李偉，余仕求　(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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三相四開關(guān)有源電力濾波器新型控制策略研究

李偉，余仕求(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

[摘要]基于無差拍控制，提出了一種適用于三相四開關(guān)有源電力濾波器的新型控制策略：以構(gòu)建價值函數(shù)為尋優(yōu)目標，在一個開關(guān)周期內(nèi)直接選取最優(yōu)電壓矢量替代傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制，無需復(fù)雜的時間計算。分析了三相四開關(guān)逆變器電壓空間矢量特點，并構(gòu)建了合成矢量，優(yōu)化空間電壓矢量作用順序和增設(shè)尋優(yōu)條件，減少開關(guān)頻率，以提高系統(tǒng)的補償性能。該方法控制簡單，易實現(xiàn)，仿真結(jié)果驗證了所提方法的有效性和實用性。

[關(guān)鍵詞]無差拍控制；四開關(guān)逆變器；價值函數(shù)

有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)能夠很好抑制電網(wǎng)的諧波，提高電能質(zhì)量。目前，針對三相六開關(guān)APF的控制具有較多的開關(guān)并聯(lián)型有源電力濾波器具有功率開關(guān)器件少，損耗少，控制簡單，綜合造價低等優(yōu)點。作為六開關(guān)APF一相橋臂故障后的一種容錯拓撲，三相四開關(guān)能夠繼續(xù)維持系統(tǒng)正常工作，研究其控制策略對中低壓領(lǐng)域的APF發(fā)展具有現(xiàn)實意義，因此被廣泛的關(guān)注和研究[1~6]。

與三相六開關(guān)逆變器相比，三相四開關(guān)逆變器只有4個電壓空間矢量，無零矢量，且模值不均等。若使用傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制策略，易產(chǎn)生窄脈沖，且要合成零矢量則必須增加開關(guān)頻率。而基于無差拍控制策略，在一個采樣周期內(nèi)，以構(gòu)建價值函數(shù)為尋優(yōu)原則，直接選擇最佳開關(guān)模式觸發(fā)脈沖，控制結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)。為此，筆者基于無差拍控制，提出了一種適用于三相四開關(guān)有源電力濾波器的新型控制策略。

1三相四開關(guān)有源電力濾波器拓撲結(jié)構(gòu)

圖1　三相四開關(guān)有源電力濾波器拓撲結(jié)構(gòu)

三相四開關(guān)并聯(lián)型有源電力濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，ea﹑eb﹑ec分別為三相電源相電壓，電源相電流分別為isa﹑isb﹑isc；負載為三相不可控整流阻感負載，其相電流分別為iLa﹑iLb﹑iLc；三相四開關(guān)有源電力濾波器發(fā)出相電流分別為ia﹑ib﹑ic；濾波器輸出電感為L；母線電壓為Udc；分壓電容電壓分別為uc1﹑uc2；a﹑b兩相橋臂分別由功率器件IGBT和續(xù)流二極管構(gòu)成。

與傳統(tǒng)三相六開關(guān)比，三相四開關(guān)顯然節(jié)省了一個橋臂，驅(qū)動電路設(shè)計更加簡單，總體功率器件損耗減少，散熱裝置等工程造價有所降低，適用于中低壓小容量場合。

為方便分析，假設(shè)直流側(cè)2電容電壓相等且無脈動。電源中性點N不接地，并以N為電壓參考點，不計零軸分量，Sa代表S2、S4的開關(guān)狀態(tài)；Sb代表S1、S3的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)Sa=1時，a相上橋臂開通，下橋臂關(guān)斷；當(dāng)Sa=0時a相上橋臂關(guān)斷，下橋臂開通。Sb與Sa相仿，逆變器輸出相電壓進行“等功率”轉(zhuǎn)換到αβ坐標系下得：

(1)

表1給出了在αβ坐標系下4種開關(guān)狀態(tài)與電壓空間矢量對應(yīng)關(guān)系。

2TFSAPF新型控制策略

根據(jù)圖1并由基爾霍夫電壓定律，忽略逆變器輸出電感的阻抗，在αβ坐標系下得：

(2)

式中，eαβ為三相電源電壓轉(zhuǎn)換到αβ坐標軸下的電壓；uαβ﹑iαβ分別為逆變器輸出電壓和電流。由于采樣時間Ts很小,將式(2)進行離散并估算下一采樣時刻變流器發(fā)出電流：

(3)

(4)

圖2　三相四開關(guān)APF新型控制原理圖

圖3　電壓空間矢量分布

由上述分析可知，在一個采樣周期內(nèi)只作用一種開關(guān)狀態(tài)。依據(jù)伏秒原則可知，若增大采樣頻率，開關(guān)頻率就會隨之增加，價值函數(shù)g就越小。指令電流信號跟蹤誤差減小使得APF諧波補償性能得以提高，反之亦然。若以增加采樣頻率來提高系統(tǒng)補償性能，則增大了AD采樣模塊和DSP運算處理模塊的壓力。

