CN104934976A - 作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，涉及一种电力滤波器的控制方法，所述方法包括建立并联APF的拓扑结构与数学模型、dq0坐标变换下的谐波提取与SVPWM控制、SAPF的改进型SVPWM；本发明省略了扇区识别和简化了作用时间的复杂运算，从而减少了数字控制器的运算量，提高了其补偿速度。仿真与实验证明了基于改进型SVPWM的SAPF控制策略的有效性，此控制算法更适应于数字控制器（DSP）的控制，减轻了其庞大的计算负担，提高了谐波补偿的响应时间。本发明改进作用于SAPF的SVPWM控制算法对于工程实践有着重要的借鉴意义。

Description

作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法
技术领域
    本发明涉及一种电力滤波器的控制方法，特别是涉及一种作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法。
背景技术
有源电力滤波器(Active Power Filter-APF)是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置,它能对频率和幅值都变化旳谐波进行补偿,可以弥补无源滤波器的不足,获得比无源滤波器更好的补偿恃性,是一种理想的谐波补偿装置。与无源滤波器相比,有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性。
目前并联有源电力滤波器（SAPF）使用较多。在有源电力滤波器对谐波补偿问题中，为了实时跟踪谐波电流的变化，达到预期的补偿效果，有源电力滤波器通常采用三角波比较法和滞环比较法。有源电力滤波器的补偿性能除了依赖这些电流跟踪法外，还与 PWM 调制方法有关。
目前 PWM调制法有 SPWM和 SVPWM法。与 SPWM 法相比，SVPWM 具有电压利用率高、响应速度快等优点，并且非常适合数字化实现和实时控制。
    目前，众学者对SVPWM研究不断深入，有文献：基于电流电压内在关系的 SAPF 的 SVPWM 控制 算法的研究及稳定性分析[J].电力系统保护与控制,2014,42(8) 提出一种电压电流内在关系的SVPWM的控制方法。还有文献 基于三相桥臂坐标的SVPWM过调制方法[J].电工技术学报，2015,30（1）：151。从一个新的角度出发，取消了扇区的概念，直接立 足三相桥臂输出来实现SVPWM调制。还有文献三相四开关并联型有源电力滤波器的SVPWM 调制算法[J].电工技术学报，2011,26（4）：128。提出了一 种针对于三相四开关APF的SVPWM控制方法。
对SVPWM过调制算法进行磁链分析，验证了过调制策略加快了电机的响应过程,扩展了电机运行速度的范围。然而，针对于SAPF的SVPWM控制的研究还不够充分。
传统的SVPWM控制法具体实现步骤主要包括如下四部分：1)坐标变换2）扇区判断3)作用时间计算4）确定空间矢量切换点。
传统的参考矢量的合成作用时间的确定方法要确定扇区相角，并且要计算相位和参考相量。这些计算涉及大量的无理数和三角函数的计算，计算量是巨大的。这些操作严重增加了数字处理器的负担，同时计算错误可能会破坏有源电力滤波器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，该方法对于谐波补偿的并联有源电力滤波器的SVPWM控制算法进行了改进，对作用时间的确定另辟蹊径,并且取消了扇区判断环节。仿真与实验验证了本发明所提出的改进型SVPWM的SAPF控制策略的正确性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，所述方法包括建立并联APF的拓扑结构与数学模型、dq0坐标变换下的谐波提取与SVPWM控制、SAPF的改进型SVPWM；并联APF的拓扑结构与数学模型的简化拓扑结构包括直流侧有储能电容的电压源逆变器，通过滤波电感，在公共耦合点(PCC)与非线性负载并联；dq0坐标变换下的谐波提取与SVPWM控制负载电流通过dq变换分离出d轴、q轴分量、零轴分量；低通滤波器分离基波分量与谐波分量，负载电流参考值与基波分量作差，得到负载电流谐波参考值； SAPF的改进型SVPW应用有效时间与电压调制来计算实际作用时间，通过在dq0坐标系下的三相参考电压的调制作用而获得有效作用时间，同时通过三相实际作用时间 作为三相桥臂的作用时间，作用于DSP寄存器以产生三相互补的PWM波驱动三相可控开关管；的值是随提取的的变化而变化，经过DSP后产生互补的PWM波也是随提取谐波变化而动态变化。
    所述的作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，所述并联APF的拓扑结构与数学模型的负载电流表示为iLa，iLb，iLc;电网电流与APF补偿电流分别为isa，isb，isc和ifa，ifb，ifc；补偿信号由改进的SVPWM电流控制器产生；APF的补偿电流为
   （1）。
