CN102403722A - 一种三电平四桥臂有源滤波器的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电平四桥臂有源滤波器的控制方法，该装置采用四层母排结构，其控制方法采用H∞鲁棒控制策略，选择，，，为状态变量，并建立有源滤波器系统的状态方程，通过选择权函数，以及求解Riccati不等式，得出控制器；然后根据控制器得出的参考电压指令，再应用参考电压分解的方法，将复杂的三电平四桥臂开关矢量的选择问题简化为两电平四桥臂的空间矢量控制和三电平四桥臂的一个开关状态选择2个部分进行解决。采用H∞鲁棒控制策略，增强了系统的稳定性，在工作状况变动、外部干扰以及建模误差等不可避免的情况下，仍能保持系统正常运行。

Description

一种三电平四桥臂有源滤波器的控制方法
技术领域
本发明涉及一种三电平四桥臂并联有源滤波器的实现方法，适用于实验和工业应用。
背景技术
并联型有源滤波器向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流成为正弦波，其本身表现出电流源的特性。随着公共电网谐波、中线电流危害的日益严重，多电平并联有源滤波器和四桥臂并联有源滤波器，成为目前研究的热点。
多电平结构可以降低主功率器件电压应力，增加并联有源滤波器的补偿容量；四桥臂结构抑制中线电流效果较好。但是三电平四桥臂拓扑结构的控制电压矢量多达上百个，计算复杂，正弦波调制、SVPWM调制、单周控制等常规的调制方法和控制策略均不适用该系统。因此，研究一套适用于该结构的控制策略、开发一套可以工业应用的三电平四桥臂并联有源滤波器装置以及其控制方法是很有必要的。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种三电平四桥臂有源滤波器装置及其实现方法的完整设计，对目前该类装置的几个核心问题给出了解决方案。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三电平四桥臂有源滤波器控制方法，该三电平四桥臂有源滤波器采用四层母排结构，其控制方法采用H∞鲁棒控制策略，选择                                                
Figure 670632DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 212603DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 291417DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 789395DEST_PATH_IMAGE004
为状态变量（
Figure 623359DEST_PATH_IMAGE001
为输出电流，
Figure 573997DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 456502DEST_PATH_IMAGE006
为给定电流，
Figure 622036DEST_PATH_IMAGE007
为有源滤波器输出电压，，
Figure 64835DEST_PATH_IMAGE009
为待定参数），并建立有源滤波器系统的状态方程，通过选择权函数，以及求解Riccati不等式，得出控制器；然后根据控制器得出的参考电压指令，再应用参考电压分解的方法，将复杂的三电平四桥臂开关矢量的选择问题简化为两电平四桥臂的空间矢量控制和三电平四桥臂的一个开关状态选择2个部分进行解决。
一种三电平四桥臂有源滤波器装置，包括三相电源、电压传感器、负载电流传感器、APF侧电流传感器、直流侧电压传感器、IGBT触发信号、限流电阻、交流接触器、非线性负载、三电平四桥臂逆变器和鲁棒控制器；所述电压传感器并联于三相电源的输出端上，负载电流传感器串联于三相电网上，负载电流传感器的输出端与非线性负载连接；交流接触器与APF侧电流传感器连接，并且串联在电网与三电平四桥臂逆变器之间的传输线上，限流电阻和交流接触器组成的串联电路并联在交流接触器的两端，直流侧电压传感器与三电平四桥臂逆变器连接；电压传感器、负载电流传感器、APF侧电流传感器和直流侧电压传感器的输出信号经过鲁棒控制器产生IGBT触发信号。
一种三电平四桥臂有源滤波器直流侧母排基于一体化设计，采用四层母线结构，最顶层为负极母排，第二层为正极母排，第三层为零极目排，第四层为负极母排，最终构成负、正、零、负四层母排结构；在整个母排下方，等长度平均设置若干个电解电容器；所有电容器按三电平方式连接，其正、负、零极与母排对应，通过过孔端子以过孔方式连接。
本发明的有益效果是：基于鲁棒控制策略的三电平四桥臂有源滤波器的控制方法，增强了系统的稳定性，在工作状况变动、外部干扰以及建模误差等不可避免的情况下，仍能保持系统正常运行；采用新型母排结构，减少了母线电感量，消弱了主功率器件的过电压效应，提升了设备稳定性和使用寿命。
 