另一方面，若逆變器可供選擇的電壓矢量越多，在相同采樣頻率下，諧波補償精度將會提高。因此筆者提出通過合成矢量方案以減少APF補償誤差。

由表1可知逆變器的交流側(cè)輸出電壓空間矢量只有4種 ，在αβ坐標系下的分布如圖3(a)所示。

由圖3(a)和表1可知，三相四開關(guān)逆變器的電壓空間矢量與常規(guī)三相六開關(guān)逆變器的電壓空間矢量相比較[4]，在空間位置方面，只有4個相互垂直的電壓空間矢量，且無零矢量。

由此可將相鄰2個基矢量進行合成得到合成矢量：

(5)

圖4　程序流程圖

由式(5)可知，相鄰的2個基矢量在一個開關(guān)周期內(nèi)作用相等的時間得到合成基矢量U01﹑U12﹑U23﹑U30，并結(jié)合原基矢量U0﹑U2作為三相四開關(guān)逆變器的一組新電壓空間矢量，其空間分布如圖3(b)所示。顯然新的電壓空間基矢量分布構(gòu)成正六邊形，類似于傳統(tǒng)三相六開關(guān)逆變器的電壓空間矢量分布。與原4個電壓空間矢量相比，合成后的電壓空間幅值相等，相角相差60°。

假設(shè)在一個開關(guān)周期內(nèi)最優(yōu)輸出電壓矢量為合成電壓矢量，則實際上作用了2種開關(guān)狀態(tài)。為減少開關(guān)頻率，一方面可在估算逆變器輸出電流和選取最佳電壓空間矢量之前，增加一個判斷條件：

f=g(k+1)-λgmin(k)

(6)

式中，λ為調(diào)節(jié)系數(shù)，為使系統(tǒng)收斂，λ∈[0,1];f為條件判斷值。如果f≥0,則重新選擇最佳電壓矢量；如果f≤ 0,則將Uopt(k)作為第k+1采樣周期的逆變器輸出最佳電壓矢量，從而保持了前后2個采樣周期的開關(guān)狀態(tài)不變。

三相四開關(guān)有源電力濾波器新型控制策略的程序流程圖如圖4所示。

3仿真結(jié)果

圖5　電源電流補償前后的波形

三相對稱電源相電壓為220V，頻率50Hz；三相四開關(guān)APF交流側(cè)輸出電感L=8mH,等效電阻R=0.1Ω；直流側(cè)兩電容分別取5000μF,其參考電壓各為600V；負載為三相不可控整流阻感負載2組Ls1=5mH 、Rs1=6Ω；Ls2=5mH 、Rs2=24Ω；功率器件IGBT開關(guān)頻率fs=10kHz;采樣時間Ts=25μs。

圖5為三相四開關(guān)APF諧波補償前后及負載變化時電源電流的波形，系統(tǒng)在0.04s時投入APF運行，仿真時調(diào)節(jié)系數(shù)λ取0，采用6種工作模式觸發(fā)脈沖驅(qū)動IGBT；在0.08s時投入第2組負載，由圖5可以看出，補償后的電源電流波形基本為正弦，且在增大負載后，暫態(tài)過程短，補償效果明顯，很好的抑制了諧波電流，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

圖6(a)給出了使用原電壓空間矢量模式下補償后的電源電流波形，電流諧波總疇變率(THD)為6.18%。在相同采樣頻率下，圖6(b)給出了使用合成空間矢量模式下的電源電流補償，仿真時調(diào)節(jié)系數(shù)λ取0，補償后電流諧波THD為4.01%，提高了APF的補償精度，滿足實際應(yīng)用。

圖6　2種空間矢量模式下的補償效果仿真

圖7　平均開關(guān)頻率補償后a相電源電流 THD　與調(diào)節(jié)系數(shù)λ的關(guān)系

4結(jié)論

1)基于無差拍控制策略，提出一種適用于三相四開關(guān)APF的控制方案，定義價值函數(shù)g為尋優(yōu)目標，在一個開關(guān)周期內(nèi)直接選取最優(yōu)電壓矢量，避免了窄脈沖影響，無需復(fù)雜的時間計算，實現(xiàn)簡單。

2)在滿足諧波及無功的補償容量范圍內(nèi)，應(yīng)對負載變化，筆者提出的控制策略具有跟蹤諧波迅速，抗干擾強等優(yōu)點。

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[編輯]洪云飛

[引著格式]李偉，余仕求.三相四開關(guān)有源電力濾波器新型控制策略研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2015,12(34)：27~30.

[中圖分類號]TM464

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)34-0027-04

通信作者：

[作者簡介]李偉(1989-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事變頻器與諧波處理方面的研究工作；余仕求，1295467710@qq.com。

[收稿日期]2015-09-27