所述的作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，所述dq0坐标变换下的谐波提取与SVPWM控制dq0轴分量由下式得到：
（4）
三相的谐波电流是从三相负载电流中去除基波电流而得到，在d轴设置一个截止频率为50HZ的低通滤波器用于提取对应a-b-c坐标系下的负载谐波电流；VSI的损耗分量为负载加到为了得到完整的d轴参考滤波电流；由于必须直接提供，所以不在q轴和0轴加滤波器。
所述的作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，所述SAPF的改进型SVPW应用有效时间与电压调制来计算实际作用时间，基于dq坐标系空间电压矢量分区及合成，六个非零电压空间矢量表示为：
 （k=1,2…，6）       (7)
定义，，有效时间 。
所述的作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，所述SAPF的改进型SVPW应用有效时间与电压调制来计算实际作用时间，为了容许零电压在一个采样周期内参与运算，引入偏移时间对进行偏移，可得到三桥臂实际作用时间为下式所示：
（16）。
所述的作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，所述SAPF的改进型SVPW应用有效时间与电压调制来计算实际作用时间，为了容许零电压在一个采样周期内参与运算，引入偏移时间对进行偏移，可得到三桥臂实际作用时间
又有，故有
（17）。
本发明的优点与效果是：
本发明所提出的作用于SAPF的改进型SVPWM控制方法避免了传统SVPWM算法的扇区判断和计算各个扇区作用时间的复杂计算过程。此控制算法更适应于数字控制器（DSP）的控制，减轻了其庞大的计算负担，提高了谐波补偿的响应时间。本发明所改进作用于SAPF的SVPWM控制算法对于工程实践有着重要的借鉴意义。
附图说明
    图1 并联型有源滤波器简化拓扑结构图；
图2 并联APF单相(A相)等效电路图；
图3为dq0坐标变换下的谐波提取并作用于SVPWM控制器示意图；
图4基于dq坐标系空间电压矢量分区及合成图；
图5 三相桥臂实际作用时间示意图；
图6 （a）仿真结果网侧电压示意图；
图6（b）仿真结果负载电流图；
图6（c）仿真结果补偿网侧电流图；
图6（d）仿真结果APF补偿电流图；
图7   A相负载补偿前后电流图；
图8 APF补偿的A相电流图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
 1.并联APF的拓扑结构与数学模型
    并联APF简化拓扑结构如图1所示。简化拓扑结构包括直流侧有储能电容的电压源逆变器，通过滤波电感，在公共耦合点(PCC)与非线性负载并联。滤波电感的作用是减少由APF高频开关动作产生的纹波。负载电流表示为iLa，iLb，iLc;电网电流与APF补偿电流分别为isa，isb，isc和ifa，ifb，ifc。补偿信号由改进的SVPWM电流控制器产生。APF的补偿电流为
  （1）
  具有电流控制器的电压源型PWM逆变器可以抑制谐波电流。本发明改进的SVPWM算法用于产生开关导通、关断信号。此外，SVPWM算法不需要三角波发生电路，更适合于数字化控制电路的实现。
    图2为A相的等效电路，Vsa和isa为电网A相电压和A相电流；Rs、Ls为电网等效电阻和电感；Esa为A相PCC（公共耦合点）的电压；Vfa，ifa分别为APF的A相电压、电流；ila为A相负载电流；为滤波电感。等效电路可用以下等式表示
  （2）
因此APF的三相电压可以表示为
（3）
2 .dq0坐标变换下的谐波提取与SVPWM控制
图3为dq0坐标变换下的谐波提取并作用于SVPWM控制器示意图。负载电流通过dq变换分离出d轴、q轴分量、零轴分量；低通滤波器分离基波分量与谐波分量，负载电流参考值与基波分量作差，得到负载电流谐波参考值。dq0轴分量分别可由下式得到：
（4）
三相的谐波电流是从三相负载电流中去除基波电流而得到，这里在d轴设置一个截止频率为50HZ的低通滤波器用于提取。对应a-b-c坐标系下的负载谐波电流。VSI的损耗分量为负载加到是为了得到完整的d轴的参考滤波电流。由于、必须直接提供，所以不在q轴和0轴加滤波器。整个三相负载谐波参考电流的提取过程如图3所示。故有
（5）
根据图2的等效电路图，整理可得dq坐标系下的电流、电压关系如下式所示：
（6）
上式中，是被控变量。为系统频率，为APF注入参考电流。为dq0坐标系下的参考电压。忽略零序分量，Vfd、Vfq用以产生SVPWM开关信号脉冲，作用于APF补偿负载谐波电流。
3. SAPF的改进型SVPWM
本发明应用有效时间与电压调制来计算实际作用时间。基于dq坐标系空间电压矢量分区及合成图如图4所示。这里六个非零电压空间矢量可以表示为：
 （k=1,2…，6）       (7)
定义，，有效时间。
由文献可得式（8）（9）
（8）
（9）
m为扇区号(m=1,2，…，6)
又因为在dq坐标系下有：
（10）
故有当m=1时有效作用时间为：
（11）
（12）
同理当m=2时，有