附图说明
图1为三电平四桥臂并联有源滤波器的主回路图；
图2为控制策略示意图；
图3为一个桥臂的触发脉冲示意图；
图4为新型无感母线结构俯视图；
图5为新型无感母线结构立体示意图。
图中：1、三相电源，2、电压传感器，3、负载电流传感器，4、APF侧电流传感器，5、直流侧电压传感器，6、IGBT触发信号，7、限流电阻，8、交流接触器，9、交流接触器，10、非线性负载，11、三电平四桥臂逆变器，12、鲁棒控制器，13、进线电感，14、三电平四桥臂空间电压矢量分解算法，15、上桥臂双管IGBT模块，16、构成箝位二极管的IGBT模块，17、下桥臂双管IGBT模块，18、母排，19、电容器，20、负极母排，21、零极母排，22、正极母排，23、负极母排，24、过孔连接端子，
Figure 485452DEST_PATH_IMAGE010
 、谐波电流指令， 、电网相电压，
Figure 881591DEST_PATH_IMAGE012
 、各相电压指令给定，
Figure 806822DEST_PATH_IMAGE013
 、各相实际输出电流， 
Figure 93447DEST_PATH_IMAGE014
 、各相电压指令给定。
 
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1至5示出了本发明一种三电平四桥臂有源滤波器控制方法的具体实施方式：本三电平四桥臂并联有源滤波器的实现方法由三电平四桥臂逆变器及其测量控制系统组成：
该装置为：包括三相电源1、电压传感器2、负载电流传感器3、APF侧电流传感器4、直流侧电压传感器5、IGBT触发信号6、限流电阻7、交流接触器8和9、非线性负载10、三电平四桥臂逆变器11和鲁棒控制器12，电压传感器2并联于三相电源1的输出端上，负载电流传感器3串联于三相电网上，负载电流传感器3的输出端与非线性负载10连接；交流接触器8与APF侧电流传感器4连接，并且串联在电网与三电平四桥臂逆变器11之间的传输线上，限流电阻7和交流接触器9组成的串联电路并联在交流接触器8的两端，直流侧电压传感器5与三电平四桥臂逆变器11连接；电压传感器2、负载电流传感器3、APF侧电流传感器4和直流侧电压传感器5的输出信号经过鲁棒控制器12产生IGBT触发信号6；
该方法为：基于一体化设计，采用四层母线结构，最顶层为负极母排，第二层为正极母排，第三层为零极目排，第四层为负极母排，最终构成负、正、零、负四层母排结构，如图5中序号20、21、22和23所示；在整个母排18下方，等长度平均设置若干个电解电容器19；所有电容器19按三电平方式连接，其正、负、零极与母排对应，通过过孔端子24以过孔方式连接；电网带非线性负载运行时，主电路中产生大量谐波电流，启动有源滤波器后，交流接触器9闭合，通过限流电阻7以三电平四桥臂逆变器11对直流侧电容充电，若四个桥臂对电容充电，则容易引起震荡；充电完毕后，交流接触器8闭合，三电平四桥臂有源滤波器开始补偿谐波；负载电流传感器3和 APF侧电流传感器4的输出信号输入鲁棒控制器12，以计算谐波电流指令与输出误差，电压传感器2采集电网电压信号以确定电网矢量角度，直流侧电压传感器5采集直流侧电压信号以计算补偿环节指令；鲁棒控制器12中的DSP计算出8个独立PWM，再由FPGA扩展出16个触发脉冲，为三电平四桥臂逆变器11中的IGBT提供触发信号。
一种三电平四桥臂并联有源滤波器H∞鲁棒控制的实现方法，在系统设计阶段考虑被控对象的各种不确定因素，根据该系统的特点，选取合适的状态变量：
Figure 154944DEST_PATH_IMAGE015
Figure 439294DEST_PATH_IMAGE001
为输出电流，
Figure 851821DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 692869DEST_PATH_IMAGE017
为给定电流，
Figure 874452DEST_PATH_IMAGE018
为有源滤波器输出电压。
建立系统的状态方程， 
Figure 64125DEST_PATH_IMAGE019
为求解Riccati不等式需要状态方程中如下参数：
Figure 26265DEST_PATH_IMAGE020
,
Figure 405425DEST_PATH_IMAGE021
,
Figure 707093DEST_PATH_IMAGE022
,
Figure 67667DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 454786DEST_PATH_IMAGE024
,
Figure 886904DEST_PATH_IMAGE025
, 
Figure 777500DEST_PATH_IMAGE026
选取如下
Figure 574555DEST_PATH_IMAGE027
其中L为进线电感值，n为传感器噪声，E为电源电压。
Figure 996440DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 169932DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 180614DEST_PATH_IMAGE030
，，
Figure 307019DEST_PATH_IMAGE032
，，
Figure 883810DEST_PATH_IMAGE034
为待定参数，根据权函数来选取，权函数如下：
Figure 832787DEST_PATH_IMAGE035
                                                   
