控制精度和開關(guān)頻率相權(quán)衡的滯環(huán)寬度.將誤差電流的α,β軸分量分別輸入對應的滯環(huán)比較器中,根據(jù)比較器的輸出結(jié)果選擇最優(yōu)電壓空間矢量,選擇邏輯如表2所示.

        表2 電壓矢量選擇表 Tab.2 Voltage vector selection table

        通過零矢量的合理應用減小開關(guān)頻率.例如當前電壓矢量為u1,u3或u5,當需要切換為0狀態(tài)時選擇u00,此時只需改變一個開關(guān)狀態(tài).同理當前電壓矢量為u2,u4或u6,當需要切換為0狀態(tài)時選擇u10.

        2.3 分段控制

        在多階滯環(huán)空間矢量控制中,每個基本周期里α,β的各相比較器都處在特定的滯環(huán)寬度循環(huán)中,同時也就決定了參考電壓矢量u*所在的位置[9-10].例如當誤差電流的模值較小時,參考電壓矢量u*在圖2所示的扇區(qū)V中,則相應的Sα取值為1或2,Sβ取值為0或1,此時可選擇對應L·dΔi/d t模值較小的電壓矢量u5和u6或者電壓矢量0的矢量u00,u10,跟蹤指令電流且利于減小開關(guān)頻率;當誤差電流的模值較大時,滯環(huán)空間矢量跟蹤反應較慢,會出現(xiàn)跟蹤較慢,跟蹤松弛,電流畸變率(THD)增大的現(xiàn)象,此時利用滯環(huán)的快速響應特性,實現(xiàn)電流的快速跟蹤.分段控制框圖如圖4所示.

        圖4 分段控制 Fig.4 Segment control

        3 仿真結(jié)果與分析

        在Matlab環(huán)境下搭建APF仿真模型,對滯環(huán)與多階滯環(huán)空間矢量分段控制方法的可行性進行仿真驗證,并與只采用多階滯環(huán)空間矢量控制方法的結(jié)果進行對比分析.仿真參數(shù)如下:電源線電壓為380 V,電網(wǎng)頻率為50 Hz;直流側(cè)電壓穩(wěn)定為900 V;系統(tǒng)阻抗忽略不計;以三相不可控整流橋帶阻感負載為諧波源,其中電阻為8Ω,電感4 m H;直流側(cè)電容為0.002 3 F.

        由仿真波形圖5可知,采用多階滯環(huán)空間矢量控制時,電源側(cè)的電流波形出現(xiàn)明顯的跟蹤松弛現(xiàn)象,THD下降到7.25%,不滿足要求;采用滯環(huán)與多階滯環(huán)空間矢量的分段控制方法,THD下降到2.11%,良好地補償了諧波電流.因此,采用本文所述的分段控制方法后電流質(zhì)量好于采用多階滯環(huán)空間矢量控制方法.

        圖5 仿真波形 Fig.5 Simulation waveform

        4 試驗結(jié)果與分析

        為了進一步驗證提出的滯環(huán)空間矢量控制新方法的正確性,在實驗平臺上搭建APF系統(tǒng).采用TI公司的TMS320F28335和三菱公司的智能功率模塊PM25RSK120.實驗參數(shù)如下:電源線電壓為110 V,直流側(cè)電壓為給定為350 V,以三相不可控整流橋帶阻感負載為諧波源,其余參數(shù)與仿真相同.基于滯環(huán)與多階滯環(huán)空間矢量分段控制方法的有源電力濾波器實驗波形如圖6所示.

        圖6 實驗波形 Fig.6 Experiment waveform

        由實驗波形可知,補償之前負載電流的畸變率為20.36%,采用分段控制方法補償后,電流畸變率下降為8.28%,補償了電流諧波.分段控制有較低的開關(guān)頻率,開關(guān)管的平均開關(guān)頻率約為1.9 k Hz.

        5 結(jié) 論

        本文針對電網(wǎng)的諧波問題,提出了有源電力濾波器滯環(huán)與多階滯環(huán)空間矢量分段控制新方法.該方法提高了電流跟蹤性能,有效地抑制了電網(wǎng)電流畸變,降低了開關(guān)頻率,改善了電能質(zhì)量,同時該方法簡單便于實現(xiàn).仿真與試驗都驗證了該方法的正確性與優(yōu)越性.

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