（13）
（14）
当m=3,4,5,6时，同理可求，由此可以得到：
（15）
为了容许零电压在一个采样周期内参与运算，引入偏移时间对进行偏移，可以得到三桥臂实际作用时间为下式所示。其时间作用示意图如图5所示
（16）
又有，故有
（17）
    以上分析得到了一种新的获得参考矢量合成时间的方法。该方法是通过在dq0坐标系下的三相参考电压的调制作用而获得有效作用时间。同时通过三相实际作用时间为三相桥臂的作用时间，作用于DSP寄存器以产生三相互补的PWM波驱动三相可控开关管。由于式（7）至式（17）的分析可知的值是随提取的的变化而变化的，经过DSP后产生互补的PWM波也是随提取谐波的变化而动态变化，故不需要扇区判断。解决了扇区判断和作用时间复杂计算这一计算量庞大且响应时间慢的问题。
    4. 仿真与实验验证
    根据本发明提出的方法，搭建MATLAB/SIMULINK仿真图，参数如下表所示。
表1仿真参数
图6中 仿真结果（a）网侧电压（b）负载电流（c）补偿网侧电流（d）APF补偿电流
    从仿真结果中可以看出，该策略搭建的仿真器补偿电流的响应时间大概在0.02s，因而所提出的改进型并联有源滤波器以较少的计算工作量进行补偿。
    为验证该方法的正确性和有效性，搭建了基于三相并联型APF实验样机。采用TI公司的TMS320F2812来实现，选用MAX125 模块完成A/D转换。采用HIOKI PW3198电能质量仪测其电流畸变率。具体实验参数如下表所示。
表2 实验参数
 经过实验验证可知，补偿后电流畸变率从24.71%降到4.21%，波形得到了良好的改善。所以采用该方法补偿效果良好，以A相为例，补偿前后A相负载电流如图7所示，图8为SAPF的A相补偿电流。并且通过电能质量仪测得补偿前后的电流畸变率如表3所示。
表3 补偿前后电流畸变率

Claims (6)

1.作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，其特征在于，所述方法包括建立并联APF的拓扑结构与数学模型、dq0坐标变换下的谐波提取与SVPWM控制、SAPF的改进型SVPWM；并联APF的拓扑结构与数学模型的简化拓扑结构包括直流侧有储能电容的电压源逆变器，通过滤波电感，在公共耦合点(PCC)与非线性负载并联；dq0坐标变换下的谐波提取与SVPWM控制负载电流通过dq变换分离出d轴、q轴分量、零轴分量；低通滤波器分离基波分量与谐波分量，负载电流参考值与基波分量作差，得到负载电流谐波参考值； SAPF的改进型SVPW应用有效时间与电压调制来计算实际作用时间，通过在dq0坐标系下的三相参考电压的调制作用而获得有效作用时间，同时通过三相实际作用时间 作为三相桥臂的作用时间，作用于DSP寄存器以产生三相互补的PWM波驱动三相可控开关管；的值是随提取的的变化而变化，经过DSP后产生互补的PWM波也是随提取谐波变化而动态变化。
2.    根据权利要求1所述的作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，其特征在于，所述并联APF的拓扑结构与数学模型的负载电流表示为iLa，iLb，iLc;电网电流与APF补偿电流分别为isa，isb，isc和ifa，ifb，ifc；补偿信号由改进的SVPWM电流控制器产生；APF的补偿电流为
（1）。
3.根据权利要求1所述的作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，其特征在于，所述dq0坐标变换下的谐波提取与SVPWM控制dq0轴分量由下式得到：
（4）
三相的谐波电流是从三相负载电流中去除基波电流而得到，在d轴设置一个截止频率为50HZ的低通滤波器用于提取 对应a-b-c坐标系下的负载谐波电流；VSI的损耗分量为负载加到为了得到完整的d轴参考滤波电流；由于必须直接提供，所以不在q轴和0轴加滤波器。
4.根据权利要求1所述的作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，其特征在于，所述SAPF的改进型SVPW应用有效时间与电压调制来计算实际作用时间，基于dq坐标系空间电压矢量分区及合成，六个非零电压空间矢量表示为：
（k=1,2…，6）       (7)
定义，，有效时间。
5. 根据权利要求4所述的作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，其特征在于，所述SAPF的改进型SVPW应用有效时间与电压调制来计算实际作用时间，为了容许零电压在一个采样周期内参与运算，引入偏移时间对进行偏移，可得到三桥臂实际作用时间为下式所示：
 （16）。
6.根据权利要求4所述的作用于有源电力滤波器的空间矢量脉宽调制控制方法，其特征在于，所述SAPF的改进型SVPW应用有效时间与电压调制来计算实际作用时间，为了容许零电压在一个采样周期内参与运算，引入偏移时间对进行偏移，可得到三桥臂实际作用时间
又有，故有
（17）。
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