Figure 416215DEST_PATH_IMAGE036
                                                             
Figure 665931DEST_PATH_IMAGE037
            
最后通过求解Riccati不等式，得出控制器。
根据控制器得出的参考电压指令，再应用参考电压分解的方法，将复杂的三电平四桥臂开关矢量的选择问题简化为两电平四桥臂的空间矢量控制和三电平四桥臂的一个开关状态选择2个部分进行解决，从而解决了现有的控制策略普遍存在的计算复杂的问题；以A相为例，以一个直流侧电容的电压作为基准值1，则A桥臂中点对N桥臂中点的电压
Figure 651205DEST_PATH_IMAGE038
，即在任一时刻
Figure 23280DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 94004DEST_PATH_IMAGE040
的取值范围为
Figure 147411DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 987191DEST_PATH_IMAGE042
的取值范围为
Figure 280900DEST_PATH_IMAGE043
，
同理可以求得B、C两相的相对电压，相对电压都由整数部分，小数部分
Figure 430439DEST_PATH_IMAGE045
组成。
剩下的计算分为两个部分：
首先，根据三相相对电压的整数部分，求得第四桥臂（N桥臂）的绝对开关矢量，如下公式:
 ，其中
Figure 838604DEST_PATH_IMAGE047
其次，通过三相相对电压的小数部分，在两电平四桥臂结构中求得ABCN各桥臂上开关管的开通时间。
Figure 883920DEST_PATH_IMAGE048
Figure 279129DEST_PATH_IMAGE049
，其中
Figure 640972DEST_PATH_IMAGE050
Figure 729013DEST_PATH_IMAGE051
每个部分都是通过三个桥臂对第四桥臂的相对开关状态，推导出第四桥臂的绝对开关状态，于是得到所有桥臂的绝对开关状态来进行调制。
硬件实现方式：
三电平四桥臂拓扑结构，一个桥臂需要同时给出4个触发脉冲，则该装置同一时刻需要16个触发脉冲；经过分析，以任一桥臂为例，四个IGBT，a和c的脉冲可由一个触发脉冲A取反后获得，b和d的脉冲可由一个触发脉冲B取反后获得，其中A与B是相互独立的；当（A,B）=(1,1)时，该桥臂输出状态为1（输出电压为+
Figure 996047DEST_PATH_IMAGE052
）；当（A,B）=(0,1)时，该桥臂输出状态为0（输出电压为0）；当（A,B）=(0,0)时，该桥臂输出状态为-1（输出电压为-
Figure 257264DEST_PATH_IMAGE052
）；因此控制器只需产生8个独立PWM控制信号，再对偶生成16个PWM输出即可。本发明采用TI公司TMS320F28335芯片和Xilinx公司Spartan3 XC3S200芯片作为控制板的主要芯片，DSP芯片28335具有6个增强型PWM模块，每个模块可以输出2个独立的PWM信号，可以满足装置8个独立控制信号的要求，再经FPGA芯片XC3S200扩展得到16个PWM输出。

Claims (1)

1.一种三电平四桥臂有源滤波器的控制方法，其特征在于：该三电平四桥臂有源滤波器采用四层母排结构，其控制方法采用H∞鲁棒控制策略，选择                                                
Figure 682412DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 2011103899010100001DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 325883DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 2011103899010100001DEST_PATH_IMAGE004
为状态变量，并建立有源滤波器系统的状态方程，通过选择权函数，以及求解Riccati不等式，得出控制器；然后根据控制器得出的参考电压指令，再应用参考电压分解的方法，将复杂的三电平四桥臂开关矢量的选择问题简化为两电平四桥臂的空间矢量控制和三电平四桥臂的一个开关状态选择2个部分进行解决。
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